Анализ остаточных макронапряжений

Одним из ключевых применений XRD является анализ макронапряжений — остаточных напряжений, которые возникают в материалах в результате внешних воздействий, таких как механическая обработка, сварка, литьё или термическая обработка. Эти напряжения могут существенно влиять на механические свойства материалов, включая их прочность, усталостную долговечность и устойчивость к разрушению.

Макронапряжения вызывают деформацию кристаллической решётки, что приводит к изменению межплоскостных расстояний d. Это изменение можно обнаружить по сдвигу дифракционных пиков на графике интенсивности отражённого излучения.

Схема экспериментальной установки стресс дифрактометра

Остаточные напряжения вызывают изменение межплоскостных расстояний, что приводит к сдвигу дифракционных пиков. На рисунке ниже показано сравнение дифракционных спектров для напряжённого и ненапряжённого материала. Сдвиг пиков влево или вправо указывает на сжатие или растяжение кристаллической решётки.

Сравнение дифракционных спектров для образца с напряжениями и без

Расчёт напряжений 

Для расчёта макронапряжений используется уравнение, связывающее сдвиг пиков с деформациями:

где σ — напряжение, E — модуль Юнга, ν — коэффициент Пуассона, Δd— изменение межплоскостного расстояния, а d0​ — исходное расстояние.

Применение метода

Метод рентгеновской дифрактометрии для анализа макронапряжений широко используется в различных областях:

Преимущества и ограничения

Преимущества метода включают:

Ограничения метода:

Пример практического применения

Рассмотрим пример анализа макронапряжений в сварном шве. После сварки в шве возникают остаточные напряжения из-за неравномерного нагрева и охлаждения. На рисунке 5 показана карта распределения напряжений в сварном шве, полученная методом дифрактометрии.

Карта распределения макронапряжений в сварном шве при разном материале шва и ванны (верх) и одинаковом (центральный рисунок).