2 X射线残余应力测定仪校准规范-编制说明

《X射线残余应力测定仪校准规范》编制说明一、任务来源根据国家市场监督管理总局2021年国家计量技术法规制/修订计划，受全国新材料与纳米计量技术委员会的委托，由中国计量科学研究院、河南科技大学和中国航发商用航空发动机有限责任公司负责制定《X射线残余应力测定仪校准规范》技术规范的工作。二、编制背景X射线残余应力测定仪是一种能够在短时间内无损地测定材料表面指定点、指定方向的残余应力（用“+”、“－”号分别表示拉、压应力）,并能够测定主应力大小和方向的仪器。X射线残余应力测定仪适用于金属材料经过各种工艺过程（如铸造、锻压、焊接、磨削、车削、喷丸、热处理及各种表面热处理）制成的构件，广泛应用于航空航天、汽车、核能及机械工程等领域。其主要工作原理是：当X射线照射到金属材料时，会发生布拉格衍射，即X射线的波长与晶格间距相等时，会发生强烈的衍射。残余应力会导致晶格间距的变化，从而影响衍射角的变化。通过测量衍射角的变化，可以计算出应力的大小。现今国内的X射线残余应力测定仪市场基本被国外仪器厂商垄断，加拿大ProtoManufacturing公司、芬兰Stresstech公司、日本PulstecIndustrial公司、日本RigakuCorporation公司等知名厂商开发生产了多种适用于不同测量工况和不同材料的X射线残余应力测定仪，这些企业通过技术创新和市场份额的争夺，推动着整个行业的发展，这些设备的残余应力检测范围一般为-900MPa~900MPa。X射线残余应力测定仪的发展趋势主要体现在技术创新与产品升级、市场需求增长、行业竞争格局的变化以及国内外市场的对比与机遇。‌随着科技的进步，X射线残余应力测定仪的精度和可靠性不断提高，更先进的检测技术如非线性光学成像、纳米压痕技术等正在研发中，这些新技术有望进一步推动市场的发展。‌随着工业领域对材料性能要求的提高，对X射线残余应力测定仪的需求也在增长。特别是在航空航天、汽车制造、电子设备等领域，对材料残余应力的精确检测需求日益增加，这将推动X射线残余应力测定仪市场的扩大。随着国内市场的不断开放和国际化进程的加速，国内X射线残余应力测定仪企业面临着巨大的市场机遇。通过技术创新和品牌建设，国内企业有望在国际市场上占据一席之地，同时，国内市场对于高端技术产品的需求也为国内企业提供了发展空间。目前，全国无损检测标准化技术委员会已发布X射线应力测定相关的标准，GB/T7704—2017《无损检测Ｘ射线应力测定方法》，全国弹簧标准化技术委员会已发布弹簧残余应力测定的相关标准，GB/T39520—2020《弹簧残余应力的X射线衍射测试方法》，全国试验机标准化技术委员会已发布X射线应力测定仪技术条件相关的标准，JB/T9394—2011《无损检测仪器X射线应力测定仪技术条件》。但是，国家还没有发布X射线残余应力测定仪相关的计量技术法规。受到仪器X射线管功率，曝光时间、曝光次数、摇摆角、光圈、滤波片等仪器因素的影响，不同仪器对同一材料的测量结果会有2%~40%的偏差。通过制定X射线残余应力测定仪校准规范，可以进一步规范X射线残余应力测定仪的生产和使用，满足日益增长的市场需求，保证其量值传递的准确可靠。由于仪器原理、操作条件和试样标准的不同，本标准仅适用于X射线残余应力测定仪。三、规范起草过程2021年7月，中国计量科学研究院主持承担了《X射线残余应力测定仪校准规范》的制定任务。规范制定的计划时间为2021年7月至2023年7月。2021年11月至2022年6月，各单位起草人主要进行了现有仪器校准方法的调研和标准器/标准物质的选用和测量分析工作；2022年7月至2023年9月期间起草了校准规范的草稿，同时通过实验验证了规范技术内容的可行性。各单位主要起草人进行多次讨论，对草稿进行不断地修改和完善，于2023年12月底完成校准规范的讨论稿。2024年月6日，起草单位的11位技术专家和代表在北京对校准规范的技术细节进行了深入探讨，同时多家未能到会的计量检定机构、科研机构、相关仪器制造商、使用单位等也通过各种方式提出了一些宝贵的意见和建议。会后起草组根据研讨会内容和专家建议对讨论稿进一步修改和完善；进一步扩大实验对象的范围，联系了多家国内外生产厂家进行了多个型号的仪器的实验。起草组于2024年9月完成了规范的征求意见稿。向全国的计量技术机构、科研院所以及相关的仪器生产企业、使用者等进行征求意见。四、制定规范主要参考的文件和依据本规范主要依据JJF1071—2010《国家计量校准规范编写规则》进行编制，JJF1001—2011《通用计量术语及定义》、JJF1059.1—2012《测量不确定度评定与表示》、JJF1094—2002《测量仪器特性评定》共同构成支撑校准规范制定工作的基础性系列规范。本规范为首次制定，主要技术内容和计量特性参考了GB/T7704—017《无损检测X射线应力测定方法》、JB/T9394—2011《无损检测仪器X射线应力测定仪技术条件》的部分内容。五、规范的主要内容及主要技术关键规范的主要内容：1、按照JJF1071—2010《国家计量校准规范编写规则》的要求制定X射线残余应力测定仪校准规范，在内容和格式上与JJF1071—2010保持一致。校准规范的具体内容有范围、概述、计量特性、校准条件、校准项目和校准方法、校准结果的表达、复校时间间隔等。2、参考GB/T7704—017《无损检测X射线应力测定方法》、JB/T9394—2011《无损检测仪器X射线应力测定仪技术条件》，并结合部分专家意见，最终确定X射线残余应力测定仪2项计量特性，分别是定量分析示值误差和定量分析示值重复性。针对每一校准项目，规定了使用的标准器/标准物质，明确了相应的校准操作。3、对规范中的技术指标和校准方法均进行了实验验证；依据JJF1059.1—2012《测量不确定度评定与表示》对仪器定量分析示值误差测量结果的不确定度进行分析，进一步验证了所采用的测量方法合理、可行。规范的主要技术关键：1、定量分析示值误差及重复性：残余应力一般被认为是一个很难准确测量的参数。随着X射线残余应力测定仪硬件（X射线管、探测器、窗口等）和分析软件技术的发展，X射线残余应力测定仪的定量分析准确度有了很大提高。但是，低残余应力（-100MPa~100MPa）测量仍然是一个技术难题，且测量结果的波动性较大；中残余应力（-500MPa~-100MPa、100MPa~500MPa）测量，以压应力为主，测量结果相对稳定，准确性比较高；高残余应力（-900MPa~-500MPa、500MPa~900MPa）测量，以压应力为主，在绝大部分材料中存在极少，因此本规范不涉及高残余应力范围。对标准物质的标定方向的残余应力进行测量，重复测量12次。一种标准物质的残余应力量值无法覆盖全部范围时，则选取多种标准物质分别进行测量。分别计算残余应力12次测量结果的算术平均值，然后得到X射线残余应力测定仪定量分析的相对示值误差，同时通过计算实验标准偏差得到残余应力定量分析