学术干货｜且看XRD如何分析残余应力

残余应力概念

外力撤除后在材料内部残留的应力就是残余应力。但是，习惯上将残余应力分为微观应力和宏观应力。两种应力在X射线衍射谱中的表现是不相同的。

微观应力是指晶粒内部残留的应力，它的存在，使衍射峰变宽,而超微观应力的存在则会使衍射峰强度降低。这种变宽通常与因为晶粒细化引起的衍射峰变宽混杂在一起，两者形成卷积。通过测量衍射峰的宽化，并采用近似函数法或傅立叶变换方法来求得微观应力的大小。

宏观应力是指存在于多个晶体尺度范围内的应力，相对于微观应力存在的范围而视为宏观上存在的应力。一般情况下，残余应力的术语就是指在宏观上存在的这种应力。宏观残余应力（以下称残余应力）在X射线衍射谱上的表现是使峰位漂移。当存在压应力时，晶面间距变小，因此，衍射峰向高角度偏移，反之，当存在拉应力时，晶面间的距离被拉大，导致衍射峰位向低角度位移。通过测量样品衍射峰的位移情况，可以求得残余应力。

X射线衍射法测量残余应力的基本原理

Ｘ射线衍射测量残余内应力的基本原理是以测量衍射线位移作为原始数据，所测得的结果实际上是残余应变，而残余应力是通过虎克定律由残余应变计算得到的。

当试样中存在残余应力时，晶面间距将发生变化，发生布拉格衍射时，产生的衍射峰也将随之移动，而且移动距离的大小与应力大小相关。用波长λ的X射线，先后数次以不同的入射角照射到试样上，测出相应的衍射角2θ，求出2θ对sin²ψ的斜率M，便可算出应力σ_ψ。

由于Ｘ射线对试样的穿入能力有限，只能探测试样的表层应力，这种表层应力分布可视为二维应力状态，其垂直试样的主应力σ₃≈0(该方向的主应变ε3≠0)。由此，可求得与试样表面法向成Ψ角的应变ε_Ψ的表达式为：

式中σ₁、σ₂为沿试样表面的主应力，E，υ是试样的弹性模量和泊松比。ε_ψ的量值可以用衍射晶面间距的相对变化来表示，且与衍射峰位移联系起来，即：

式中θ₀ 为无应力试样衍射峰的布拉格角，θ_ψ为有应力试样衍射峰位的布拉格角。于是将上式代入并求偏导，可得：

令

         ，

则

其中K是只与材料本质、选定衍射面HKL有关的常数，当测量的样品是同一种材料，而且选定的衍射面指数相同时，K为定值，称为应力系数。M是（2θ）-sin²ψ直线的斜率，对同一衍射面HKL，选择一组ψ值（0°、15°、30°、45°），测量相应的（2θ）_ψ以（2θ)-sin²ψ作图，并以最小二乘法求得斜率M，就可计算出应力σ_φ（φ是试样平面内选定主应力方向后，测得的应力与主应力方向的夹角）。

实验方法

在使用衍射仪测量应力时，试样与探测器θ-2θ关系联动，属于固定ψ法。通常ψ=0°、15°、30°、45°测量数次。
当ψ=0时，与常规使用衍射仪的方法一样，将探测器(记数管)放在理论算出的衍射角2θ处，此时入射线及衍射线相对于样品表面法线呈对称放射配置。然后使试样与探测器按θ-2θ联动。在2θ处附近扫描得出指定的HKL衍射线的图谱。
当ψ≠0时，将衍射仪测角台的θ-2θ联动分开。先使样品顺时针转过一个规定的ψ角后，而探测器仍处于0。然后联上θ-2θ联动装置在2θ处附近进行扫描，得出同一条HKL衍射线的图谱。
最后，作2θ-sin2ψ的关系直线，最后按应力表达σ=K·Δ2θ/Δsin2ψ=K·M求出应力值。

残余应力计算软件的使用（以JADE5为例）

1 数据测量
先对样品作一个70-120°范围内的扫描，观察样品的衍射峰情况，选择一个强度较高，不漫散，衍射面指数较高的衍射峰作为研究对象峰。按照残余应力测量的要求，设置不同的ψ（0°，15°，30°，45°）角，以慢速扫描方式测量不同ψ角下的单峰衍射谱。每个ψ角的测量数据保存为一个文件，如00，10，20，30，40等。

值得注意的是，通常高角度衍射峰都是很漫散的，对精确地确定峰位有困难，但是，如果所选衍射峰的角度太低，在ψ=45°时，可能不出现衍射峰或者峰强极低而漫散，同样带来计算误差。这时只能选择ψ较小的数据，如ψ=0°，10°，20°，30°，40°，并且尽量地多选择几个ψ角来测量，使实验数据更加密集，
减小实验误差。还有就是选择ψ角时，尽量使sin2ψ取点均匀而不是选择ψ的取值均匀，因为ψ-sin2ψ不呈线性关系。

2 确定峰位
本软件可以接受多种方式计算出来的拟射峰位数据。如键盘输入，读拟合文件等。

3 输入峰位
打开软件，输入峰位数据。

4 计算sin2ψ
根据测量使用的ψ角，重新计算窗口中的sin2ψ。

5 绘图-计算M、标注
按窗口中的按钮排列顺序，先绘图，然后计算直线斜率M，如果需要，也可以标注数据。

6 计算应力
先要根据材料不同，查阅文献，获得所测物相的弹性模量和泊松比并输入到窗口中相应的文本框中。按下“计算应力”，应力常数K值、应力值就显示在窗口中的文本框中。

7 保存
“保存结果”——保存结果为文本文件。
“保存图象”——保存结果为图片文件。

X射线的穿透深度较小（约10μm），只能测量材料表面的残余应力，如果需要测量材料部的残余应力，或者测量应力梯度，其能力则显得有些苍白。通常解决的办法是需要采用剥层法。即对样品逐层剥离，测量每层表面的应力，然后采用一定的算法扣除因为剥层造成的应力松弛，换算成各层真实的应力。

中子衍射法是一种测量结构内部应力的常用方法。中子衍射法以中子流为入射束，照射试样，当晶面符合布拉格条件时，产生衍射，得到衍射峰。该方法的原理与普通X射线衍射方法类似，也是根据衍射峰位置的变化，求出应力。但与普通X射线衍射法相比，中子衍射法利用中子能穿透试样较大深度的特性，可以测得样品内部残余应力，且适于对大块试样进行测定。因此，中子衍射法对测定样品内部平均残余应力具有很大的优越性。

参考文献：

1、黄继武，李周.多晶材料 X射线衍射--实验原理、方法与应用[M].冶金工业出版社.

2、周玉，武高辉.材料分析测试技术--材料X射线衍射与电子显微分析[M]，哈尔滨工业大学出版社

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