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X射线检测残余应力的优点及意义

残余应力的产生原因众多,分布复杂、且检测困难,在航空、航天、兵器等行业的机械加工领域中,残余应力是对工件的尺寸稳定性、应力腐蚀、结构强度及疲劳寿命等指标的主要影响因素之一,同时也是引起变形、开裂等问题的罪魁祸首。 残余应力检测技术及其特点 现有的残余应力测量方法主要包括有损检测(机械法)与无损检测(物理法)两大类:前者对试件具有一定破坏性,通过应力释放的方式可以测得第一类残余应力,主要包括盲孔法、剥层法、取条法、切槽法等;后者为非破坏性的检测方式,包括激光干涉法、云纹分析法、X射线衍射法、中子衍射法、磁应力法和超声法等。 X射线法具有原理成熟(通过测量晶格间距变化求出应力大小)、方法完善、可重复测量、测试精度高、无损等优点,可现场操作并绘制应力云图,为目前先进、无损、可靠,切实可行的残余应力测定方法,在残余应力无损检测领域具有公认的权威性,有助于进行工艺实施前后的效果验证: 1. 不改变材料状态,属无损测量 2. 通过与其它材料剥离、电解抛光方法配合,可实现对残余应力的逐层测定,适用于精确测定应力沿层深的分布 3. 通过多点多向测量,可绘制工件应力分布的完整云图 4. 应力测量值指导并修正CAE的应力仿真值,可以相对准确、全面的掌握工件在各个加工环节的应力状态,并引申得到加工变形情况 不同阶段残余应力检测的价值 由于锻、轧、铸毛坯的成型过程与工艺方法、工艺参数等因素,残余应力几乎存在于工艺的每个流程。任何阶段产生塑性流动(塑性变形)都会导致零件中残余应力的状态发生变化。因此,在各个阶段进行残余应力检测,有利于把控工件制造的整体质量,便于发现变形原因。 比如毛坯阶段,加工工艺定型后,毛坯残余应力的大小和分布规律直接影响最终加工完成后零件的尺寸变形。同批次零件毛坯的应力水平和一致性是加工合格率的关键。这个阶段进行应力检测,可从基本上发现问题,以免残次毛坯再加工,造成巨大浪费。 在工件加工阶段,残余应力检测可以在制造早期发现可能有缺陷的部件,并有效缩短识别问题的时间和重新制造部件的成本。对于一些创新性强的公司来说,甚至可以根据残余应力检测建立数据库,根据大数据,发现不同应力值对工件的影响规律,实时准确监控组件中的应力,以此了解何时制造设备需要维护甚至更换刀具等。 在工件加工制造过程中测量残余应力,另一个好处是能够优化工艺顺序,以便使成品部件中具有完好的残余应力状态。许多热处理过程可以缓解或消除零件的应力,如果在高应力操作之前可以进行热处理,则可能更好地减少或消除部件中的翘曲现象。 工件服役阶段,残余应力检测同样具有很高的价值。工件投入使用后,应力可能会有所消退。在日常维护期间,对高负载应力的零件进行检测,可以有效评估零件寿命,进行失效评估,长此以往,可以根据应力自然值判断是否需要维修或更换零件。 意大利GNR公司是一家老牌欧洲光谱仪生产商,其X射线产品线诞生于1966年,经过半个多世纪的技术开发和研究,能够为各种应用开发分析程序,提供相应的实验室设备,并通过其售后网络在全球范围内提供咨询和客户支持。 STRESS-X残余应力分析仪的设计旨在为实验室和现场使用的制造过程中的质量保证和质量控制实践提供快速、可靠的解决方案。 它易于使用,但同时又能够满足大多数客户的苛刻要求。其优点包括: 紧凑而强大的机器人 STRESS-X残余应力使用机械臂进行测量点选择并执行所需的扫描:精度为10μm,可提供出色的结果。 检测器特性 STRESS-X仪器中提供的检测器适用于多种X射线辐射。灵敏的区域和荧光抑制,无需维护。 可调探测器距离 可提高测量分辨率,这对于测量低应力值的样品(例如,焊接外壳)是特别需要的。 激光性能 激光精度小于2μm,测量范围为150±40mm。 激光对焦 可以对焦样品,避免样品与测量系统之间发生碰撞(例如,可以在不切割样品的情况下分析齿轮齿根)。 优点是不仅可以在最短的时间内完成仪器距离校准,而且无需进行任何准备就可以测量具有复杂几何形状的样品。 自动准直仪距离校准 激光自动执行对准程序,不需要校准。 软件 这是一种非常易于使用的解决方案,适用于经典的单{hkl}、单向和多向残余应力分析,符合UNI EN 15305。 简单直观的用户界面可通过所有相关数据的完整图形快速评估不同的方法并获得所需的结果。 STRESS-X残余应力分析仪能够对任何尺寸和形状的样品进行无损分析残余应力检测,这要归功于其衍射单元安装在6轴机械臂上。STRESS-X单元包括通过X射线衍射进行残余应力或残余奥氏体测量所需的所有条件。 在标准版本中,机械臂和相关附件安装在坚固的钢制手推车上,该手推车装有所有控制电子设备,用于管冷却的水冷却器和个人计算机等。STRESS-X可以在距机械臂中心895 mm的距离下测量位于平台上的样品或将机械臂移出平台来检测大型样品。

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奥氏体形成的步骤

逆共析转变是高温下进行的扩散性相变,转变的全过程可以分为四个阶段,即:奥氏体形核,奥氏体晶核长大,剩余渗碳体溶解,奥氏体成分相对均匀化。各种钢的奥氏体形核形成过程有一些区别,亚共析钢、过共析钢、合金钢的奥氏体化过程中除了奥氏体形成的基本过程外,还有先共析相的溶解、合金碳化物的溶解等过程。 奥氏体形成的热力学条件:必须存在过冷度或过热度?T。 1. 奥氏体形核 奥氏体的形核位置通常在铁素体和渗碳体两相界面上,此外,珠光体领域的边界,铁素体嵌镶块边界都可以成为奥氏体的形核地点。奥氏体的形成是不均匀形核,复合固态相变的一般规律。 一般认为奥氏体在铁素体和渗碳体交界面上形核。这是由于铁素体碳含量极低(0.02%以下),而渗碳体的碳含量又很高(6.67%),奥氏体的碳含量介于两者之间。在相界面上碳原子有吸附,含量较高,界面扩散速度又较快,容易形成较大的浓度涨落,使相界面某一区域达到形成奥氏体晶核所需的碳含量;此外在界面上能量也较高,容易造成能量涨落,以便满足形核功的要求;在两相界面处原子排列不规则,容易满足结构涨落的要求。所有涨落在相界面处的优势,造成奥氏体晶核最容易在此处形成。 奥氏体的形核是扩散型相变,可在铁素体与渗碳体上形核,也可在珠光体领域的交界面上形核,还可以在原奥氏体晶核上形核。这些界面易于满足形核的能量、结构和浓度3个涨落条件。 2. 奥氏体晶核的长大 加热到奥氏体相区,在高温下,碳原子扩散速度很快,铁原子和替换原子均能够充分扩散,既能够进行界面扩散,也能够进行体扩散,因此奥氏体的形成是扩散型相变。 3. 剩余碳化物溶解 铁素体消失后,在t1温度下继续保持或继续加热时,随着碳在奥氏体中继续扩散,剩余渗碳体不断向奥氏体中溶解。 4. 奥氏体成分均匀化 当渗碳体刚刚全部融入奥氏体后,奥氏体内碳浓度仍是不均匀的,只有经历长时间的保温或继续加热,让碳原子急性充分的扩散才能获得成分均匀的奥氏体。 意大利GNR公司是一家老牌的欧洲光谱仪生产商,其X射线产品线诞生于1966年,经过半个多世纪的开发和研究,该产品线已经拥有众多型号满足多个行业的分析需求。ARE X 为专用的残余奥氏体分析仪,无需依靠 搭载模块在常规XRD上 实现残余奥氏体测试,具有操作简便、检测速度快、数据准确等特点,对操作人员要求不高,做到轻松上手。

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全反射X射线荧光(TXRF)前处理方式

全反射X射线荧光(TXRF)是一种微量分析(Microanalysis)方法,特别适用于样品量小的样品,一次分析所需样品量,固体材料可达微克级,液体样品则通常少于100μL。但一般原样很少能直接上机检测,多数需要将对样品进行预处理得到溶液、悬浊液、细粉或薄片等。 通常,固体样品必须经过研碎或消解等步骤,对于超痕量组分来说,还需要对基体进行分离或破坏。因此,用于其他原子光谱的前处理方法,如AAS或ICP-OES等中所使用的消解、富集、冻干、萃取、络合等都可用于TXRF。对于样品量特别小的样品,为避免污染,关键步骤还需要在洁净室内进行。样品分析流程图如下: 图1 TXRF样品分析流程图 下表中给出了一些样品的前处理方法:

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X射线衍射(XRD)在锂电行业中的应用

锂电池已经成为我们日常生活的必需品。锂电池的使用范围十分广泛,在消费品领域主要应用在数码产品、手机、移动电源、笔记本等电子设备中。在工业领域,主要在应用在医疗电子、光伏储能、铁路基建、安防通讯、勘探测绘等领域。在特种领域如特种航天中也会应用到。 近年来,锂电池在下游消费品领域发展迅速,其中笔记本和手机是锂电池应用中较为广泛的两大应用领域。从长远来看,随着国家对新能源产业的扶持,电动汽车的动力电池应用将逐渐成为锂电池的超大需求产业之一。 随着我国智能化、信息化产业的发展,我国锂电池应用领域也得到扩展。在国家政策的驱动下,新能源汽车有着广阔的发展前景,而作为核心部件的锂电池同样迎来发展的大好良机。 高质量的、优秀的、安全的锂电池产品对各行各业的影响都十分巨大,目前各大锂电生产企业均投入大量的资金进入研发,以期实现更高能量密度,稳定性更强,寿命时间更长的电池。 X射线衍射(XRD)技术广泛应用于锂离子电池研究、生产和失效分析中。从原料矿物到电极材料,XRD是对材料中物相进行定性和定量分析的常规手段。对于负极材料石墨,影响电池性能的重要参数石墨化度需要用XRD进行表征;同时,XRD还可以通过对锂离子电池生产中的负极取向程度的分析,来决定极片压实工艺。XRD在锂电行业研发及质量控制中主要有以下几方面: 一、负极材料的石墨化度分析及克容量估算 碳材料是目前锂离子电池理想的负极材料。碳材料的种类决定着锂离子电池的嵌锂电位、工作电压可逆性能等。而克容量是衡量碳材料的一个重要指标,但是测试克容量一般是做成电池测试,需要花费不少时间,测试值稳定性也比较差。石墨化度是指在含有石墨晶体及各种过渡态碳的复合材料中,石墨晶体所占的比例。理论上可以凭借石墨化度来估算碳材料的克容量。通过XRD可以测得石墨晶体所占比例,从而计算出碳材料的克容量。 二、三元正极材料表征 锂离子电池的比容量、循环性能和安全性能与材料的晶体结构有密切关系,研究三元材料在不同温度状态下的稳定性及在电化学循环过程中结构变化,有助于更好理解三元材料充放电机理和电化学过程。 XRD是专门用于分析材料晶体结构的设备,能够通过精修得到三元材料的晶胞参数和离子混排信息,在三元材料制备工艺和材料掺杂改性方面以及三元材料的原位高温热性能等方面广泛应用。原位充放电XRD实验可以直接研究纽扣结构锂离子电池材料在充放电过程中正负极材料的结构变化和相转化。 三、电芯失效分析 锂离子电池在使用过程中,经常由于过充、过放、短路、高温等原因造成电芯寿命减少,甚至失效。因此应用XRD技术来进行锂离子电池的热失效分析,如从燃烧的残留物进行XRD分析,初步判断失效原因。 意大利GNR公司是一家老牌欧洲光谱仪生产商,其X射线产品线诞生于1966年,经过半个多世纪的技术开发和研究,该产品线已经拥有众多型号满足多个行业的分析需求。 可用于桌面的台式衍射仪ERUOPE、性价比超高的大功率衍射仪APD 2000 PRO、功能强大的多功能高分辨率X射线衍射仪EXPLORER。根据实际检测项目不同,均可应用于锂电行的研发生产及质量控制中。

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残余应力的检测方法

残余应力的检测方法主要有两种:无损的物理检测方法和有损的应力释放法。其中,X射线残余应力检测方法是常用的无损法,盲孔法应力检测是有损法。 相对来说X射线法检测残余应力较为准确,是无损法宏观残余应力检测常用的检测方法。它是一种间接检测应力的方式,通过检测衍射角2θ相对于晶面方位角ψ角变化率来检测表层微小区域的应力。由此可以看出,X射线方法检测的是工件弹性应力应变,并不是塑性应力应变,塑性变形不会改变晶格间距,不会发生衍射角度的变化。 在理想多晶体中,同族晶面的面间距d是相等的,无论X射线从什么角度入射,无论晶面方位角ψ角为何值,衍射角2θ都是不变的。在拉应力状态,晶面方位角ψ越大,晶面间距也越大,相应的衍射角2θ越小;同理,在压应力状态,晶面方位角ψ越大,晶面间距变小,衍射角2θ则越大;衍射角2θ随方位角变化的快慢程度,直接反应出应力值的大小。 应力测定的衍射几何方式有两种: 同倾法是在衍射仪上进行常规对称衍射,入射线与计数管轴线对称分布在试样表面法线两侧,此时晶面方位角ψ角为零;从晶面方位角ψ角=0的位置,另试样轴转过一个角度,对选定的衍射峰进行定峰和扫描,一般晶面方位角ψ角取值3-4个。 意大利GNR公司是一家老牌欧洲光谱仪生产商,其X射线产品线诞生于1966年,经过半个多世纪的技术开发和研究,该产品线已经拥有众多型号满足多个行业的分析需求。 STRESS-X残余应力分析仪能够对任何尺寸和形状的样品进行无损分析残余应力检测,这要归功于其衍射单元安装在6轴机械臂上。STRESS-X单元包括通过X射线衍射进行残余应力或残余奥氏体测量所需的所有条件。 在标准版本中,机械臂和相关附件安装在坚固的钢制手推车上,该手推车装有所有控制电子设备,用于管冷却的水冷却器和个人计算机等。STRESS-X可以在距机械臂中心895 mm的距离下测量位于平台上的样品或将机械臂移出平台来检测大型样品。 STRESS-X残余应力分析仪的设计旨在为实验室和现场使用的制造过程中的质量保证和质量控制实践提供快速、可靠的解决方案。 它易于使用,同时又能够满足大多数客户的苛刻要求。

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ARE X残余奥氏体测试的结构特点

1. 射线管位置及检测器位置固定,在保证测试快速的同时,可有效减少维护区域。2. 专业高清USB摄像机安装在GNR ARE X系统内部,辅助对齐样品所测试区域。3. 提供多种不同规格的样品架以匹配不同形状的样品。4. 一旦样品载入样品架,关闭舱门,激光自动测量样品表面位置,可通过连接到Z台的旋钮手动校准。意大利GNR公司是一家老牌的欧洲光谱仪生产商,其X射线产品线诞生于1966年,经过半个多世纪的开发和研究,该产品线已经拥有众多型号满足多个行业的分析需求。ARE X 为专用的残余奥氏体分析仪,无需依靠 搭载模块在常规XRD上 实现残余奥氏体测试,具有操作简便、检测速度快、数据准确等特点,对操作人员要求不高,做到轻松上手。

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全反射X射线荧光(TXRF)特点和其他技术对比

基于X射线荧光能谱法, 全反射X射线荧光(TXRF)采用毫弧度的临界角,由于采用此种近于切线方向的入射角,原级X射线光束几乎全部被反射,照射在样品表面后,可以很大程度上避免样品载体吸收光束和减小散射的发生,同时减小了载体的背景和噪声。 这种技术特点,使得全反射X射线荧光(TXRF)与其他传统元素分析技术相比,有着诸多优势,见下表: 意大利GNR公司是一家老牌的欧洲光谱仪生产商,其X射线产品线诞生于1966年,经过半个多世纪的开发和研究,该产品线已经拥有众多型号满足多个行业的分析需求。 X射线衍射仪(XRD)可测试粉末、薄膜等样品的晶体结构等指标,多应用于分子结构分析及金属相变研究;而全反射X荧光光谱仪(TXRF)的检测限已达到皮克级别,其非破坏性分析特点应用在痕量元素分析中,涉及环境、医药、半导体、核工业、石油化工等行业;为迎合工业市场需求而设计制造的专用残余应力分析仪、残余奥氏体分析仪,近年来被广泛应用在高端材料检测领域,其操作的便捷性颇受行业青睐。

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X射线衍射(XRD)在水泥行业中的应用

水泥是一种常见的建筑用品,它对于建筑来说是必不可少的,一般分普通硅酸盐水泥、掺混合材料的硅酸盐水泥和特殊水泥,使用多的就是硅酸盐水泥。 水泥的质量主要取决于熟料的矿物组成和结构。水泥熟料主要矿物相成分是硅酸盐,还有一些微量的矿物相如游离CaO或硫酸盐等,有时出现一些反应不完全的残留相,如石英SiO2,还有一些添加的用于改善水泥质量与性能的石膏等。 各标号不同水泥的差别的指标是硅酸三钙(3CaO·SiO2)、硅酸二钙(2CaO·SiO2)、铝酸三钙(3CaO·Al2O3)、铁铝酸四钙(4CaO·Al2O3·Fe2O3)四种物相含量的不同。在水泥工业中,快速、稳定和准确地测出水泥熟料矿物组成对于及时调整熟料生产方案,优化水泥熟料矿物组成,有效监控水泥质量等方面有重大意义。 传统水泥的分析方法是采用化学分析方法来确定水泥中各氧化物的含量,此类方法测试速度慢,现已大部分被波长色散荧光(WDXRF)所取代。波长色散荧光(WDXRF)可直接测得各氧化物(如CaO、SiO2等)的含量,再通过Bogue公式计算出各物相的含量,但Bogue公式假设熟料中的四种矿物是理想的纯化合物、是在热平衡条件下形成的;而热平衡条件在实际的水泥生产过程中并不存在,且Bogue公式忽略了其它因素(如镁、硫、钾、钠等微量元素的作用、原料的粒度、窑炉气氛及加热过程等)的影响,因此其得到的结果并不是水泥中真实的矿物形态。 由于每种物相都有自已的XRD衍射峰,我们观察到的谱图是各物相的叠加,各衍射峰的强度与该物相含量有关。因此通过XRD衍射,我们可以得到各物相所对应的衍射图谱,进而得到各物相的含量。国际上90年代已将XRD结合Rietveld全谱拟合应用于水泥行业, 通过直接测定物相含量来控制水泥质量。 水泥行业新国标《GB/T 40407-2021 硅酸盐水泥熟料矿相X射线衍射分析方法》已于2022年3月1号正式实施,该标准规定可直接通采用XRD测定水泥中各矿物相的含量。 意大利GNR公司是一家老牌欧洲光谱仪生产商,其X射线产品线诞生于1966年,经过半个多世纪的技术开发和研究,该产品线已经拥有众多型号满足多个行业的分析需求。 可用于桌面的台式衍射仪ERUOPE、性价比超高的大功率衍射仪APD 2000 PRO、功能强大的多功能高分辨率X射线衍射仪EXPLORER,均可应用于水泥行业的物相分析。

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全反射X射线荧光光谱仪(TXRF)组成结构

全反射X射线荧光光谱仪(TXRF)主要包括:X射线源、光路系统、进样系统、探测器、数据处理系统及其他附件,下文主要介绍前四部分。 一、X射线源:由高压发生器及射线管组成。提供初级X射线,对样品中待测元素进行激发得到X射线荧光,其强度正比于初级X射线的强度。通常,XRD或XRF发生器便可满足TXRF的需求,高压可达到80kV、电流可达80mA、整体功率可达3kW或以上;输入稳定性一般<10%,输出稳定性<0.01%。 目前商用TXRF所用X射线管多为Mo或W靶,或是混合靶材,如GNR的TX 2000全反射X射线荧光光谱仪提供Mo/W混合靶材。 二、光路系统:为满足TXRF应用需求(入射角、能量分布等),需进一步对初级X射线的几何形状和光谱分布进行调节,主要有光阑、滤波器、准直狭缝、单色器等。 初级X射线具有一定发散角,使用准直狭缝即可完成对几何形状的调整。 射线管发射连续谱带中的高能光子激发效率低于低能光子,且低能光子的全反射临界角大于高能光子。因此,在满足低能光子全反射条件下,连续光谱中的高能光子则不满足全反射条件,背景大幅提高,需要进一步滤除高能光子,通常采用滤波器及单色器来实现。 常用滤波器多采用全反射原理,即低能光子全反射而高能光子发生散射或吸收,进而达到滤波目的,通常有单全反射及双全反射体之分。 众所周知,单色光激发是全反射理想的情况,但仅依靠滤波器等无法实现单色的目的,因此,采用布拉格反射体的单色器及多种技术结合的手段在目前商用仪器中颇为常见。GNR的TX 2000及HORIZON两款全反射X射线荧光光谱仪均可提供双全反射光路、多层Si/W单色器(TX 2000还可实现TXRF及常规XRF的切换)。 三、进样系统:提供样品载体,满足全反射条件、完成自动进样操作,多为石英玻璃、有机玻璃等。 四、探测器:作为数据读出的核心部件,需要有较高的能量分辨率、较小的热效应等特性,主要有半导体探测器、硅漂移探测器及位敏探测器,目前商用仪器多使用硅漂移探测器(SDD),GNR即采用半导体制冷的SDD探测器。 意大利GNR公司是一家老牌的欧洲光谱仪生产商,其X射线产品线诞生于1966年,经过半个多世纪的开发和研究,该产品线已经拥有众多型号满足多个行业的分析需求。 X射线衍射仪(XRD)可测试粉末、薄膜等样品的晶体结构等指标,多应用于分子结构分析及金属相变研究;而全反射X荧光光谱仪(TXRF)的检测限已达到皮克级别,其非破坏性分析特点应用在痕量元素分析中,涉及环境、医药、半导体、核工业、石油化工等行业;为迎合工业市场需求而设计制造的专用残余应力分析仪、残余奥氏体分析仪,近年来被广泛应用在高端材料检测领域,其操作的便捷性颇受行业青睐。

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GNR残余应力分析仪EDGE对镍基高温合金的测试

镍基高温合金是指在650~1000℃高温下有较高的强度与一定的抗氧化腐蚀能力等综合性能的一类合金。按照主要性能又细分为镍基耐热合金、镍基耐蚀合金、镍基耐磨合金、镍基精密合金与镍基形状记忆合金等。因其耐高温耐腐蚀的特点,被广泛应用于航空航天领域。 本文采用意大利GNR公司的EDGE残余应力分析仪对镍基高温合金进行测试,显示其表面应力分布较为均匀。

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