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原文传递一种双相不锈钢厚板焊接残余应力的中子衍射测试方法

专利名称：	一种双相不锈钢厚板焊接残余应力的中子衍射测试方法
摘要：	本发明公开一种双相不锈钢厚板焊接残余应力的中子衍射测试方法，该方法通过确定不同方向应力的测试晶面、改变波长的方式，提高中子在双相不锈钢厚板中的穿透深度，降低测试时间和测试误差；通过衍射峰强度的转化，准确计算中子衍射测试的规范体积内的两相比例；在特定的设备和衍射条件下，可实现对两相应力的同时测试。本发明以变波长的方式能够有效提高中子的穿透深度；能够降低中子衍射测试双相不锈钢厚板残余应力的时间；能够降低双相不锈钢厚板残余应力的测试误差；能够利用中子衍射所得衍射峰强度的数据对规范体积内的两相比例实现准确计算；明确两相间性能不匹配引起的微观应力产生的影响，准确计算双相不锈钢的宏观焊接残余应力分布。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	山东;37
申请人：	中国石油大学（华东）
发明人：	蒋文春;万娱;李建;孙光爱;涂善东;赵旭;凌祥;黄娅琳
专利状态：	有效
发布日期：	2019-01-01T00:00:00+0800
申请号：	CN201810275160.5
公开号：	CN108490009A
代理机构：	青岛智地领创专利代理有限公司 37252
代理人：	邵朋程
分类号：	G01N23/207(2006.01)I;G01L5/00(2006.01)I;G;G01;G01N;G01L;G01N23;G01L5;G01N23/207;G01L5/00
申请人地址：	266580 山东省青岛市黄岛区经济技术开发区长江西路66号
主权项：	1.双相不锈钢厚板焊接残余应力的中子衍射测试方法，其特征在于包括以下步骤：a选择铁素体相、奥氏体相的初步测试波长：分别测试双相不锈钢厚板样品中铁素体相、奥氏体相所含元素成分及平均含量，将元素成分、平均含量和晶格参数作为输入条件，通过nxs软件分别计算出铁素体相、奥氏体相的中子总吸收截面—波长的关系图；根据中子衍射应力谱仪可调波长范围，选择中子总吸收截面—波长的关系图中总吸收截面较低的布拉格边附近的波长值，作为铁素体相和奥氏体相的初步测试波长；b对测试点的铁素体相、奥氏体相进行织构测试，根据织构测试结果选取测试晶面，根据选取晶面进一步筛选步骤a所得的两相初步测试波长，分别对两相进行初步测试，确定铁素体相和奥氏体相在纵向、横向、法向应力测试下的最佳测试波长；具体如下：b1根据GB/T 26140‑2010，选择对铁素体相和奥氏体相晶间应变敏感性弱的晶面，对两相进行织构测试，确定铁素体相和奥氏体相测试的衍射晶面：在(211)、(110)晶面下，对每个测试点的铁素体相进行织构测试，分别去掉纵向、横向、法向下没有充足衍射峰强度的晶面，其余的分别作为铁素体相三个方向下测试的衍射晶面；在(311)、(111)、(422)晶面下，对每个测试点的奥氏体相进行织构测试，分别去掉纵向、横向、法向下没有充足衍射峰强度的晶面，其余的分别作为奥氏体相三个方向下测试的衍射晶面；b2由于不同波长对应着不同的衍射晶面，根据选择出测试的衍射晶面，进一步筛选出步骤a中满足测试的衍射晶面对应的波长，并调整中子衍射应力谱仪的起飞角、聚焦半径等，调试出需要的波长；b3对于铁素体相，分以下三种情况进行初步测试：b31若每个测试点没有明显织构，则测试的衍射晶面相同且测试点纵向、横向、法向的测试晶面一致；在透射模式下，则任意选择一点的纵向或横向应力进行不同波长下一小时的初步测试，将不同波长下的衍射谱图进行高斯拟合，得到不同波长下的峰高/本底值H/B，筛选出满足H/B≥3的波长值；若无满足H/B≥3的波长，则将测试时间继续延长重新利用各个波长进行初步测试；若仅有一个H/B≥3的波长值，则该波长值为最佳测试波长；若有多个满足H/B≥3的波长值，则需根据公式(1)计算不同波长下的应变误差值Err(ε)；统计中子总计数；根据公式(2)计算透射模式下中子的实际穿透路径长度l。根据初步测试结果，筛选出满足需求误差范围内的波长值，为减小测试时间再选取其中获取中子总计数最多的波长、对应l值最小的波长作为透射模式下的最佳测试波长；在反射模式下，选择厚度中心点重复在透射模式下的步骤，根据公式(3)计算反射模式下中子的实际穿透路径长度l，从而确定反射模式下的最佳测试波长；l＝Dtr/cosθ (2)l＝2Dref/sinθ (3)其中，2θ为衍射角，uθ为θ的标准差，Bl为本底，I0为入射束峰强，H0为中子穿透路径l为0时的峰高，n0为单位体积内的原子个数，σt为中子总吸收截面，Dtr、Dref分别为透射和反射模式下的穿透深度；b32若每个测试点的测试晶面相同且测试点纵向、横向、法向的测试晶面不一致，在透射模式下，重复b31中透射模式的初步测试过程，确定透射模式下的最佳测试波长；在反射模式下，重复b31中反射模式的初步测试过程，确定反射模式下的最佳测试波长；b33若每个测试点的测试晶面不完全相同，需选择出测试晶面相同的测试点中穿透深度最大的为初步测试点，重复步骤b31中的上述初步测试过程来确定不同测试点的最佳测试波长；最终，通过b3中的步骤确定铁素体相的纵向、横向、法向应力的测试波长λ1、λ2、λ3；b4对于奥氏体相，重复步骤b3中的过程，确定奥氏体相中纵向、横向、法向应力的测试波长λ4、λ5、λ6；c根据步骤b中结果，利用λ1、λ2、λ3对铁素体相的纵向、横向、法向应力进行正式测试，利用λ4、λ5、λ6对奥氏体相的纵向、横向、法向应力进行正式测试；由于测试时间与应变误差的倒数成反比，可以根据初步测试中应变误差的结果、理想应变误差值相应的增加或减少时间；厚板样品测试完成之后，以相同的衍射条件测试零应力试样中铁素体相、奥氏体相的三个方向的d0值；并根据测试的波长，在没有样品的情况下，测试所用波长的I0以用于铁素体、奥氏体两相比例的计算；d若对两相选择测试的衍射角较为接近，即2°以内，可利用位置敏感探测器对两相同时进行测试，两相的衍射峰会出现在同一个衍射谱图中，再利用高斯函数对两峰分别进行拟合，可得到两相的衍射峰位、衍射峰强度和半高宽，从而计算出应力值；e在确定晶面和波长之后，需对衍射晶面的衍射弹性模量进行测试，以确定广义胡克定律的应力计算中使用的弹性模量；f将测试得规范体积的衍射峰强度转换为奥氏体和铁素体的两相比例根据如上的晶面选择方案，分两种情况通过以下方式将衍射峰强度转换为铁素体和奥氏体的两相比例：f1若同一个测试点三个方向的测试波长相同；首先需将得到的规范体积内三个方向衍射峰强度相加，得到规范体积内的峰强总和I值；两相比例将通过铁素体峰强Ifcc和奥氏体峰强Ibcc的转换进行计算，如公式(4)：其中，ls为狭缝高度，r为样品和计数器的距离，e‑2w是德拜温度改正因数，Ahkl为吸收系数，以上三个参数为装置参数，当测试双相不锈钢中的铁素体相和奥氏体相时以上三个参数取值相同；λ为波长，V为样品在束中的体积，ρ’为样品的测量密度，ρ为理论密度，jhkl为多重性因子与选择的不同晶面(hkl)有关，Nc为每立方厘米的单位晶胞数，Fhkl为单位晶胞对(hkl)晶面反射的结构因子；在双相不锈钢中，可认为V等于铁素体相体积Vbcc与奥氏体相体积Vfcc之和，即V＝Vbcc+Vfcc，Vρ’bcc/ρbcc＝Vbcc，Vρ'fcc/ρfcc＝Vfcc；ρ’bcc、ρ’fcc分别为铁素体相、奥氏体相的测量密度，ρbcc与ρfcc分别为铁素体相、奥氏体相的理论密度；因此，两相比例和两相测试强度的关系可表示为公式(5)：其中，I_bcc与I_fcc分别为铁素体相、奥氏体相的峰强，I_0,bcc与I_0,fcc分别为铁素体相、奥氏体相测试时的入射束强度，N_c＝1/a³，a是晶格常数，a_fcc＝3.5981(3)×10^‑8cm,a_bcc＝2.8669(3)×10^‑8cm，j₃₁₁＝j₂₁₁＝j₄₂₂＝24，j₁₁₁＝8，j₁₁₀＝12，为平均散射长度；由此，可得铁素体相的体积分数fbcc＝Vbcc/V (6)奥氏体相的体积分数ffcc＝1‑Vbcc (7)f2若同一个测试点纵向、横向、法向的测试晶面不同，则需对三个方向上的两相分布做单独计算；同样根据公式(4)‑(7)及各向的峰强，分别得到纵向上的两相体积分数横向上的两相体积分数法向上的两相体积分数g明确两相间的弹性、塑性及热膨胀系数的不匹配引起的微观残余应力的影响，将规范体积内的两相应力转化为宏观应力，从而准确计算规范体积内的宏观残余应力；将数据进行高斯拟合后，可用广义胡克定律将衍射峰峰位转化为应变，再计算得到奥氏体相、铁素体相的应力；在双相不锈钢中，存在由于两相间的弹性、塑性及热膨胀系数的不匹配引起的微观残余应力；零应力试样只是将两相间的塑性+热不匹配应力所释放，因此根据公式(8)‑(10)可得三向的宏观应力数据；两相间存在的弹性不匹配应力(σeM)为平衡状态，如公式(8)其中，i为纵向或横向或法向；由于各相中所在宏观应力相等，由公式(9)和(10)可得最终宏观应力值σM：其中，σM+eM为宏观应力与弹性不匹配应力之和；若同一个测试点纵向、横向、法向的测试波长相同，则使用公式(10)计算某一个点的纵向、横向、法向应力时，对三向使用相同的两相比例数据；若同一个测试点纵向、横向、法向的测试波长不同，则使用公式(10)计算某一个点的三个方向应力时，需分别使用纵向上的两相体积分数横向上的两相体积分数法向上的两相体积分数代入到公式(10)进行纵向、横向、法向的应力计算。
所属类别：	发明专利