Pomiar naprężeń za pomocą dyfrakcji promieni X i neutronów

Prezentacja na temat: "Pomiar naprężeń za pomocą dyfrakcji promieni X i neutronów"— Zapis prezentacji:

1 Pomiar naprężeń za pomocą dyfrakcji promieni X i neutronów
Bolesław AUGUSTYNIAK

2 Trzy poziomy naprężeń w polikrysztale
sI makroskopowe, długo zasięgowe sII wewnętrzne – o zasięgu wewnątrz ziarna sIII wewnętrzne – o zasięgu wokół defektów struktury (dyslokacje, wydzielenia)

3 Definicja składowych naprężeń

4 Istota pomiaru stałej sieciowej i odkształcenia
Warunek Braggów

5 Istota pomiaru stałej sieciowej 2
Warunek Braggów W monokrysztale uzyskuje się refleksy odpowiadające różnym odległościom d

6 Wpływ naprężeń na stałe sieciowe
W monokrysztale bez naprężeń stałe d są takie same.... Efekt działającego naprężenia s jednoosiowego: zmiana stałej sieciowe, zależnie od kierunku działania s d1 < dO oraz d2 > dO

7 Oszacowanie przesunięcia piku
Uwaga: dla e = 1*10-3 i cot Q =1 Q = 1*10-3 -> 0,06o o tyle przemieści się maksimum

8 Naprężenia jednoosiowe
Wartość odkształcenia materiału jest dodatnia dla kierunku równoległego do osi naprężeń i ujemna dla kierunku prostopadłego

9 Oznaczenia kierunków badania odkształceń
Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods, Viktor Hauk, Elsevier, 1997

10 Pomysł na pomiar e dla różnych ustawień powierzchni próbki względem osi goniometru
Skręca się powierzchnię lub skręca się oś goniometru

11 Różne położenia goniometru względem powierzchni próbki
Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods, Viktor Hauk, Elsevier, 1997

12 Naprężenia trójosiowe

13 Widma lamp rentgenowskich
The characteristic radiation: K series of a Cr tube and L series of a W tube Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods, Viktor Hauk, Elsevier, 1997

14 Widma lamp rentgenowskich 2
The characteristic radiation: K series of a Cr tube and L series of a W tube Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods, Viktor Hauk, Elsevier, 1997

15 Dyfraktometry - abc X-ray optics in a powder diffractometer.
Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods, Viktor Hauk, Elsevier, 1997

16 Korekta na dublet Ka1 / Ka2
Neglecting the doublet structure of the profiles may lead to uncertainties in the further evaluation. This situation may be avoided either by experimental or by subsequent data treatment methods Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods, Viktor Hauk, Elsevier, 1997

17 Szerokość piku dyfrakcyjnego …zależy od mikrostruktury
Reflection profiles for steels with different carbon contents. Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods, Viktor Hauk, Elsevier, 1997

18 Nakładanie pików w układach wielofazowych
Superposition of reflections in two-phase HPSN Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods, Viktor Hauk, Elsevier, 1997

19 Metody ocena położenia piku
Comparison of methods used for peak position determination Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods, Viktor Hauk, Elsevier, 1997

20 Wybór lampy a widmo dyfrakcyjne
Interference lines of Au-powder obtained with different Kal- (closed column) and Kbl- (open column) radiations. Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods, Viktor Hauk, Elsevier, 1997

21 Wybór lampy a widmo dyfrakcyjne
Interference lines of Fe obtained with different Kal- (closed column) and Kbl- (open column) radiations. Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods, Viktor Hauk, Elsevier, 1997

22 Głębokość penetracji promieniowania X
63% penetration depth versus sin2y; material noted, different radiations and peaks. Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods, Viktor Hauk, Elsevier, 1997

23 Stacjonarne dyfraktometry do pomiarów naprężeń 1
Acentric open Eulerian cradle allowing for both residual stress and texture measurements (Huber ) Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods, Viktor Hauk, Elsevier, 1997

24 Stacjonarne dyfraktometry do pomiarów naprężeń 2
Typical experimental arrangement of residual stress measurements on large components using Philips ‘ PW 3050/10' diffractometer with ceramic tube and automated slit system . Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods, Viktor Hauk, Elsevier, 1997

25 Stacjonarne dyfraktometry do pomiarów naprężeń 3
Microdiffractometer with area detector, laser pointers and video microscope for adjustment of the measurement spot (Siemens 'PLATTFORM'-diffractometer with 'GADDS'-detector system) Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods, Viktor Hauk, Elsevier, 1997

26 Wyniki badania

27 Liniowa funkcja D(sin2y)
TiN-layer-steel composite, Cu-Ka radiation, {220}, fiber texture <11 l>

28 Naprężenia po piaskowaniu
The result is s11= MPa, s22= MPa, s33= MPa using the strain-stress-free lattice distance Do{ 114} = nm Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods, Viktor Hauk, Elsevier, 1997

29 Anomalne wykresy D(sin2y)
Curved lines, splitting lines and oscillations Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods, Viktor Hauk, Elsevier, 1997

30 Anomalie Different lattice-strain distributions as originating from certain phenomena Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods, Viktor Hauk, Elsevier, 1997

31 Tekstura po walcowaniu
rolled unalloyed steel, Cr-Ka radiation, {211 }, Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods, Viktor Hauk, Elsevier, 1997

32 Przykłady funkcji

33 Przykłady funkcji 2

34 Mikronaprężenia wewnętrzne –> poszerzenie linii dyfrakcyjnych
Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods, Viktor Hauk, Elsevier, 1997

35 Parametry szerokości linii dyfrakcyjnej
FWHM Determination of the full width at half maximum of peak interference profile. Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods, Viktor Hauk, Elsevier, 1997

36 Korelacja szerokości linii z naprężeniami 1
Depth distributions of residual stresses and half-width values of differently ground Si3N 4 obtained with V Ks-radiation Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods, Viktor Hauk, Elsevier, 1997

37 Korelacja szerokości linii z naprężeniami 2
Turning of hardened steel, German grade: 100 Cr Mn 6 Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods, Viktor Hauk, Elsevier, 1997

38 Makro i mikro naprężenia po deformacji plastycznej
Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods, Viktor Hauk, Elsevier, 1997

39 LS i RS przy deformacji plastycznej
LS and RS of plastically elongated specimens of iron, AI-Cu-Mg alloy,copper and nickel, Up to the elastic limit, the LS evaluated by X-rays correspond (besides the difference due to the at-that-time unknown influence of the elastic anisotropy) with the values of the specific load and Hooke's law. After passing the yield limit, the stresses determined with X-rays are smaller than the mechanical ones, and after unloading RS of opposite sign (compression) remain Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods, Viktor Hauk, Elsevier, 1997

40 Makro i mikro naprężenia po deformacji plastycznej
Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods, Viktor Hauk, Elsevier, 1997

41 Układy ‘dwu-fazowe’ Phase stresses versus
applied stresses in Fe-Fe3C (C 130 steel)/ Phase stresses versus applied stresses in WC-Co compositions Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods, Viktor Hauk, Elsevier, 1997

42 Układy ‘dwu-fazowe’ 2 AI and SiC lattice strain response parallel to the applied stress, measured using the three Bragg's reflections indicated, in a composite sample of 20 vol.% SiC particulate in an AI (2014) matrix. The two solid lines are calculated using Young's moduli of E(AI) = 72 Gpa and E(SiC) = 420 GPa Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods, Viktor Hauk, Elsevier, 1997

43 Dokładność badań – ‘ślepa próba’
Result of a round-robin test on a ground 100Cr6 steel. Dependences of ten specimens were determined by twelve institutions; three of them measured two specimens. The average values of all measurements are: s11 = (11) MPa, s22 = (11) MPa, s13= (4) MPa.

44 Ograniczenia fizyczne

45 Problemy

46 Przykłady problemów

47 Przykłady problemów 2

48 Przykłady problemów 3

49 Przykłady problemów 4

50 Wykorzystanie 1 – utwardzanie laserowe

51 Wykorzystanie 2 - piaskowanie

52 Wykorzystanie 3 - spoina
Upper surface Bottom surface sL - równolegle sT - prostopadle

53 Wykorzystanie 3 - spoina
Upper surface Bottom surface sL - równolegle sT - prostopadle

54 Aparatura http://www.stresstech.fi/content/en/11501/103/103.html
                                                                                                     XSTRESS 3000 is a small, lightweight, accurate and safe X-ray diffractometer for measuring residual stresses and retained austenite contents.

55 Goniometr

56 X3000 w laboratorium

57 Kalibracja...

58 Specyfikacja techniczna Xstress 3000

59 Podsumowanie XRD Zalety
- technika uznawana za wzorcową w dla wyznaczania naprężeń I, II i III rodzaju 2. Wady - czasochłonna (kilkanaście minut dla uzyskania jednej wartości poziomu naprężeń), tylko wartości przypowierzchniowe (głębokość kilku mm) trudności przy badaniu naprężeń dla materiałów niejednorodnych (tekstura) i powierzchni zakrzywionych, wymagana jest ‘kalibracja’ – wyznaczenie położeń pików dla stanu ‘odprężonego’, należy przygotować powierzchnie do badań

60 Dyfrakcja neutronów Schematic drawing of a neutron diffractometer for stress measurements Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods, Viktor Hauk, Elsevier, 1997

61 Wybór obszaru badań Shape of the internal probe region created by different sets of slits in the incident and the diffracted beam. This is illustrated for a scattering angle a = 90 deg which gives the best spatial resolution for given slits widths and therefore is the standard choice. The volume V of the internal probe region is usually chosen in the range 5 to 30 mm 3 to ensure reasonable counting rates. With high performance instruments and relatively thin samples (i.e. l mm3 Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods, Viktor Hauk, Elsevier, 1997

62 Głębokość badań Diffraction intensity versus thickness of the sample for a = 90 deg for various metals. Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods, Viktor Hauk, Elsevier, 1997

63 Naprężenia po hartowaniu
lattice spacings and residual stress measured in a cylinder made from a plain carbon steel and observed widths of the {211} reflection line (German grade Ck45) quenched from T = 800 C in oil. Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods, Viktor Hauk, Elsevier, 1997

64 Naprężenia po pełzaniu
Residual strains ex as determined by neutron diffraction in an Al2O3 ceramic sample after a creep test . Note the small range of ex. The bar denotes the spatial resolution (0.4 mm). Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods, Viktor Hauk, Elsevier, 1997

65 Porównanie NRD i XRD Lattice parameter vs sin2tP as
measured in the direction of plastic strain of a tensile test specimen made of steel X2CrNiMoN225 (dupleks). The {220} reflection line was used both in the neutron and the X-ray experiment. The neutron values represent averages over the whole cross section. The X-ray values were obtained by measurements on three surfaces making different angles with the strain direction and plotted in the system of co-ordinates of the neutron experiment Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods, Viktor Hauk, Elsevier, 1997

66 Porównanie NRD i XRD 2 Comparison between tangential (left) and radial (right) residual stress distributions measured by neutron diffraction in the central part of an autofrettaged steel tube and by X-ray diffraction on the face of a ring cut out the tube Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods, Viktor Hauk, Elsevier, 1997

67 Podsumowanie badań z wykorzystaniem neutronów
(-) Bardzo kosztowne źródło neutronów (reaktor atomowy) (+) możliwość badania rozkładu naprężeń WEWNĄTRZ materiału (w zakresie kilku cm)