残余应力检测：中子衍射技术原理

中子衍射法检测残余应力是一种比较新的方法。由于中子在材料中的穿透深度较大，可作为非常有效的体探针和研究手段，来探测材料内部的残余应力分布，与传统的X射线法相比可以探测的厚度更大，因此有文章选取中子衍射法测量摩擦搅拌焊接头内部残余应力的分布［83］。

当试件内存在应力时，其内部晶格间距必然会发生改变。试件内弹性残余应变可由晶格间距的变化来确定。根据布拉格衍射定律

式中，λ为中子束波长；dhkl、θhkl分别为产生布拉格峰的hkl晶格间距和布拉格角。衍射束观察位置与入射束2θhkl如图2-18所示。

图2-18　中子衍射测量残余应变原理示意图［83］(www.xing528.com)

所利用的中子束是晶体单色器从反应堆发射出的白光中子束中选出的单一连续波长的中子。当样品受到已知波长的单色平行中子束照射时，它的晶格间距可根据布拉格定律得到。样品无应变时，晶格间距对应于材料的无应变值，定义为d0，hkl；有应力的样品中，晶格间距改变并且每一个布拉格峰都将偏移，弹性应变可表示为

完全确定应变张量需要测量至少6个方向的弹性应变。如果主应变方向已知，沿3个方向测量就足够了，在平面应力或平面应变情况下，则可能进一步减少为2个方向，对于单轴加载的情况，仅需要测量一个方向。焊接件接头测量了3个方向的应变。当应变测量完后，根据广义胡克定律，残余应力R1、R2、R3可以通过下式得到：

式中，Ehkl、νhkl分别为衍射弹性模量和衍射泊松比，与特定的hkl衍射晶面有关。