x射线残余应力测试,x射线无损检测

X 射线残余应力测试（XRD）速览

X 射线残余应力测试（XRD）是一种无损、表层、高精度的应力检测方法，核心是通过晶格应变→衍射峰位移→应力的换算，获得材料表层（几微米至十几微米）的残余应力。

基本原理

布拉格定律：

2dsinθ=nλ

d

：晶面间距；

θ

：布拉格角；

λ

：X 射线波长；

n

：衍射级数。

应力致晶格应变：残余应力使晶面间距

d

改变，衍射峰

2θ

偏移；拉应力→d 增大→2θ 减小；压应力→d 减小→2θ 增大。

sin²ψ 法（标准）

改变入射角 ψ（0°~45°，通常 5~9 个角度），测对应衍射角

2θ

。

作

2θ−sin 

2

 ψ

直线，求斜率

M

。

应力计算：

σ=− 

2(1+ν)

E

 cotθ 

0

 ⋅ 

∂(sin 

2

 ψ)

∂(2θ)

E

：弹性模量；

ν

：泊松比；

θ 

0

：无应力布拉格角。

应力状态：X 射线穿透浅（~5~30μm），测表层二维应力（

σ 

3

 ≈0

）。

测试方法与流程

1. 样品准备

表面清洁：无油污、无氧化皮、无涂层；机加工 / 喷丸样保留原始表面。

复杂件：用ψ 偏置 /ω 偏置法避免遮挡。

剥层测试：电解腐蚀逐层剥离，测应力沿深度分布。

2. 仪器与参数

设备：X 射线应力仪（常用Cu 靶 Kα，λ=0.154nm）。

关键参数：

ψ 角：0°、15°、30°、45°（5 点或 9 点）。

准直器：φ1~3mm（平衡精度与速度）。

扫描步长：0.02°~0.05°；每步计时：30~60s。

衍射晶面：高角度峰（如钢 {211}、铝 {311}），灵敏度更高。

3. 数据处理

峰位拟合：伪 Voigt 拟合（优于峰顶法，误差可至 ±2MPa）。

线性回归：2θ−sin 2 ψ

拟合，线性度 R²>0.95有效。

应力符号：正 = 拉应力，负 = 压应力。

特点与适用范围

✅ 优点

无损：不破坏样品，可现场 / 在线检测。

高精度：±10MPa 内，适合精密件。

表层敏感：精准反映加工 / 热处理后的表面应力。

快速：单点测试 5~15min。

❌ 局限

仅表层：穿透深度～5~30μm，无法测内部应力。

晶态要求：适用于多晶体（金属、陶瓷），非晶 / 粗晶误差大。

表面敏感：粗糙度、氧化层、油污会干扰结果。

典型应用

航空：涡轮叶片、起落架、焊接件。

汽车：曲轴、齿轮、轴承、喷丸件。

模具：冷作 / 热作模具、型腔表面。

焊接：焊缝及热影响区（HAZ）。

常见影响因素与对策

表面状态：电解抛光 / 酒精清洗；保留原始表面。

ψ 角设置：0°~45°，5~9 点，避免 <10° 或> 45°。

峰位拟合：用伪 Voigt，避免峰顶法在峰不对称时的误差。

仪器校准：定期用零应力标样（如铁粉）校准。

标准参考

GB/T 7704-2017 无损检测 X 射线应力测定方法

ASTM E915-19 残余应力 X 射线衍射测试标准

ISO 17867:2015 金属材料 残余应力测定 X 射线衍射法

结果解读示例

结果：

σ=−280MPa（压应力）

说明：表面存在280MPa 压应力，利于抗疲劳；若为 + 150MPa（拉应力），需关注开裂风险。

X 射线无损检测（X-RayNDT/RT）速览

一句话：用 X射线穿透工件，靠密度差异成像，非破坏地查看内部缺陷（气孔、夹渣、裂纹、未焊透等）。

基本原理

X 射线是高能电磁波，穿透物质时因光电效应 /康普顿散射衰减。

致密金属衰减多、射线弱；** 缺陷（气孔 /裂纹）** 密度低、衰减少、射线强。

探测器（胶片 /数字平板）记录强度差，形成明暗影像，判断缺陷位置、大小、形状。

主要特点

✅ 优势

直观成像：2D/3D清晰显示内部结构。

适用性广：金属 / 非金属、厚 /薄件均可（钢可达50–100mm）。

结果可记录：胶片 /数字存档，便于追溯。

非接触、无损伤，适合贵重 /精密件。

❌ 局限

对平面裂纹（垂直射线）检出率低。

有电离辐射，需严格防护与持证操作file.binzhou.gov.cn。

设备成本较高，厚件需高能量 /长曝光。

常见设备

便携式 X 射线机：现场焊缝 /管道，低能（≤300kV）、轻便。

便携式X射线机

固定式 X射线探伤室：车间批量检测，高能、屏蔽防护。

固定式X射线探伤室

数字成像（DR/CR）：平板探测器 /成像板，实时成像、AI 自动判缺。

工业 CT：3D断层扫描，亚微米级精度，适合复杂构件。

典型应用

焊接：压力容器、管道、钢结构焊缝（气孔、夹渣、未焊透）。

铸件：汽车缸体、涡轮叶片（疏松、缩孔、夹杂）。

电子：PCB、BGA焊点（虚焊、空洞）。

航空航天：发动机叶片、机身结构件。

电力 /石化：锅炉、高压管道、厚壁容器。

标准与安全

常用标准：GB/T 3323（钢焊缝）、GB/T19293（铸件）、ISO 17636、ASTM E1032。

安全要点

操作人员持证上岗（辐射安全证）file.binzhou.gov.cn。

探伤室屏蔽 +联锁，剂量≤2.5μSv/h（国标）。

穿戴个人剂量计，定期体检file.binzhou.gov.cn。

与超声 /γ 射线对比

X 射线 vs 超声：X射线成像直观、易判读；超声对裂纹敏感、无辐射、成本低。

X 射线 vs γ 射线：X射线可控、剂量低、防护易；γ 射线穿透力强、适合厚件、源衰变file.binzhou.gov.cn。

缺陷影像特征（快速判读）

气孔：圆形 /椭圆形黑斑，边缘清晰。

夹渣：不规则块状黑度，边缘粗糙。

未焊透：焊缝根部连续黑线。

裂纹：细、曲折、边缘锐利的黑线。