工业零件残余应力分析：XRD方法的综合比较

X射线衍射（XRD）可能是目前用于评估多晶材料近表面残余应力（RS）最广泛应用的方法。该方法基于布拉格定律和胡克定律。该技术利用晶面间距作为内禀应变计来测量残余应变。根据布拉格定律，多晶材料会使入射X射线束发生衍射，其衍射角与射线波长成正比，与晶格间距成反比。残余应力会改变晶体的层间距，从而导致衍射峰位发生偏移。因此，衍射峰位的偏移量可用于计算材料中的残余应变。

图1. （a）仪器和测试样品之间的几何关系；（b）由RS引起的衍射峰位偏移示意图

一种新兴的基于X射线衍射（XRD）、利用成像板探测器的cosα法残余应力测量技术，近来引起了学术界与工业界的特别关注。然而，对于该方法在分析工业部件时的适用范围以及测量结果的准确性，仍存在不确定性。

Ardeshir Sarmast等人对XRD实验中四种常见的微观组织结构类型：微观组织的择优取向（织构效应）、粗晶微观组织（粗晶效应）、上述两种效应的组合，以及具有显著横向或深度方向残余应力梯度的材料，对该方法的准确性进行了探究。分析采用传统sin²ψ法和新发展的cosα法，在铁素体钢、奥氏体钢、铝合金以及碳化硅陶瓷（SiSiC）上实施。

表1. 所研究合金的化学成分

表2. 各材料状态

为全面评估这两种方法在工程材料上的适用性，研究人员详细研究了以下四类样本：含应力梯度的试样（1.4545-M、1.4545-SP、AA7075-SP）、织构化构件（1.4404-rolled）、粗晶结构材料（AA2618-M、AA7075-LSP、SiSiC、HP NO30-15），以及兼具织构与粗晶结构的部件（1.4404-rolled、1.4404-AM）。

图2. 各材料在不同状态下两方向的sin²ψ；cosα和德拜环；应力梯度分布；（Ⅰ：1.4545-M样品；Ⅱ：1.4545-SP样品；Ⅲ：AA7075-SP样品；Ⅳ：1.4404-rolled样品（织构）；Ⅴ：AA2618-M样品；Ⅵ：AA7075-LSP样品；Ⅶ：SiSiC样品；Ⅷ：HP NO30-15样品；Ⅸ：1.4404-rolled样品（织构+粗晶）；Ⅹ：1.4404-AM样品）

总结上述研究成果，得到了一张关于分别sin²ψ法和cosα法残余应力测试结果的散点对比图。从此图中，可以看出各状态下的奥氏体钢数据点在对角线周围集中分布，说明两种方法可靠性高，均适用于此类材料。而对于铁素体钢（织构）和铝合金（粗晶）的数据点就显著偏离了对角线，说明cosα法对织构/粗晶更敏感，测量不确定性增大。SiSiC陶瓷，在陡峭应力梯度下两种方法均出现波动，需要对这类材料谨慎评估。更加值得注意的是，当检测样品材料具有织构+粗晶这种复合结构组合会更加放大误差，微观结构复杂性显著影响cosα法精度，sin²ψ法相对稳健。

图3. sin²ψ法VS cosα法（a）样品的材料类型；（b）样品的微观结构类型；

在工程实践中，建议当材料存在织构、粗晶或复合结构时，优先选用sin²ψ法。但cosα法能够实现快速现场检测（无需ψ倾转），不过需提前预评估材料微观状态。