摘要:文章十分清楚地阐述了在中子残余应力检测实验中材料试验机的应用。提出应加大对材料试验机的研发投入,其作为中子残余应力检测实验的关系最大、起决定作用的辅助工具,应给与重点探索,从而促进科研水平的提高。提高中子实验水平在普及中子应用和残余应力检测技术行业的作用。若以上观点得以实现,将给人类带来巨大的经济及社会效益。
中子散射技术是进行物质微观结构、材料性能、织构、相变等测量的先进手段,目前主要由反应堆式和散裂式中子源进行各类试验研究。材料试验机作为材料力学性能研究的重要工具,被广泛应用于各类中子散射试验中。由于中子散射试验具有自己独特的特点,因此配套使用的材料试验机也需专门定制,本文重点介绍中子衍射残余应力测量试验中用到的各类材料试验机及其在中子实验中的应用。
1、中子残余应力测量原理
中子衍射应力测量基于布拉格衍射原理,通过测量样品的平均晶面间距,获取材料微观晶格的形变信息,晶格间距与样品测量位置和外加温度或力学载荷相关。多晶材料内部发生弹性形变时,晶面间距就会相应发生改变,比如拉应力会引起沿加载方向的晶面间距增大。利用中子衍射可以获得相应状态下的衍射峰,通过测量衍射峰即可确定晶面间距大小。通过比较计算晶面间距值(d)与无应变样品晶面间距值(d0)后可获得应变值,如图1-a所示。进一步通过胡克定律计算即可获得样品测量位置处的应力值。利用中子测量金属材料内部残余应力,探测器与中子束成90°布置,样品拉伸或压缩方向与中子束线成45°布置,如图1-b。左侧探测器测量轴向残余应力,右侧探测器测量径向残余应力。合理放置材料试验机方位很重要,关系到样品测量应力方向。由于中子束线和X射线一样,容易被物体遮挡,因此需要为中子束线预留足够的视野,方便中子束线进出。在采用高低温样品环境时,可在封闭样品环境设备上开孔,并设置对中子屏蔽效果低的铝窗密封满足实验要求。
2、中子残余应力测量特点
测量残余应力的方法有很多种,常用残余应力测量方法主要包括X射线衍射法(XRD)、钻孔法、应变片测量法、轮廓法、中子衍射法、X射线同步辐射测量法等。X射线衍射法和X射线同步辐射测量法主要用于金属材料浅表残余应力测量,通常测量深度为十几个微米,最深可达到100μm左右的近表面区域。应变片测量法通常用来测量表面残余应力,当与钻孔法相结合时,可测量一定深度的残余应力。但是钻孔法和轮廓法同属于破坏性检测技术,需要在试样钻孔或切割。相对于其他测量技术,中子衍射残余应力测量技术具有无损测量金属构件内部残余应力具有突出优势。由于钻孔法和轮廓法需要对试样进行钻孔和切割,难免会引入新的残余应力或改变原有应力分布状态,因此存在结构性误差,无法通过提高测量技术本身改变。中子残余应力测量无需对试样进行任何特殊处理,仅需中子通过指定测量点即可,因此具有测量精度高的特点,其测量分辨率可以达到50微应变。由于中子与原子核作用,相比X射线应力测量技术,其测量深度更深(通常碳钢5cm,铝合金十几个厘米)。测量精度:中子残余应力检测精度约为50个微应变,其测量应力为测量体积内的残余应力平均值。通常一个测量点为不小于1mm2面积,想获得较高的测量准确性,大样品的测量点定位精度应优于0.1mm。因此利用材料试验机进行试样测量时,需要合理补偿拉伸变形引起的测量点位移,防止测量点偏移。
3、主要设备类型
由于中子仅能测量金属材料内部残余应力,因此仅介绍金属材料试验机。按功能分,材料试验机可以分为拉压、疲劳、蠕变及万能试验机。按结构分,又可以分为立式、卧式、十字型试验机等。按试样类型可分为棒材,线材,板材等试验机。由于中子实验本身的特点,通常进行的实验为棒材拉伸压缩实验、板材的拉伸实验等。目前主要的散裂中子源配备的拉伸试验机有如下几种:美国阿拉莫斯国家实验室Vulcan谱仪单轴双向试验机,具备拉压、疲劳、扭转、蠕变功能,可实现材料拉压特性及疲劳蠕变特性研究。其结构为单轴双向拉伸试验机,其中一轴可以实现扭转功能。作动器采用液压缸,可实现100KN拉压力,其由美国美特斯公司定制生产,结构如图2-a。英国散裂中子源EnginX谱仪采用100KN单轴单向拉伸试验机,相当于普通立式试验机水平放置,具备拉压、疲劳功能,可对金属材料进行拉压、疲劳研究,其由英国Instron公司设计制造,结构如图2-b。日本J-PARC中子源TAKUMI工程材料谱仪采用带自动对中功能的单轴拉伸试验机,当对样品进行拉伸或压缩时,位于试验机底部的运动台自动补偿样品中心偏移,始终保持样品中心位置与中子束线重合,结构如图2-c。瑞士PSI实验室Paul谱仪采用双轴材料试验机,可进行单轴和双轴材料试验,是目前用在中子散射试验中功能最强大的试验机,其竖向采用100KN液压作动器,水平方向采用50KN电控作动器,可进行单轴100KN或双轴50KN试样的材料试验,结构如图2-d。
4、高低温环境设备
为满足材料试验环境温度要求,材料试验机需要定制专用的高低温样品环境。配合高低温样品环境,可以利用材料试验机进行高低温原位试验,如低温样品环境可以进行3K-273K的低温环境测试,如低温脆性实验;高温可以进行1400℃左右的高温力学试验用以测量高温条件下金属材料的力学性能。按技术原理高温炉有电阻式、辐射式、感应式。低温炉一般采用压缩冷头制冷。通常各中子源会提供各类高低温设备,用户也可以自带,但必须满足所用谱仪的使用要求。例如英国散裂中子源根据每台谱仪的特点会提供不同的高低温环境,工程材料应力谱仪Engin-X提供1800℃的小样品封闭电阻炉,1100℃辐射加热炉,专用于材料试验机的双冷头低温环境箱。美国散裂源SNS为工程应力谱仪Vulcan提供2300℃的小样品封闭电阻炉以及1100℃高温感应炉。其中封闭高温炉不能用于材料试验机,通常用于小样品的应力或织构测量。用户也可以根据自己试验设计合适的样品环境,如EnginX谱仪专门设计的低温箱及拉伸试验机。
5、夹具类型
由于利用中子进行实验,必须保证经过物体散射的中子不被阻挡的进入探测器,因此需要预留中子通路。不管是什么类型的拉伸试验机,配套夹具,都必须保证中子通路顺畅。通常在进行细长样品测量时,采用传统液压或机械夹具即可满足要求。但是对于小型试样,推荐采用螺纹连接试样,这是因为螺纹连接卡具相比液压或机械夹具尺寸小,遮挡中子通路的可能性小,同时为原位试验提供尽量大的加热或冷却空间。夹具类型的选择同时需要考虑引伸计的摆放,避免将引伸计布置在中子光路上。
6、引伸计
利用材料试验机进行力学性能测定,需要配合引伸计测量应变,引伸计通常由传感器、放大器和记录器三部分组成。依据测量原理的不同,引伸计可分为机械式引伸计、电子引伸计、视频引伸计、激光引伸计等类型。根据使用方法不同,又可分为接触式引伸计和非接触式引伸计。通常将机械式和电子式引伸计划分为接触式引伸计,视频引伸计和激光引伸计划分为非接触引伸计。现在机械式引伸计已经很少使用,接触式引伸计多用在常温和低温环境,视频引伸计和激光引伸计用在高温非接触环境。
为满足测量需求也应选择合适的引伸计,如测量径向应变,应采用横向引伸计,测量轴向应变采用轴向引伸计,视频引伸计可以同时测量径向和轴向应变,测量裂纹断裂需采用具备相应功能的引伸计。随着CCD技术的发展,视频引伸计得到快速发展,由于其不用接触样品,且分辨率高,可适用于高温环境,因此非常适用于中子实验。根据试验温度不同,选取合适的引伸计。通常激光引伸计可用于1200℃,视频引伸计根据散斑材料不同可用温度一般为1100℃,接触式引伸计最高1400℃。
7、展望
由于中子散射技术在各领域展现出的突出科研价值,世界各国中子源的不断建设和发展,英国、美国、日本、欧洲合计建成数十个各类中子源。目前国内已经建设成北京、绵阳两个反应堆式中子源,位于东莞市的中国首个散裂中子源也已经建设完成,先期3台谱仪也已经正式运行。中国散裂源工程材料应力测量谱仪也已经在计划建设中,预计2022年底建设完成。发挥中子散射技术在工程应用领域的巨大价值,离不开各类试验机,因此对特殊定制试验机需求进一步增加,相应环境设备和引伸计的要求也越来越高。结语中子散射技术被广泛用于各行业中顶尖科学实验研究,具有非常广泛的应用前景,近几年随着工业化应用的不断提高,其在工程材料领域的重要性日益体现。材料试验机作为进行材料性能研究的重要工具,与中子散射技术相结合,对于研究和探索工程材料性能及开发新材料具有重要价值。
贡志锋,马艳玲,高建波,张书彦,张鹏,詹霞,王晨.试验机在中子应力实验中的应用[J].中国科技信息,2019(24):70-71.
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