[发明专利]基于单色X射线衍射的单晶应力张量测量方法

说明书

本发明公开了一种基于单色X射线衍射的单晶应力张量测量方法，方法包括以下步骤：建立样品坐标系，基于X射线衍射测量衍射峰的位置与布拉格角2θ₁，2θ₂...2θ_n，衍射峰对应的晶面法线方向在所述样品坐标系以单位向量形式表示，基于单晶的实际晶格参数a、b、c、α、β、γ构建坐标转换矩阵M，求解方程组得到实际晶格参数a、b、c、α、β、γ，基于单晶的理论晶格参数为a₀、b₀、c₀、α₀、β₀、γ₀，构建并求解理论坐标转换矩阵M₀构造晶体学直角坐标系转到样品坐标系的旋转矩阵R，计算样品坐标系下的应变张量ε，基于单晶的应变张量ε和弹性模量计算其应力张量σ。

技术领域

本发明属于单晶测量技术领域，特别是一种基于单色X射线衍射的单晶应力张量测量方法。

背景技术

基于其优异的力学性能，包括镍基高温合金、定向凝固高温合金等材料在内的多种单晶材料被广泛应用于各种工程零部件和受力结构中。但在材料实际服役前，往往需要对其中的残余应力进行检查，以防止材料中存在的特定的残余应力分布于其服役时的应力条件复合，并最终导致其提前失效。但与传统多晶材料不同，虽然仍然能通过X射线衍射实验测得材料各不同衍射峰的位置和布拉格角，但由于单晶材料的性质，其只在某些特定的晶体学取向上能发生X射线衍射，即实验中仅能测到少量的衍射峰。

同时由于单晶材料在力学性能上的各向异性明显，在工程实践中需要测量的并非传统多晶材料中的主应力方向，而是需要得到完整的材料应变张量并使用材料的弹性模量张量计算其应力张量。以上实验上的和计算原理上的不同使得原有的计算在单晶材料基于X射线衍射数据的应力/应变张量的计算中已完全无法使用。

现有的解决这一困难的方法往往都需要借助其他更为先进的材料应力/应变表征手段来表征单晶材料中的应力。其中常用的基于同步辐射光源的微束劳厄衍射法和基于中子源的中子衍射法都需要用到大科学装置，无法满足实际生产实际中的对单晶材料应力应变的测量需求。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种基于单色X射线衍射的单晶应力张量测量方法，本发明利用X射线衍射结果计算单晶材料残余应变张量，为广泛应用和装备的X射线衍射/应力仪测量单晶材料残余应变提供了数据处理方法，利用个人电脑或相似性能的计算平台即可实现，简化测量和计算的需求。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种基于单色X射线衍射的单晶应力张量测量方法包括以下步骤：

第一步骤(S1)中，建立样品坐标系，将X射线衍射测量的衍射峰对应的晶面法线方向在所述样品坐标系以单位向量形式表示，记为其中i＝1，2，3……n，n为测量的衍射峰的总数；

第二步骤(S2)中，基于单晶的实际晶格参数a、b、c、α、β、γ构建坐标转换矩阵M，矩阵的表达式为：

其中，X射线衍射测得的衍射峰的密勒指数为(h_ik_il_i)，理论衍射峰向量为k_S，i＝(M^T)^-1·[h_i k_i l_i]^T，理论衍射峰方向向量为

第三步骤(S3)中，依据所测各衍射峰的布拉格角2θ₁，2θ₂...2θ_n和所述的单位向量构建方程组，求解方程组得到实际晶格参数a、b、c、α、β、γ.方程组为：