ICS25.160.01CCSJ33團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)X-raydiffractiontestingmethodforstressofmetallicmaterialsweldedjointsIT/CWAN0116—2024 II 12規(guī)范性引用文件 3術(shù)語(yǔ)、符號(hào)和定義 4X射線應(yīng)力測(cè)試原理及方法 25測(cè)試儀器 46測(cè)試方案的制定 57測(cè)試步驟 58試驗(yàn)報(bào)告 8附錄A（資料性） 9參考文獻(xiàn) 10T/CWAN0116—2024本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。本文件的某些內(nèi)容可能涉及專(zhuān)利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識(shí)別專(zhuān)利的責(zé)任。本文件由中國(guó)焊接協(xié)會(huì)提出并歸口。本文件起草單位：河北河鋼材料技術(shù)研究院有限公司、天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院、湖南湘工環(huán)保科技開(kāi)發(fā)有限公司、中國(guó)機(jī)械總院集團(tuán)哈爾濱焊接研究所有限公司、天津市思維奇檢測(cè)技術(shù)有限公司、天津大學(xué)、天津市金橋焊材集團(tuán)股份有限公司、上海工程技術(shù)大學(xué)、北部灣大學(xué)、上海極火網(wǎng)絡(luò)科技有限公司、福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院。本文件主要起草人：張彩東、馬青軍、賀順達(dá)、馬成、韋晨、武鵬博、黨麗華、陳博文、田旭海、鄒吉鵬、劉晨曦、肖輝英、張?zhí)炖?、馮志強(qiáng)、梁偉、孫明輝、高利慧、李?lèi)?ài)民、吳妍。1T/CWAN0116—2024金屬材料焊接接頭應(yīng)力X射線測(cè)試方法本文件規(guī)定了采用X射線衍射原理測(cè)試金屬材料焊接接頭應(yīng)力的方法，內(nèi)容包括術(shù)語(yǔ)、符號(hào)和定義、X射線應(yīng)力測(cè)試方法及原理、測(cè)試儀器、測(cè)試方案的制定、測(cè)試步驟及試驗(yàn)報(bào)告要求。本文件適用于金屬材料焊接接頭的應(yīng)力測(cè)試。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過(guò)文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T7704無(wú)損檢測(cè)X射線應(yīng)力測(cè)定方法GB/T39520彈簧殘余應(yīng)力的X射線衍射測(cè)試方法JB/T9394無(wú)損檢測(cè)儀器X射線應(yīng)力測(cè)定儀技術(shù)條件3術(shù)語(yǔ)、符號(hào)和定義以下及GB/T7704界定的術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。3.1術(shù)語(yǔ)和定義3.1.1德拜-謝樂(lè)環(huán)Debye-Scherrerring當(dāng)X射線入射多晶體時(shí)，衍射X射線會(huì)以入射X射線為軸，形成圓心角θ不同的多個(gè)圓錐。用平面X射線膠片或二維檢測(cè)器接收這樣的圓錐，可以得到入射X射線的位置在中間的同心圓狀的衍射線圖案。這樣的同心圓一般稱(chēng)為德拜謝樂(lè)環(huán)或德拜環(huán)（Debyering）。3.2符號(hào)本文件中的符號(hào)和定義見(jiàn)表1。表1符號(hào)和定義θχω在χ=0即掃描平面垂直于試樣表面的條件下入射X射線與試φ衍射晶面法線在試樣平面的投影與試樣平面上σφσiiτφσφ作用面上垂直于試樣表面方向的切應(yīng)力εφΨβ積分寬度，即衍射峰去除與布拉格衍射無(wú)關(guān)的背底以后積分2T/CWAN0116—2024Z1{hkl}{hkl}2S2,S1S1LPL1，L2，L3d0dφΨAαη4X射線應(yīng)力測(cè)試原理及方法4.1X射線應(yīng)力測(cè)試基本原理X射線應(yīng)力測(cè)試是以晶體材料晶面間距為標(biāo)準(zhǔn)距離，使用X射線衍射測(cè)試由于應(yīng)力導(dǎo)致的晶面間距變化，然后計(jì)算應(yīng)力。cosα法是使用單一斜入射的X射線，利用二維檢測(cè)器獲得德拜環(huán)的全周晶格應(yīng)變信息來(lái)測(cè)量試樣表面殘余應(yīng)力和載荷應(yīng)力的方法。X射線入射多晶體時(shí)，衍射X射線以入射X射線為軸，與反射X射線共同構(gòu)成圓錐狀。圖1是德拜-謝樂(lè)環(huán)形成的原理圖。圖1cosα法X射線應(yīng)力測(cè)定原理圖根據(jù)cosα法進(jìn)行應(yīng)力測(cè)定，以試樣表面的O點(diǎn)為測(cè)定位置，如圖1所示，以所測(cè)應(yīng)力方向?yàn)閤軸，其垂直方向?yàn)閥軸，試樣面法線方向?yàn)閦軸?，F(xiàn)在x-z面內(nèi)與z軸所成角Ψ0的方向入射X射線，在垂直入射X射線方向上設(shè)置二維檢測(cè)器。檢測(cè)器測(cè)得的照射區(qū)域內(nèi)存在的晶體群的衍射X射線呈圓環(huán)狀，如圖2所示，該圓環(huán)稱(chēng)為德拜-謝樂(lè)環(huán)或德拜環(huán)。德拜環(huán)的頂端距離試樣法線近的一側(cè)為-η側(cè)，底端為+η側(cè)。3T/CWAN0116—2024圖2德拜環(huán)上的旋轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的4個(gè)衍射角測(cè)定從入射X射線側(cè)觀察，取以德拜環(huán)中心O作為原點(diǎn)的極坐標(biāo)系。德拜環(huán)頂端的-η側(cè)為起點(diǎn)，定義順時(shí)針?lè)较虻男D(zhuǎn)角α。旋轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的德拜環(huán)的半徑rα為:rα=Ltan2ηα(5.1)其中，L是試樣和檢測(cè)器的距離，2ηα是衍射角2θα的補(bǔ)角。2ηα=180?2θαdeg(5.2)結(jié)合半徑rα、式(5.1)、式(5.2)，可得衍射角2θα:π?tan?1(5.3)其中角度單位是deg，180/π為從rad到deg變換時(shí)的系數(shù)。根據(jù)衍射角2θα可得晶格應(yīng)變?chǔ)纽?cotθ0(5.4)應(yīng)力值可以從旋轉(zhuǎn)角α對(duì)應(yīng)的晶格應(yīng)變?chǔ)纽?、其?duì)角的晶格應(yīng)變?chǔ)纽?π、旋轉(zhuǎn)角-α對(duì)應(yīng)的晶格應(yīng)變?chǔ)?α和επ-α共計(jì)4個(gè)晶格應(yīng)變求得。然后求出兩個(gè)應(yīng)變差(εα-εα+π)和(ε-α-επ-α),定義其平均應(yīng)變參數(shù)εα1為：εα1=(5.5)試樣表面層的應(yīng)力狀態(tài)為平面應(yīng)力時(shí)，測(cè)定應(yīng)力σx與應(yīng)變參數(shù)εα1關(guān)系如下：σx=?(5.6)其中Ex為被測(cè)樣品相的X射線楊氏模量，νx為X射線泊松比。圖3εα1—cosα圖從單一X射線入射角Ψ0下觀測(cè)到的德拜環(huán)求出多個(gè)旋轉(zhuǎn)角α對(duì)應(yīng)的應(yīng)變參數(shù)εα1，以cosα為橫軸，εα14T/CWAN0116—2024為縱軸作圖。cosα和εα1的關(guān)系呈圖3中的直線關(guān)系，然后用最小二乘法決定近似直線的斜率M1，應(yīng)力由下式求出：σx=K1?M1[Mpa](5.7)其中，K1為應(yīng)力常數(shù)，M1為εα1—cosα圖的斜率。K1=?(5.8)(5.9)而且，式(5.6)中，由于2η隨α的變化很小，用無(wú)應(yīng)變時(shí)的2η0替換之，進(jìn)一步，根據(jù)2η0為無(wú)應(yīng)變時(shí)的衍射角2θ0的補(bǔ)角可以推出式(5.10)：2η0=180?2θ0deg(將式(5.5)中的α=π2cosα=0)代入，應(yīng)變參數(shù)εα1得零。圖3的εα1—cosα圖是通過(guò)原點(diǎn)的直線，根據(jù)最小二乘法可以確定直線的斜率M1。4.1.2同傾法、側(cè)傾法和擺動(dòng)法同傾固定Ψ0法、同傾固定Ψ法、側(cè)傾法(χ法）、側(cè)傾固定Ψ法及雙線陣探測(cè)器側(cè)傾法（修正χ法）、擺動(dòng)法的測(cè)試基本原理參見(jiàn)GB/T7704。4.2X射線應(yīng)力測(cè)試方法基于現(xiàn)有不同種類(lèi)衍射裝置的幾何布置，應(yīng)力測(cè)試方法分為：a）cosα法：將X射線斜向入射，利用二維檢測(cè)器所測(cè)得的衍射環(huán)（德拜環(huán)）的變化來(lái)測(cè)試不同方位的晶格應(yīng)變，從而求得試樣表面層應(yīng)力的方法。b）同傾固定Ψ0法(ω法）：應(yīng)力方向平面(Ψ平面）與掃描平面（2θ平面）相重合，探測(cè)器工作入射角Ψ0保持不變的應(yīng)力測(cè)試方法。c）同傾固定Ψ法(θ-2θ掃描法應(yīng)力方向平面(Ψ平面）與掃描平面（2θ平面）相重合，探測(cè)器和X射線管作同步等量相向左θ-θ掃描，或作θ-2θ掃描，使得在獲得一條衍射曲線數(shù)據(jù)的過(guò)程中Ψ角保持不變，亦即參與衍射的晶粒群固定不變的應(yīng)力測(cè)試方法。d）側(cè)傾法(χ法）：是應(yīng)力方向平面(Ψ平面）與掃描平面（2θ平面）相互垂直的應(yīng)力測(cè)試方法。e）側(cè)傾固定Ψ法（即θ-θ掃描Ψ法）：應(yīng)力方向平面(Ψ平面）與掃描平面（2θ平面）相互垂直，探測(cè)器和X射線管作同步等量相向左θ-θ掃描，或作θ-2θ掃描，使得在獲得一條衍射曲線數(shù)據(jù)的過(guò)程中Ψ角保持不變，亦即參與衍射的晶粒群固定不變的應(yīng)力測(cè)試方法。f）雙線陣探測(cè)器側(cè)傾法（修正χ法）：兩個(gè)線陣探測(cè)器對(duì)稱(chēng)地分布于入射線兩側(cè)，取兩個(gè)探測(cè)器測(cè)得的應(yīng)變的平均值，用該平均值計(jì)算應(yīng)力值。g）擺動(dòng)法：在探測(cè)器接收衍射線的過(guò)程中，以每一個(gè)設(shè)定的Ψ角（或Ψ0角）為中心，使X射線管和探測(cè)器在平面內(nèi)左右回?cái)[一定的角度的應(yīng)力測(cè)試方法。該方法客觀上增加了被測(cè)樣品中參加衍射的晶粒數(shù)目，是解決粗晶材料應(yīng)力測(cè)試問(wèn)題的近似處理方法，擺動(dòng)角度一般不超過(guò)6°。5測(cè)試儀器5.1基本要求cosα法一般使用便攜式X射線衍射應(yīng)力測(cè)定儀，該儀器管電壓不宜低于30KV，準(zhǔn)直器照射面宜為直徑不超過(guò)3mm的圓形，同時(shí)需具備樣品定位輔助裝置，一般不需配備測(cè)角儀。同傾法和側(cè)傾法使用的X射線衍射應(yīng)力測(cè)定儀應(yīng)符合GB/T7704和JB/T9394的主要技術(shù)要求。5T/CWAN0116—20245.2X射線管X射線管應(yīng)根據(jù)被測(cè)材料類(lèi)型選擇Cr、Cu、Mn、Co等靶材。5.3探測(cè)器常用探測(cè)器類(lèi)型有以下三種：——單點(diǎn)接收的探測(cè)器（通過(guò)機(jī)械掃描獲得衍射強(qiáng)度沿反射角的分布曲線——線陣探測(cè)器（可一次性獲得整條衍射曲線）；——面探測(cè)器（可一次獲得整個(gè)或部分德拜環(huán)）。5.4測(cè)角儀測(cè)角儀應(yīng)包括X射線管和探測(cè)器，應(yīng)具備確定φ角、改變?chǔ)方呛驮谝欢ǖ?θ范圍自動(dòng)獲得衍射曲線的功能。除cosα法外，其余方法使用的測(cè)角儀的基本要求如下：——2θ回轉(zhuǎn)中心、Ψ回轉(zhuǎn)中心、X射線光斑中心、儀器指示的測(cè)試點(diǎn)中心四者應(yīng)重合；——接收反射線的總范圍，一般高角不小于167°,低角不宜大于143°（某些專(zhuān)用測(cè)試裝置不受此角度范圍的限制）；——2θ最小分辨率不宜大于0.05°;——Ψ0角或Ψ角的范圍一般宜設(shè)為0°~45°,需要時(shí)可增大范圍，可增設(shè)負(fù)角（針對(duì)特定條件的專(zhuān)用測(cè)試裝置不受此角度范圍的限制）；——Ψ0角或Ψ角的設(shè)置精度應(yīng)在±0.5°范圍之內(nèi)；——應(yīng)配備Kβ輻射濾波片。6測(cè)試方案的制定測(cè)試前，測(cè)試機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)與測(cè)試委托單位共同制定測(cè)試方案，該測(cè)試方案應(yīng)經(jīng)過(guò)雙方簽字確認(rèn)。測(cè)試人員應(yīng)嚴(yán)格按照該測(cè)試方案進(jìn)行測(cè)試工作。測(cè)試方案應(yīng)包含以下內(nèi)容：——焊接接頭的材料、厚度、焊材等；——焊接接頭所屬設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)（停止運(yùn)行或未停止運(yùn)行——焊接日期；——焊接參數(shù)；——試驗(yàn)方法及參數(shù)——測(cè)試點(diǎn)位置；——前處理方法；——測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)及工作安全要求，該要求不能低于相關(guān)法律法規(guī)中相關(guān)要求。7測(cè)試步驟7.1測(cè)試準(zhǔn)備X射線衍射應(yīng)力測(cè)定儀測(cè)試0應(yīng)力鐵粉，儀器連續(xù)測(cè)試不少于5次，單次測(cè)得應(yīng)力值應(yīng)在±14MPa之內(nèi)，5次應(yīng)力值的標(biāo)準(zhǔn)差不宜大于7MPa，如果應(yīng)力值超過(guò)±14MPa，應(yīng)重新調(diào)整設(shè)備或測(cè)量參數(shù)。選用其他標(biāo)準(zhǔn)試樣塊進(jìn)行校準(zhǔn)可參考GB/T7704。7.1.2試樣制備6T/CWAN0116—2024當(dāng)測(cè)試點(diǎn)位置位于隔熱層、防腐層、襯里層之下時(shí)，應(yīng)按要求部分或全部拆除隔熱層、防腐層、襯里層，露出測(cè)試點(diǎn)。測(cè)試點(diǎn)一般應(yīng)滿足以下要求：——表面應(yīng)無(wú)氧化層、無(wú)油污、無(wú)涂層、無(wú)污垢，且應(yīng)避開(kāi)裂紋、腐蝕坑、磕碰劃傷等缺陷；——測(cè)試點(diǎn)粗糙度Ra不宜大于10μm。當(dāng)測(cè)試表面無(wú)法達(dá)到上述要求時(shí)，經(jīng)委托單位同意，可采用電解拋光的方法或化學(xué)試劑清除氧化層、涂層、污垢、油污等物質(zhì)，如使用砂輪或砂布打磨測(cè)試點(diǎn)表面以去除損傷及異物，則應(yīng)在打磨之后采用電解或化學(xué)拋光的手段去除打磨影響層。7.2測(cè)試參數(shù)及條件設(shè)置cosα法測(cè)試參數(shù)及條件設(shè)置應(yīng)符合7.2.2-7.2.3要求。同傾法和側(cè)傾法的測(cè)試參數(shù)及條件設(shè)置應(yīng)符合7.2.3至7.2.9要求。7.2.2cosα法衍射方式的選擇a）入射準(zhǔn)直儀：X射線的入射側(cè)設(shè)置針孔準(zhǔn)直儀，來(lái)限制X射線的照射區(qū)域。b）X射線入射角的可動(dòng)范圍：與試樣面法線所成的X射線入射角Ψ0在二維檢測(cè)器和試樣面不干涉的前提下可以在盡可能大的范圍內(nèi)調(diào)整，最好固定在任意的角度。c）X射線入射角的設(shè)定精度：X射線入射角與試樣面法線夾角宜設(shè)置在±0.4°以下。7.2.3輻射、衍射晶面和應(yīng)力常數(shù)的選擇依據(jù)布拉格定律，針對(duì)現(xiàn)有試樣材料的晶體結(jié)構(gòu)合理確定衍射和衍射晶面。表2給出了常用金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)、推薦使用的輻射和衍射晶面，并給出相應(yīng)的衍射角2θ、X射線常數(shù)S?kl}和S?kl}及應(yīng)力常數(shù)K，供參考。表2金屬材料晶體結(jié)構(gòu)、輻射、濾波片、晶面、衍射角與應(yīng)力常數(shù)表2θ/°1S{?kl}/10-6mm2N-1S?kl}/10-6mm2N-1K/10-6mm2N-1Z0/μmV V8Ni7T/CWAN0116—20242θ/°1S{?kl}/10-6mm2N-1S?kl}/10-6mm2N-1K/10-6mm2N-1Z0/μm NiNi—— 7.2.4Ψ角或φ角設(shè)置φ角的選擇依據(jù)待測(cè)應(yīng)力方向，試樣待測(cè)應(yīng)力方向應(yīng)平行于儀器的應(yīng)力方向平面(Ψ平面）。設(shè)置Ψ角時(shí)，宜使sin2Ψ值近似于等間隔。Ψ角的選擇宜在0°~45°范圍內(nèi)，個(gè)數(shù)不宜低于4個(gè)。7.2.52θ范圍的設(shè)置2θ范圍設(shè)置原則是所設(shè)定掃描范圍內(nèi)或探測(cè)器的采集范圍具備完整的衍射峰。2θ范圍宜大于衍射峰半高寬的3倍。7.2.6掃描步距的設(shè)置掃描步距的設(shè)置以能夠在經(jīng)過(guò)二次三項(xiàng)式擬合之后得到比較平滑的衍射曲線而又不至于過(guò)分消耗測(cè)試時(shí)間為目標(biāo)。最小步距不宜大于0.1°。7.2.7采集時(shí)間的設(shè)置采集時(shí)間的設(shè)置應(yīng)確保能夠得到計(jì)數(shù)足夠高、起伏波動(dòng)相對(duì)較小的衍射峰、相對(duì)完整的德拜環(huán)，而又不至于過(guò)分消耗測(cè)試時(shí)間。7.2.8測(cè)試點(diǎn)的定位a）測(cè)試點(diǎn)中心應(yīng)準(zhǔn)確置于儀器指示的測(cè)試點(diǎn)中心、X射線光斑位置、測(cè)角儀回轉(zhuǎn)中心三者相重合的位置。b）測(cè)試點(diǎn)待測(cè)應(yīng)力方向應(yīng)平行于儀器的應(yīng)力方向平面(Ψ平面）。c）按照儀器要求校準(zhǔn)標(biāo)定距離。d）按照儀器規(guī)定的方法，或借助垂直驗(yàn)具、水平儀等裝置，調(diào)整測(cè)角儀主軸線與測(cè)試點(diǎn)法線的重合度，應(yīng)保證實(shí)際的Ψ角或Ψ0角的準(zhǔn)確度。注：測(cè)角儀主軸線即測(cè)角儀本身Ψ=0或Ψ0=7.2.9定峰方法定峰方法即在測(cè)得的衍射曲線上確定衍射峰位（衍射角2θ)的方法。選擇定峰方法的原則如下：a)在能夠得