T-CWAN 0116-2024 金属材料焊接接头应力X射线测试方法

ICS25.160.01CCSJ33团体标准X-raydiffractiontestingmethodforstressofmetallicmaterialsweldedjointsIT/CWAN0116—2024 II 12规范性引用文件 3术语、符号和定义 4X射线应力测试原理及方法 25测试仪器 46测试方案的制定 57测试步骤 58试验报告 8附录A（资料性） 9参考文献 10T/CWAN0116—2024本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国焊接协会提出并归口。本文件起草单位：河北河钢材料技术研究院有限公司、天津市特种设备监督检验技术研究院、湖南湘工环保科技开发有限公司、中国机械总院集团哈尔滨焊接研究所有限公司、天津市思维奇检测技术有限公司、天津大学、天津市金桥焊材集团股份有限公司、上海工程技术大学、北部湾大学、上海极火网络科技有限公司、福建省特种设备检验研究院。本文件主要起草人：张彩东、马青军、贺顺达、马成、韦晨、武鹏博、党丽华、陈博文、田旭海、邹吉鹏、刘晨曦、肖辉英、张天理、冯志强、梁伟、孙明辉、高利慧、李爱民、吴妍。1T/CWAN0116—2024金属材料焊接接头应力X射线测试方法本文件规定了采用X射线衍射原理测试金属材料焊接接头应力的方法，内容包括术语、符号和定义、X射线应力测试方法及原理、测试仪器、测试方案的制定、测试步骤及试验报告要求。本文件适用于金属材料焊接接头的应力测试。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T7704无损检测X射线应力测定方法GB/T39520弹簧残余应力的X射线衍射测试方法JB/T9394无损检测仪器X射线应力测定仪技术条件3术语、符号和定义以下及GB/T7704界定的术语和定义适用于本文件。3.1术语和定义3.1.1德拜-谢乐环Debye-Scherrerring当X射线入射多晶体时，衍射X射线会以入射X射线为轴，形成圆心角θ不同的多个圆锥。用平面X射线胶片或二维检测器接收这样的圆锥，可以得到入射X射线的位置在中间的同心圆状的衍射线图案。这样的同心圆一般称为德拜谢乐环或德拜环（Debyering）。3.2符号本文件中的符号和定义见表1。表1符号和定义θχω在χ=0即扫描平面垂直于试样表面的条件下入射X射线与试φ衍射晶面法线在试样平面的投影与试样平面上σφσiiτφσφ作用面上垂直于试样表面方向的切应力εφΨβ积分宽度，即衍射峰去除与布拉格衍射无关的背底以后积分2T/CWAN0116—2024Z1{hkl}{hkl}2S2,S1S1LPL1，L2，L3d0dφΨAαη4X射线应力测试原理及方法4.1X射线应力测试基本原理X射线应力测试是以晶体材料晶面间距为标准距离，使用X射线衍射测试由于应力导致的晶面间距变化，然后计算应力。cosα法是使用单一斜入射的X射线，利用二维检测器获得德拜环的全周晶格应变信息来测量试样表面残余应力和载荷应力的方法。X射线入射多晶体时，衍射X射线以入射X射线为轴，与反射X射线共同构成圆锥状。图1是德拜-谢乐环形成的原理图。图1cosα法X射线应力测定原理图根据cosα法进行应力测定，以试样表面的O点为测定位置，如图1所示，以所测应力方向为x轴，其垂直方向为y轴，试样面法线方向为z轴。现在x-z面内与z轴所成角Ψ0的方向入射X射线，在垂直入射X射线方向上设置二维检测器。检测器测得的照射区域内存在的晶体群的衍射X射线呈圆环状，如图2所示，该圆环称为德拜-谢乐环或德拜环。德拜环的顶端距离试样法线近的一侧为-η侧，底端为+η侧。3T/CWAN0116—2024图2德拜环上的旋转角对应的4个衍射角测定从入射X射线侧观察，取以德拜环中心O作为原点的极坐标系。德拜环顶端的-η侧为起点，定义顺时针方向的旋转角α。旋转角对应的德拜环的半径rα为:rα=Ltan2ηα(5.1)其中，L是试样和检测器的距离，2ηα是衍射角2θα的补角。2ηα=180−2θαdeg(5.2)结合半径rα、式(5.1)、式(5.2)，可得衍射角2θα:π−tan−1(5.3)其中角度单位是deg，180/π为从rad到deg变换时的系数。根据衍射角2θα可得晶格应变εα:cotθ0(5.4)应力值可以从旋转角α对应的晶格应变εα、其对角的晶格应变εα+π、旋转角-α对应的晶格应变ε-α和επ-α共计4个晶格应变求得。然后求出两个应变差(εα-εα+π)和(ε-α-επ-α),定义其平均应变参数εα1为：εα1=(5.5)试样表面层的应力状态为平面应力时，测定应力σx与应变参数εα1关系如下：σx=−(5.6)其中Ex为被测样品相的X射线杨氏模量，νx为X射线泊松比。图3εα1—cosα图从单一X射线入射角Ψ0下观测到的德拜环求出多个旋转角α对应的应变参数εα1，以cosα为横轴，εα14T/CWAN0116—2024为纵轴作图。cosα和εα1的关系呈图3中的直线关系，然后用最小二乘法决定近似直线的斜率M1，应力由下式求出：σx=K1∙M1[Mpa](5.7)其中，K1为应力常数，M1为εα1—cosα图的斜率。K1=−(5.8)(5.9)而且，式(5.6)中，由于2η随α的变化很小，用无应变时的2η0替换之，进一步，根据2η0为无应变时的衍射角2θ0的补角可以推出式(5.10)：2η0=180−2θ0deg(将式(5.5)中的α=π2cosα=0)代入，应变参数εα1得零。图3的εα1—cosα图是通过原点的直线，根据最小二乘法可以确定直线的斜率M1。4.1.2同倾法、侧倾法和摆动法同倾固定Ψ0法、同倾固定Ψ法、侧倾法(χ法）、侧倾固定Ψ法及双线阵探测器侧倾法（修正χ法）、摆动法的测试基本原理参见GB/T7704。4.2X射线应力测试方法基于现有不同种类衍射装置的几何布置，应力测试方法分为：a）cosα法：将X射线斜向入射，利用二维检测器所测得的衍射环（德拜环）的变化来测试不同方位的晶格应变，从而求得试样表面层应力的方法。b）同倾固定Ψ0法(ω法）：应力方向平面(Ψ平面）与扫描平面（2θ平面）相重合，探测器工作入射角Ψ0保持不变的应力测试方法。c）同倾固定Ψ法(θ-2θ扫描法应力方向平面(Ψ平面）与扫描平面（2θ平面）相重合，探测器和X射线管作同步等量相向左θ-θ扫描，或作θ-2θ扫描，使得在获得一条衍射曲线数据的过程中Ψ角保持不变，亦即参与衍射的晶粒群固定不变的应力测试方法。d）侧倾法(χ法）：是应力方向平面(Ψ平面）与扫描平面（2θ平面）相互垂直的应力测试方法。e）侧倾固定Ψ法（即θ-θ扫描Ψ法）：应力方向平面(Ψ平面）与扫描平面（2θ平面）相互垂直，探测器和X射线管作同步等量相向左θ-θ扫描，或作θ-2θ扫描，使得在获得一条衍射曲线数据的过程中Ψ角保持不变，亦即参与衍射的晶粒群固定不变的应力测试方法。f）双线阵探测器侧倾法（修正χ法）：两个线阵探测器对称地分布于入射线两侧，取两个探测器测得的应变的平均值，用该平均值计算应力值。g）摆动法：在探测器接收衍射线的过程中，以每一个设定的Ψ角（或Ψ0角）为中心，使X射线管和探测器在平面内左右回摆一定的角度的应力测试方法。该方法客观上增加了被测样品中参加衍射的晶粒数目，是解决粗晶材料应力测试问题的近似处理方法，摆动角度一般不超过6°。5测试仪器5.1基本要求cosα法一般使用便携式X射线衍射应力测定仪，该仪器管电压不宜低于30KV，准直器照射面宜为直径不超过3mm的圆形，同时需具备样品定位辅助装置，一般不需配备测角仪。同倾法和侧倾法使用的X射线衍射应力测定仪应符合GB/T7704和JB/T9394的主要技术要求。5T/CWAN0116—20245.2X射线管X射线管应根据被测材料类型选择Cr、Cu、Mn、Co等靶材。5.3探测器常用探测器类型有以下三种：——单点接收的探测器（通过机械扫描获得衍射强度沿反射角的分布曲线——线阵探测器（可一次性获得整条衍射曲线）；——面探测器（可一次获得整个或部分德拜环）。5.4测角仪测角仪应包括X射线管和探测器，应具备确定φ角、改变Ψ角和在一定的2θ范围自动获得衍射曲线的功能。除cosα法外，其余方法使用的测角仪的基本要求如下：——2θ回转中心、Ψ回转中心、X射线光斑中心、仪器指示的测试点中心四者应重合；——接收反射线的总范围，一般高角不小于167°,低角不宜大于143°（某些专用测试装置不受此角度范围的限制）；——2θ最小分辨率不宜大于0.05°;——Ψ0角或Ψ角的范围一般宜设为0°~45°,需要时可增大范围，可增设负角（针对特定条件的专用测试装置不受此角度范围的限制）；——Ψ0角或Ψ角的设置精度应在±0.5°范围之内；——应配备Kβ辐射滤波片。6测试方案的制定测试前，测试机构应当与测试委托单位共同制定测试方案，该测试方案应经过双方签字确认。测试人员应严格按照该测试方案进行测试工作。测试方案应包含以下内容：——焊接接头的材料、厚度、焊材等；——焊接接头所属设备的运行状态（停止运行或未停止运行——焊接日期；——焊接参数；——试验方法及参数——测试点位置；——前处理方法；——测试现场及工作安全要求，该要求不能低于相关法律法规中相关要求。7测试步骤7.1测试准备X射线衍射应力测定仪测试0应力铁粉，仪器连续测试不少于5次，单次测得应力值应在±14MPa之内，5次应力值的标准差不宜大于7MPa，如果应力值超过±14MPa，应重新调整设备或测量参数。选用其他标准试样块进行校准可参考GB/T7704。7.1.2试样制备6T/CWAN0116—2024当测试点位置位于隔热层、防腐层、衬里层之下时，应按要求部分或全部拆除隔热层、防腐层、衬里层，露出测试点。测试点一般应满足以下要求：——表面应无氧化层、无油污、无涂层、无污垢，且应避开裂纹、腐蚀坑、磕碰划伤等缺陷；——测试点粗糙度Ra不宜大于10μm。当测试表面无法达到上述要求时，经委托单位同意，可采用电解抛光的方法或化学试剂清除氧化层、涂层、污垢、油污等物质，如使用砂轮或砂布打磨测试点表面以去除损伤及异物，则应在打磨之后采用电解或化学抛光的手段去除打磨影响层。7.2测试参数及条件设置cosα法测试参数及条件设置应符合7.2.2-7.2.3要求。同倾法和侧倾法的测试参数及条件设置应符合7.2.3至7.2.9要求。7.2.2cosα法衍射方式的选择a）入射准直仪：X射线的入射侧设置针孔准直仪，来限制X射线的照射区域。b）X射线入射角的可动范围：与试样面法线所成的X射线入射角Ψ0在二维检测器和试样面不干涉的前提下可以在尽可能大的范围内调整，最好固定在任意的角度。c）X射线入射角的设定精度：X射线入射角与试样面法线夹角宜设置在±0.4°以下。7.2.3辐射、衍射晶面和应力常数的选择依据布拉格定律，针对现有试样材料的晶体结构合理确定衍射和衍射晶面。表2给出了常用金属材料的晶体结构、推荐使用的辐射和衍射晶面，并给出相应的衍射角2θ、X射线常数Sℎkl}和Sℎkl}及应力常数K，供参考。表2金属材料晶体结构、辐射、滤波片、晶面、衍射角与应力常数表2θ/°1S{ℎkl}/10-6mm2N-1Sℎkl}/10-6mm2N-1K/10-6mm2N-1Z0/μmV V8Ni7T/CWAN0116—20242θ/°1S{ℎkl}/10-6mm2N-1Sℎkl}/10-6mm2N-1K/10-6mm2N-1Z0/μm NiNi—— 7.2.4Ψ角或φ角设置φ角的选择依据待测应力方向，试样待测应力方向应平行于仪器的应力方向平面(Ψ平面）。设置Ψ角时，宜使sin2Ψ值近似于等间隔。Ψ角的选择宜在0°~45°范围内，个数不宜低于4个。7.2.52θ范围的设置2θ范围设置原则是所设定扫描范围内或探测器的采集范围具备完整的衍射峰。2θ范围宜大于衍射峰半高宽的3倍。7.2.6扫描步距的设置扫描步距的设置以能够在经过二次三项式拟合之后得到比较平滑的衍射曲线而又不至于过分消耗测试时间为目标。最小步距不宜大于0.1°。7.2.7采集时间的设置采集时间的设置应确保能够得到计数足够高、起伏波动相对较小的衍射峰、相对完整的德拜环，而又不至于过分消耗测试时间。7.2.8测试点的定位a）测试点中心应准确置于仪器指示的测试点中心、X射线光斑位置、测角仪回转中心三者相重合的位置。b）测试点待测应力方向应平行于仪器的应力方向平面(Ψ平面）。c）按照仪器要求校准标定距离。d）按照仪器规定的方法，或借助垂直验具、水平仪等装置，调整测角仪主轴线与测试点法线的重合度，应保证实际的Ψ角或Ψ0角的准确度。注：测角仪主轴线即测角仪本身Ψ=0或Ψ0=7.2.9定峰方法定峰方法即在测得的衍射曲线上确定衍射峰位（衍射角2θ)的方法。选择定峰方法的原则如下：a)在能够得