x射线残余应力检测方法,x射线荧光分析

方法概述

X 射线残余应力检测（XRD） 是基于布拉格衍射与弹性力学的无损表层应力测试，中国现行标准为 GB/T7704-2017。

核心：测晶格应变 → 换算残余应力。

特点：无损、测表层（≈10–50 μm）、精度高、适用于晶态金属 / 合金。

基本原理

1. 布拉格衍射定律

2d hklsinθ=nλd hkl

：晶面间距；

θ

：布拉格角；

λ：X 射线波长；

n

：衍射级数。

残余应力 → 晶格畸变 → 

d

 变化 → 衍射峰位移 → 应变 → 应力。

2. 平面应力假设

X 射线穿透浅，表层视为二维应力（σ 3≈0），仅测表面方向应力。

3. sin 2 ψ 法（标准方法）

1961 年提出，GB/T 7704-2017 推荐，通过多倾角 

ψ测衍射角 2θ，拟合 

2θ−sin 2ψ直线斜率 M计算应力：

K

：应力常数；

E

：弹性模量；

ν

：泊松比；

θ 

0

 ：无应力布拉格角。

检测方法分类（GB/T7704-2017）

1. 同倾法（ψ固定）

入射面与衍射面共面；常用 ψ=0 ∘,15 ∘ ,30 ∘,45 ∘。

设备简单、速度快，Zui常用。

2. 侧倾法（ψ与扫描面垂直）

适合复杂曲面、焊缝、角隅；可减小吸收与几何误差。

3.固定 ψ 0法（快速）单倾角 ψ 0 ，适合批量筛查、现场快速检测。

仪器组成

X 射线管：常用 Cr、Cu、Mo 靶（Cr靶测钢铁）。

测角仪：控制 ψ角与 2θ扫描。

探测器：正比 / 闪烁 /像素探测器，测衍射强度。

控制系统：数据采集、拟合、应力计算（自动生成报告）。

X射线残余应力检测仪

检测流程（GB/T7704-2017）

样品准备：表面清洁（去油污 /氧化皮）、必要时电解抛光（去除加工影响层）。

参数设定：靶材、管压（20–40kV）、管流（5–20 mA）、衍射晶面（如钢 {211}）、

2θ范围、ψ角。

仪器校准：用无应力标样（如退火铁粉）校准峰位与 K值。

数据采集：按 sin 2 ψ 法测 5–7 个 ψ 角的衍射谱。

峰位确定：半高宽中点 /重心法求 2θ ψ。

应力计算：拟合 2θ−sin 2ψ直线 → 斜率 M → 应力 σ。

结果评估：给出应力值、方向、不确定度，判断拉 /压应力。

关键参数与影响因素

穿透深度：钢铁≈10–30 μm，铝≈50μm，仅测表层。

衍射晶面：钢常用 {211}（Cr靶，2θ≈156 ∘）；铝常用 {311}。

表面状态：喷砂 /打磨会引入附加应力，需电解抛光去除（≈50 μm）。

弹性常数：E、ν

 需与材料匹配，否则误差大。

优缺点

✅ 优点：无损、精度高（±20MPa）、速度快、可现场检测、测表层应力（疲劳关键区）。

❌ 缺点：仅测表层、设备贵、对表面敏感、不适用于非晶/ 陶瓷。

应用场景

焊接：焊缝 /热影响区残余应力（防止开裂）。

热处理：淬火 /回火后表层应力（控制变形）。

机械加工：车 / 磨 /铣后表面应力（提升疲劳寿命）。

失效分析：断裂件表面应力（判断应力集中）。

标准与规范

GB/T 7704-2017 无损检测 X射线应力测定方法（中国）。

ASTM E915 残余应力 X射线测定（美国）。

EN 15305 金属材料残余应力 X射线测定（欧盟）。

X 射线荧光分析（XRF）速览

X射线荧光分析（XRF）是一种无损、快速、多元素同时分析的技术，用高能 X 射线照射样品，测原子发出的特征荧光 X 射线，实现定性 +定量，可测原子序数≥11（Na）的元素，含量范围ppm～。

基本原理

激发：X 射线管发出高能初级 X射线，打在样品上，把原子内层电子（K/L 层）打出，形成空穴。

跃迁：外层电子跳进空穴，多余能量以 ** 特征 X射线（荧光）** 放出，能量 = 能级差，是元素 “指纹”。

检测与解析：

定性：测荧光能量 /波长，确定元素种类。

定量：测荧光强度，与标准样对比算含量。

仪器类型（按色散方式）

1. 波长色散型（WDXRF）

用晶体衍射分光，分辨率高、精度好，适合常量 /微量、轻元素（Na～Al）与化学态分析。

结构：X射线管→准直器→分析晶体→探测器。

2. 能量色散型（EDXRF）

用半导体探测器直接测能量，结构简单、速度快、便携，适合现场 / 快速筛查（如RoHS、合金）。

常见：台式、手持，可测多元素同时。

核心特点

✅ 优点

无损：样品不破坏，可重复测。

快速：单元素5–20 秒，多元素1–5分钟。

多元素：一次可测Na～U中数十种。

样品形态广：固体、粉末、液体、薄膜、块状均可。

宽含量范围：ppm～，兼顾主量与微量。

⚠️ 局限

** 轻元素（<Na）**灵敏度低，难测。

基体效应：样品基质影响强度，需校正（熔融、数学校正）。

痕量（<ppm）不如ICP/MS，适合微量及以上。

主要应用

地质矿山：矿石、土壤、沉积物元素分析与品位评估。

冶金合金：钢铁、铝合金、高温合金成分，镀层厚度（如Zn/Ni）。

建材水泥：生料、熟料、玻璃、陶瓷 **主量元素（Si/Al/Ca/Fe）** 控制。

电子RoHS：筛查Pb/Cd/Hg/Cr⁶⁺/PBBs/PBDEs等有害物质。

环境：大气颗粒物、污泥、固废重金属监测。

文博考古：古陶瓷、青铜器、书画颜料无损鉴定。

常见仪器与选型

WDXRF（实验室精密）：布鲁克 S8Tiger、帕纳科 Axios，适合科研 / 质检 / 常量jingque分析。

EDXRF（台式 / 便携）：

台式：赛默飞 Niton、岛津 EDX，常规筛查 /薄膜 / 镀层。

手持：现场快速（如矿山、废品回收、RoHS巡检）。

快速总结

XRF = 无损 + 快速 + 多元素 +宽样品适应性，是无机元素分析主流技术，工业与科研标配。