ICS25.160.01

CCSJ33

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

T/CWAN0116—2024

GB/T13814—92

金屬材料焊接接頭應(yīng)力X射線測(cè)試方法

X-raydiffractiontestingmethodforstressofmetallicmaterialsweldedjoints

2024-06-12發(fā)布2024-07-01實(shí)施

中國(guó)焊接協(xié)會(huì)發(fā)布

T/CWAN0116—2024

金屬材料焊接接頭應(yīng)力X射線測(cè)試方法

1范圍

本文件規(guī)定了采用X射線衍射原理測(cè)試金屬材料焊接接頭應(yīng)力的方法，內(nèi)容包括術(shù)語(yǔ)、符號(hào)和定

義、X射線應(yīng)力測(cè)試方法及原理、測(cè)試儀器、測(cè)試方案的制定、測(cè)試步驟及試驗(yàn)報(bào)告要求。

本文件適用于金屬材料焊接接頭的應(yīng)力測(cè)試。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過(guò)文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文

件，僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用

于本文件。

GB/T7704無(wú)損檢測(cè)X射線應(yīng)力測(cè)定方法

GB/T39520彈簧殘余應(yīng)力的X射線衍射測(cè)試方法

JB/T9394無(wú)損檢測(cè)儀器X射線應(yīng)力測(cè)定儀技術(shù)條件

3術(shù)語(yǔ)、符號(hào)和定義

以下及GB/T7704界定的術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。

3.1術(shù)語(yǔ)和定義

3.1.1德拜-謝樂(lè)環(huán)Debye-Scherrerring

當(dāng)X射線入射多晶體時(shí)，衍射X射線會(huì)以入射X射線為軸，形成圓心角θ不同的多個(gè)圓錐。用平面X

射線膠片或二維檢測(cè)器接收這樣的圓錐，可以得到入射X射線的位置在中間的同心圓狀的衍射線圖案。

這樣的同心圓一般稱為德拜謝樂(lè)環(huán)或德拜環(huán)（Debyering）。

3.2符號(hào)

本文件中的符號(hào)和定義見表1。

表1符號(hào)和定義

符號(hào)定義

θ布拉格角，衍射角2θ的1/2，亦即入射X射線或衍射線與衍射晶面之間夾角

Ψ0入射角，即入射線與試樣表面法線之間夾角

χ掃描平面相對(duì)于試樣表面法線的夾角

ω在χ=0即掃描平面垂直于試樣表面的條件下入射X射線與試樣表面之間的夾角

φ衍射晶面法線在試樣平面的投影與試樣平面上某一指定方向的夾角

σφφ角方向的正應(yīng)力

σii正應(yīng)力分量（i=1,2,3）

τφσφ作用面上垂直于試樣表面方向的切應(yīng)力分量

τij切應(yīng)力分量（i≠j；i=1,2,3；j=1,2,3）

εφΨφ和Ψ角定義的方向上的應(yīng)變

β積分寬度，即衍射峰去除與布拉格衍射無(wú)關(guān)的背底以后積分面積與最大強(qiáng)度之比

1

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符號(hào)定義

ZX射線穿透深度

{hkl}晶面的X射線彈性常數(shù)

??????

121

?S1，S2,，?S3試樣坐標(biāo)系，S1由操作者定義

2

LP洛倫茲偏振因子

L1，L2，L3實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系

{hkl}晶面指數(shù)為（hkl）的晶面族

d0材料無(wú)應(yīng)力狀態(tài)的晶面間距

dφΨ法線處于φ和Ψ角定義方向上的晶面間距

A吸收因子

α德拜環(huán)頂端的-Ψ0側(cè)為起點(diǎn)，順時(shí)針?lè)较虻男D(zhuǎn)角

ηη=（180°-2θ）

4X射線應(yīng)力測(cè)試原理及方法

4.1X射線應(yīng)力測(cè)試基本原理

X射線應(yīng)力測(cè)試是以晶體材料晶面間距為標(biāo)準(zhǔn)距離，使用X射線衍射測(cè)試由于應(yīng)力導(dǎo)致的晶面間距

變化，然后計(jì)算應(yīng)力。

4.1.1cosα法

cosα法是使用單一斜入射的X射線，利用二維檢測(cè)器獲得德拜環(huán)的全周晶格應(yīng)變信息來(lái)測(cè)量試樣

表面殘余應(yīng)力和載荷應(yīng)力的方法。X射線入射多晶體時(shí)，衍射X射線以入射X射線為軸，與反射X射線

共同構(gòu)成圓錐狀。圖1是德拜-謝樂(lè)環(huán)形成的原理圖。

圖1cosα法X射線應(yīng)力測(cè)定原理圖

根據(jù)cosα法進(jìn)行應(yīng)力測(cè)定，以試樣表面的O點(diǎn)為測(cè)定位置，如圖1所示，以所測(cè)應(yīng)力方向?yàn)閤軸，

其垂直方向?yàn)閥軸，試樣面法線方向?yàn)閦軸?，F(xiàn)在x-z面內(nèi)與z軸所成角Ψ0的方向入射X射線，在垂直入射

X射線方向上設(shè)置二維檢測(cè)器。檢測(cè)器測(cè)得的照射區(qū)域內(nèi)存在的晶體群的衍射X射線呈圓環(huán)狀，如圖2

所示，該圓環(huán)稱為德拜-謝樂(lè)環(huán)或德拜環(huán)。德拜環(huán)的頂端距離試樣法線近的一側(cè)為-η側(cè)，底端為+η側(cè)。

2

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圖2德拜環(huán)上的旋轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的4個(gè)衍射角測(cè)定

從入射X射線側(cè)觀察，取以德拜環(huán)中心O作為原點(diǎn)的極坐標(biāo)系。德拜環(huán)頂端的-η側(cè)為起點(diǎn)，定

義順時(shí)針?lè)较虻男D(zhuǎn)角α。旋轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的德拜環(huán)的半徑rα為:

(5.1)

其中，L是試樣和檢測(cè)器的距離，2ηα是衍射角2θα的補(bǔ)角。

??=?tan2??

(5.2)

結(jié)合半徑rα、式(5.1)、式(5.2)，可得衍射角2θα：

2??=180?2??deg

(5.3)

?

?1?180

?

其中角度單位是deg，2?=為從??radta到ndeg?變換?時(shí)的de系g數(shù)。

根據(jù)衍射角可得晶格應(yīng)變：

2θα180εα

?

(5.4)

?

??01800

應(yīng)力值可以從旋轉(zhuǎn)角α對(duì)應(yīng)的?晶=格?應(yīng)變?ε?α、?其對(duì)角c的ot晶?格應(yīng)變?chǔ)纽?π、旋轉(zhuǎn)角-α對(duì)應(yīng)的晶格應(yīng)變?chǔ)?α和επ-α

共計(jì)4個(gè)晶格應(yīng)變求得。然后求出兩個(gè)應(yīng)變差（εα-εα+π）和（ε-α-επ-α），定義其平均應(yīng)變參數(shù)εα1為：

(5.5)

?????+?+????????

?1

試樣表面層的應(yīng)力狀態(tài)為平面?應(yīng)力=時(shí)，測(cè)定2應(yīng)力σx與應(yīng)變參數(shù)εα1關(guān)系如下：

(5.6)

?X1???1

??0

其中Ex為被測(cè)樣品相的X射?線=楊?氏1+模?量sin，2?νsxin為2?X?射cos線?泊松比。

圖3εα1—cosα圖

從單一X射線入射角Ψ0下觀測(cè)到的德拜環(huán)求出多個(gè)旋轉(zhuǎn)角α對(duì)應(yīng)的應(yīng)變參數(shù)εα1，以cosα為橫軸，εα1

3

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為縱軸作圖。cosα和εα1的關(guān)系呈圖3中的直線關(guān)系，然后用最小二乘法決定近似直線的斜率M1，應(yīng)力

由下式求出：

(5.7)

其中，K1為應(yīng)力常數(shù)，M1為εα1—cosα圖的斜率。

??=?1??1Mpa

(5.8)

?X1

?1=?1+??sin2?0sin2?0Mpa

(5.9)

???1

1

而且，式(5.6)中，由于2η隨α的變化?很小=，?c用os無(wú)?應(yīng)變時(shí)的2η0替換之，進(jìn)一步，根據(jù)2η0為無(wú)應(yīng)變

時(shí)的衍射角2θ0的補(bǔ)角可以推出式(5.10)：

(5.10)

將式(5.5)中的代入，應(yīng)變參數(shù)εα1得零。圖3的εα1—cosα圖是通過(guò)原點(diǎn)的直線，

2?0=180?2?0deg

根據(jù)最小二乘法可以確定直線的斜率M1。

?=?2cos?=0

4.1.2同傾法、側(cè)傾法和擺動(dòng)法

同傾固定Ψ0法、同傾固定Ψ法、側(cè)傾法（χ法）、側(cè)傾固定Ψ法及雙線陣探測(cè)器側(cè)傾法（修正χ法）、

擺動(dòng)法的測(cè)試基本原理參見GB/T7704。

4.2X射線應(yīng)力測(cè)試方法

基于現(xiàn)有不同種類衍射裝置的幾何布置，應(yīng)力測(cè)試方法分為：

a）cosα法：將X射線斜向入射，利用二維檢測(cè)器所測(cè)得的衍射環(huán)（德拜環(huán)）的變化來(lái)測(cè)試不同方

位的晶格應(yīng)變，從而求得試樣表面層應(yīng)力的方法。

b）同傾固定Ψ0法（ω法）：應(yīng)力方向平面（Ψ平面）與掃描平面（2θ平面）相重合，探測(cè)器工作

入射角Ψ0保持不變的應(yīng)力測(cè)試方法。

c）同傾固定Ψ法（θ-2θ掃描法）：應(yīng)力方向平面（Ψ平面）與掃描平面（2θ平面）相重合，探測(cè)

器和X射線管作同步等量相向左θ-θ掃描，或作θ-2θ掃描，使得在獲得一條衍射曲線數(shù)據(jù)的過(guò)程中Ψ角

保持不變，亦即參與衍射的晶粒群固定不變的應(yīng)力測(cè)試方法。

d）側(cè)傾法（χ法）：是應(yīng)力方向平面（Ψ平面）與掃描平面（2θ平面）相互垂直的應(yīng)力測(cè)試方法。

e）側(cè)傾固定Ψ法（即θ-θ掃描Ψ法）：應(yīng)力方向平面（Ψ平面）與掃描平面（2θ平面）相互垂直，

探測(cè)器和X射線管作同步等量相向左θ-θ掃描，或作θ-2θ掃描，使得在獲得一條衍射曲線數(shù)據(jù)的過(guò)程中

Ψ角保持不變，亦即參與衍射的晶粒群固定不變的應(yīng)力測(cè)試方法。

f）雙線陣探測(cè)器側(cè)傾法（修正χ法）：兩個(gè)線陣探測(cè)器對(duì)稱地分布于入射線兩側(cè)，取兩個(gè)探測(cè)器

測(cè)得的應(yīng)變的平均值，用該平均值計(jì)算應(yīng)力值。

g）擺動(dòng)法：在探測(cè)器接收衍射線的過(guò)程中，以每一個(gè)設(shè)定的Ψ角（或Ψ0角）為中心，使X射線管

和探測(cè)器在平面內(nèi)左右回?cái)[一定的角度的應(yīng)力測(cè)試方法。該方法客觀上增加了被測(cè)樣品中參加衍射的

晶粒數(shù)目，是解決粗晶材料應(yīng)力測(cè)試問(wèn)題的近似處理方法，擺動(dòng)角度一般不超過(guò)6°。

5測(cè)試儀器

5.1基本要求

cosα法一般使用便攜式X射線衍射應(yīng)力測(cè)定儀，該儀器管電壓不宜低于30KV，準(zhǔn)直器照射面宜為

直徑不超過(guò)3mm的圓形，同時(shí)需具備樣品定位輔助裝置，一般不需配備測(cè)角儀。同傾法和側(cè)傾法使用

的X射線衍射應(yīng)力測(cè)定儀應(yīng)符合GB/T7704和JB/T9394的主要技術(shù)要求。

4

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5.2X射線管

X射線管應(yīng)根據(jù)被測(cè)材料類型選擇Cr、Cu、Mn、Co等靶材。

5.3探測(cè)器

常用探測(cè)器類型有以下三種：

——單點(diǎn)接收的探測(cè)器（通過(guò)機(jī)械掃描獲得衍射強(qiáng)度沿反射角的分布曲線）；

——線陣探測(cè)器（可一次性獲得整條衍射曲線）；

——面探測(cè)器（可一次獲得整個(gè)或部分德拜環(huán)）。

5.4測(cè)角儀

測(cè)角儀應(yīng)包括X射線管和探測(cè)器，應(yīng)具備確定φ角、改變?chǔ)方呛驮谝欢ǖ?θ范圍自動(dòng)獲得衍射曲線

的功能。除cosα法外，其余方法使用的測(cè)角儀的基本要求如下：

——2θ回轉(zhuǎn)中心、Ψ回轉(zhuǎn)中心、X射線光斑中心、儀器指示的測(cè)試點(diǎn)中心四者應(yīng)重合；

——接收反射線的總范圍，一般高角不小于167°，低角不宜大于143°（某些專用測(cè)試裝置不受此

角度范圍的限制）；

——2θ最小分辨率不宜大于0.05°；

——Ψ0角或Ψ角的范圍一般宜設(shè)為0°~45°，需要時(shí)可增大范圍，可增設(shè)負(fù)角（針對(duì)特定條件的專

用測(cè)試裝置不受此角度范圍的限制）；

——Ψ0角或Ψ角的設(shè)置精度應(yīng)在±0.5°范圍之內(nèi)；

——應(yīng)配備Kβ輻射濾波片。

6測(cè)試方案的制定

測(cè)試前，測(cè)試機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)與測(cè)試委托單位共同制定測(cè)試方案，該測(cè)試方案應(yīng)經(jīng)過(guò)雙方簽字確認(rèn)。測(cè)

試人員應(yīng)嚴(yán)格按照該測(cè)試方案進(jìn)行測(cè)試工作。測(cè)試方案應(yīng)包含以下內(nèi)容：

——焊接接頭的材料、厚度、焊材等；

——焊接接頭所屬設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)（停止運(yùn)行或未停止運(yùn)行）；

——焊接日期；

——焊接參數(shù)；

——試驗(yàn)方法及參數(shù)

——測(cè)試點(diǎn)位置；

——前處理方法；

——測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)及工作安全要求，該要求不能低于相關(guān)法律法規(guī)中相關(guān)要求。

7測(cè)試步驟

7.1測(cè)試準(zhǔn)備

7.1.1儀器校準(zhǔn)

X射線衍射應(yīng)力測(cè)定儀測(cè)試0應(yīng)力鐵粉，儀器連續(xù)測(cè)試不少于5次，單次測(cè)得應(yīng)力值應(yīng)在±14MPa之

內(nèi)，5次應(yīng)力值的標(biāo)準(zhǔn)差不宜大于7MPa，如果應(yīng)力值超過(guò)±14MPa，應(yīng)重新調(diào)整設(shè)備或測(cè)量參數(shù)。

選用其他標(biāo)準(zhǔn)試樣塊進(jìn)行校準(zhǔn)可參考GB/T7704。

7.1.2試樣制備

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當(dāng)測(cè)試點(diǎn)位置位于隔熱層、防腐層、襯里層之下時(shí)，應(yīng)按要求部分或全部拆除隔熱層、防腐層、

襯里層，露出測(cè)試點(diǎn)。測(cè)試點(diǎn)一般應(yīng)滿足以下要求：

——表面應(yīng)無(wú)氧化層、無(wú)油污、無(wú)涂層、無(wú)污垢，且應(yīng)避開裂紋、腐蝕坑、磕碰劃傷等缺陷；

——測(cè)試點(diǎn)粗糙度Ra不宜大于10μm。

當(dāng)測(cè)試表面無(wú)法達(dá)到上述要求時(shí)，經(jīng)委托單位同意，可采用電解拋光的方法或化學(xué)試劑清除氧化

層、涂層、污垢、油污等物質(zhì)，如使用砂輪或砂布打磨測(cè)試點(diǎn)表面以去除損傷及異物，則應(yīng)在打磨之

后采用電解或化學(xué)拋光的手段去除打磨影響層。

注：經(jīng)砂輪或砂布打磨后，測(cè)試點(diǎn)應(yīng)力可能與原始表面有所不同。

7.2測(cè)試參數(shù)及條件設(shè)置

7.2.1總則

cosα法測(cè)試參數(shù)及條件設(shè)置應(yīng)符合7.2.2-7.2.3要求。同傾法和側(cè)傾法的測(cè)試參數(shù)及條件設(shè)置應(yīng)符合

7.2.3至7.2.9要求。

7.2.2cosα法衍射方式的選擇

a）入射準(zhǔn)直儀：X射線的入射側(cè)設(shè)置針孔準(zhǔn)直儀，來(lái)限制X射線的照射區(qū)域。

b）X射線入射角的可動(dòng)范圍：與試樣面法線所成的X射線入射角Ψ0在二維檢測(cè)器和試樣面不干涉

的前提下可以在盡可能大的范圍內(nèi)調(diào)整，最好固定在任意的角度。

c）X射線入射角的設(shè)定精度：X射線入射角與試樣面法線夾角宜設(shè)置在±0.4°以下。

7.2.3輻射、衍射晶面和應(yīng)力常數(shù)的選擇

依據(jù)布拉格定律，針對(duì)現(xiàn)有試樣材料的晶體結(jié)構(gòu)合理確定衍射和衍射晶面。表２給出了常用金屬

材料的晶體結(jié)構(gòu)、推薦使用的輻射和衍射晶面，并給出相應(yīng)的衍射角2θ、X射線常數(shù)和及

1{???}{???}

應(yīng)力常數(shù)K，供參考。2?2?1

表2金屬材料晶體結(jié)構(gòu)、輻射、濾波片、晶面、衍射角與應(yīng)力常數(shù)表

濾

晶體衍射重復(fù)//K/Z0/

材料輻射波2θ/°1

結(jié)構(gòu)晶面因子{???}{???}10-6mm2N-1μm

片102-6?m2m2N-110-?6m1m2N-1

鐵素體鋼

珠光體鋼體心

CrKαV{211}1565.81-1.27-3185.8

貝氏體鋼立方

24

馬氏體鋼

面心MnKαCr152-2897.2

奧氏體鋼{311}7.52-1.80

立方CrKβ—140-366—

{222}815618.56-4.79-9711.5

CrKαV

{311}13919.54-5.11-16611.0

面心

鋁合金CuKαNi{422}13719.02-4.94-17934.4

立方

{420}16219.52-5.11-7123.6

CoKαFe24

{331}148.618.89-4.9-13023.0

面心152~1

鎳合金MnKαCr{311}6.50-1.56-1814.9

立方62

6

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濾

晶體衍射重復(fù)//K/Z0/

材料輻射波2θ/°1

結(jié)構(gòu)晶面因子{???}{???}10-6mm2N-1μm

片102-6?m2m2N-110-?6m1m2N-1

149~1

CrKβ—-322—

57

CuKαNi{420}1576.47-1.55-2802.5

鈦合金六方CuKαNi{213}14211.68-2.83-2775.1

CrKβ—146-225—

面心{311}11.79-3.13

銅合金MnKαCr150-1984.2

立方

CoKαFe{400}—16415.24-4.28-827.1

注1：表中2θ和Z0為參考值。

7.2.4Ψ角或φ角設(shè)置

φ角的選擇依據(jù)待測(cè)應(yīng)力方向，試樣待測(cè)應(yīng)力方向應(yīng)平行于儀器的應(yīng)力方向平面（Ψ平面）。

設(shè)置Ψ角時(shí)，宜使sin2Ψ值近似于等間隔。Ψ角的選擇宜在0°~45°范圍內(nèi)，個(gè)數(shù)不宜低于4個(gè)。

7.2.52θ范圍的設(shè)置

2θ范圍設(shè)置原則是所設(shè)定掃描范圍內(nèi)或探測(cè)器的采集范圍具備完整的衍射峰。2θ范圍宜大于衍射

峰半高寬的3倍。

7.2.6掃描步距的設(shè)置

掃描步距的設(shè)置以能夠在經(jīng)過(guò)二次三項(xiàng)式擬合之后得到比較平滑的衍射曲線而又不至于過(guò)分消耗

測(cè)試時(shí)間為目標(biāo)。最小步距不宜大于0.1°。

7.2.7采集時(shí)間的設(shè)置

采集時(shí)間的設(shè)置應(yīng)確保能夠得到計(jì)數(shù)足夠高、起伏波動(dòng)相對(duì)較小的衍射峰、相對(duì)完整的德拜環(huán)，

而又不至于過(guò)分消耗測(cè)試時(shí)間。

7.2.8測(cè)試點(diǎn)的定位

a）測(cè)試點(diǎn)中心應(yīng)準(zhǔn)確置于儀器指示的測(cè)試點(diǎn)中心、X射線光斑位置、測(cè)角儀回轉(zhuǎn)中心三者相重合

的位置。

b）測(cè)試點(diǎn)待測(cè)應(yīng)力方向應(yīng)平行于儀器的應(yīng)力方向平面（Ψ平面）。

c）按照儀器要求校準(zhǔn)標(biāo)定距離。

d）按照儀器規(guī)定的方法，或借助垂直驗(yàn)具、水平儀等裝置，調(diào)整測(cè)角儀主軸線與測(cè)試點(diǎn)法線的重

合度，應(yīng)保證實(shí)際的Ψ角或Ψ0角的準(zhǔn)確度。

注：測(cè)角儀主軸線即測(cè)角儀本身Ψ=0或Ψ0=0的標(biāo)準(zhǔn)線。

7.2.9定峰方法

定峰方法即在測(cè)得的衍射曲線上確定衍射峰位（衍射角2θ）的方法。選擇定峰方法的原則如下：

ａ）在能夠得到完整的鐘罩型衍射曲線條件下，應(yīng)選擇利用原始衍射曲線較多的方法。

ｂ）在采用側(cè)傾固定Ψ法的前提下，如果因?yàn)槟撤N原因無(wú)法得到完整的衍射曲線而只能得到衍射

峰得主體部分，或者衍射峰的背底受到材料中其它相衍射線的干擾，則作為近似處理，可不扣背底，

而采用“拋物線法”或“有限交相關(guān)法”定峰，同時(shí)注意合理選擇取點(diǎn)范圍，盡量避免背底干擾。

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T/CWAN0116—2024

ｃ）在一次應(yīng)力測(cè)試中，對(duì)應(yīng)于各Ψ角衍射曲線定峰方法應(yīng)一致。

7.3數(shù)據(jù)處理

當(dāng)儀器采集到的數(shù)據(jù)是衍射強(qiáng)度I（或計(jì)數(shù)）沿一定范圍反射角2θ的分布曲線時(shí)，需要進(jìn)行包括扣

除背底、強(qiáng)度因子校正、定峰、應(yīng)力值計(jì)算和不確定度計(jì)算等數(shù)據(jù)處理。

焊接接頭在負(fù)載情況下，測(cè)得應(yīng)力值是殘余應(yīng)力與載荷應(yīng)力的代數(shù)和，非負(fù)載情況下是殘余應(yīng)力。

8試驗(yàn)報(bào)告

試驗(yàn)報(bào)告宜包含以下內(nèi)容：

——本文件號(hào)；

——焊接接頭的材料、厚度、焊接材料等；

——焊接接頭所屬設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)（停止運(yùn)行或未停止運(yùn)行）；

——焊接日期；

——焊接參數(shù)；

——試驗(yàn)方法及參數(shù)

——測(cè)試點(diǎn)位置；

——前處理方法；

經(jīng)供需雙方協(xié)商確定可將測(cè)試方案作為附件放入試驗(yàn)報(bào)告。

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