Quantum Design-小而轻的便携式X射线残余应力分析仪-μ-X360s

小而轻的便携式X射线残余应力分析仪-μ-X360s

— 满足日本标准JSMS-SD-14-20

X射线是表面残余应力测定技术中为数不多的无损检测法之一，是根据材料或制品晶面间距的变化测定应力的，今仍然是研究得较为广泛、深入、成熟的残余应力分析和检测方法之一，被广泛的应用于科学研究和工业生产的各领域。2012年日本Pulstec公司开发出基于全二维探测器技术的新一代X射线残余应力分析仪——μ-X360n，将利用X射线研究残余应力的测量速度和精度推到了一个全新的高度，设备推出不久便得到业界的广泛好评。由于其技术之先进、测试数据可重复性之高、使用之便携，设备一经推出便备受业界青睐！近期，日本Pulstec公司成功克服技术难点，发布了新的产品型号：μ-X360s，将全二维面探测器技术的产品设计和功能完善再次升级！

产品特点：

相较于传统的X射线残余应力测定仪，新一代μ-X360s具有以下优点：

更快速：二维探测器一次性采集获取完整德拜环，单角度一次入射即可完成残余应力测量。

更精确：X射线单次曝光可获得500个衍射点进行残余应力数据拟合，结果更精确。

更轻松：无需测角仪，单角度一次入射即可，复杂形状和狭窄空间的测量不再困难。

更方便：无需任何液体冷却装置，支持便携电池供电。

更强大：支持扩展区域应力分布自动测量功能，具备晶粒尺寸均匀性、材料织构、残余奥氏体含量分析等功能。

测试原理概述：

全二维面探测器技术

--单角度一次入射后，利用二维探测器获得完整德拜环。通过比较没有应力时的德拜环和有应力状态下的变形德拜环的差别来计算应力下晶面间距的变化以及对应的应力
--施加应力后，分析单次入射前后德拜环的变化，即可通过残余应力分析软件获得残余应力数据。

基本参数：

准直器尺寸	标配：直径1mm（其他尺寸可选）
X射线管参数	30KV 1.5mA
X射线管所用靶材	标配：铬靶（可选配其他）
是否需要冷却水	无需
是否需要测角仪	无需
X射线入射角度	单一入射角即可获取全部数据
所用探测器	二维探测器
直接测量参数	残余应力衍射峰的半峰高全宽
电源参数	130W功率 110-240V 50-60HZ
可否户外现场检测	设备便携、支持便携电池供电

应用领域：

1. 机械加工领域：测量机床、焊接、铸造、锻压、裂纹等构件的残余应力。

2. 冶金行业：测量热压、冷压、炼铁、炼钢、炼铸等工业生产构件的残余应力。

3. 各种零配件制造：测量电站汽轮机制造、发动机制造、油缸、压力容器、管道、陶瓷、装配、螺栓、弹簧、齿轮、轴承、轧辊、曲轴、活塞销、万向节、机轴、叶片、刀具等工业产品的残余应力。

4. 表面改性处理：测量渗氮、渗碳、碳氮共渗、淬火、硬化处理、喷丸、振动冲击、挤压、滚压、金刚石碾压、切削、磨削、车（铣）、机械抛光、电抛光等工艺处理后构件中的残余应力。

5. 民生基础建设领域：

(1)海洋领域：测量船舶、海洋、石油、化工、起重、运输、港口等领域设备和设施的残余应力。

(2)能源领域：测量核工业、电力（水利水电、热电核电）、水利工程、天然气工程等领域的设备和设施的残余应力。

(3)基础建设工程领域：测量挖掘、桥梁、汽车、铁路、航空航天、交通、钢结构等工程领域所用材料、构件及其它相关设备设施的残余应力。

6. 国防军工领域：测量武器装备、重型装备等军工产品的残余应力。

应用软件：

1. 采用全二维面探测器获取完整德拜环，X射线单角度一次入射即可完成应力测量

2. 全自动软件测量残余应力并可显示出半峰宽数值

3. 内在定位标记和CCD相机方便样品定位，操作极其简单快捷

4. 快捷进入预设各种材料测量条件，一键执行测量

晶粒取向分析

晶粒均匀性分析

1. 残留奥氏体分析

用于提供自动计算剩余奥氏体含量的软件分析功能

2. XY扫描控制台

用于在平面内X方向和Y方向精确调节探测器位置，并对样品表面进行残余应力区域测试，X、Y方向的行程为20cm

3. 电解抛光装置

用电化学腐蚀的方法对金属表面做剥层处理

4. 振荡单元装置

用于粗晶样品残余应力测试

5.多种靶材可供选择

用户可以自己更换X射线靶材以满足更广的测试材料需求，可换靶材包括：Cr，V，Cu，Co，Mn

残余应力直接影响金属制品的疲劳强度、抗应力、腐蚀能力、尺寸稳定性和使用寿命，因此在工业和军事等部门受到普遍重视。基于全二维探测器分析方法的新一代残余应力分析仪不仅精度更高，而且不再需要测角仪、不再需要多个入射角才能完成测量、不再需要冷水机、不再需要外接供电电源，因此将改善了复杂形状部件检测、狭窄空间检测、野外工程现场检测、大面积部件检测等测量的难度，具有更广泛的应用。在实验室内，基于全二维探测器分析方法的便携式X射线残余应力分析仪可以用来检测焊接处疲劳，齿轮，圆棒，角焊缝，机轴狭窄区，弹簧等；在户外工程中，它可以用来检测管道焊缝，油罐焊缝，除掉外层水泥的建筑内层，桥梁金属，高速铁轨等。

■ 全二维面探残余应力分析仪在氮化硅陶瓷领域最新应用

工程陶瓷在磨削过程中，工件的表面受剪切滑移、剧烈摩擦、高温、高压等作用，很容易产生严重的塑性变形，从而在工件表面产生残余应力。残余应力将会直接影响工程陶瓷零件的断裂应力、弯曲强度、疲劳强度和耐腐蚀性能。工程陶瓷零件的断裂应力和韧性相比于金属对表面的应力更为敏感。关于残余压应力或拉应力对材料的断裂韧性的影响，特别是裂纹的产生和扩展尚需进一步的研究。零件表面/次表面的裂纹极大地影响着其性能及服役寿命。因此，探索工程陶瓷的残余应力与裂纹扩展的关系就显得尤为重要。

Huli Niu等人为了获得高磨削表面质量的工程陶瓷，以氮化硅陶瓷为研究对象，进行了一系列磨削实验。研究表明：

(1)提高砂轮转速、减小磨削深度、降低进给速率有利于减小氮化硅陶瓷的纵向裂纹扩展深度。氮化硅陶瓷工件在磨削后，次表面的裂纹主要是纵向裂纹，该裂纹从多个方向逐渐向陶瓷内部延伸，最终导致次表面损伤。

(2)氮化硅陶瓷表面的残余压应力随着砂轮转速的增加、磨削深度和进给速度的减小而增大。平行于磨削方向的残余压应力大于垂直于磨削方向的残余压应力。

(3)砂轮转速和磨削深度的增加、进给速率增大时，磨削温度有升高的趋势。在磨削温度从300℃上升到1100℃过程中，表面残余压应力先增大后减小；裂纹扩展深度先减小后增加。在温度约为600℃时，表面残余压应力最大，裂纹扩展深度最小。适当的磨削温度可以提高氮化硅陶瓷的表面残余压应力并抑制裂纹扩展。

(4)氮化硅陶瓷表面残余压应力随裂纹扩展深度和表面脆性剥落程度的增加而减小。裂纹扩展位置的残余应力为残余拉应力。它随着裂纹扩展深度的增加而增加。此外，残余应力沿进入表面的距离在压缩和拉伸之间交替分布，在一定深度处这种情况消失。

(5)通过调整磨削参数、控制合适的磨削温度，可以提高氮化硅陶瓷磨削表面质量。

Figure 1. Grinding experiment and measuring equipment: (a) Experimental principle and processing;(b) SEM; (c) Residual stress analyzer.

作者在该项研究工作中使用日本Pulstec公司推出的小而轻的便携式X射线残余应力分析仪-μ-X360s进行残余应力检测。

参考文献：[1] Yan H, Deng F, Qin Z, Zhu J, Chang H, Niu H, Effects of Grinding Parameters on the Processing Temperature, Crack Propagation and Residual Stress in Silicon Nitride Ceramics. Micromachines. 2023; 14(3):666. https://doi.org/10.3390/mi14030666

详细信息请参考：https://www.qd-china.com/zh/news/detail/2304131319047

■ 工业机器人搭载μ-X360s残余应力分析仪进行自动化残余应力测量

Pulstec与德国Sentenso（Sentenso GmbH）公司合作，于近期推出了工业机器人搭载残余应力分析仪的新解决方案，实现了X射线残余应力分析仪的自主运动、自主检测、自动绘制应力分布云图以及三维振荡等功能。该系统可采用Kuka公司（Kuka AG）或UR公司（Universal Robots）的工业机器人，通过专用夹具将Pulstec μ-X360s的探头部分搭载于工业机器人手臂上，得益于Pulstec的小质量探头，工业机器人的有效载荷仅需4kg即可满足测试需求。

图1. 搭载于UR5e上的Pulstec μ-X360s探头

借助工业机器人强大的程序控制功能，此系统可轻松的对复杂形状样品进行多点残余应力自动测量功能，机器人带动探头多自由度运动，置于待测点上，通过Pulstec与Sentenso联合开发的软件，可自动进行测量，自动显示测量结果，自动绘制云图。软件内还可以设置残余应力阈值，自动判定样品的残余应力状态是否合格（OK/NG）。

参考文献：[1]. Jörg Behler, Yoshinobu Teramoto, and Eckehard Müller, Metal Finishing News, Volume 22, P22-25

详细信息请参考：https://qd-china.com/zh/news/detail/2104251141545

■ 喷丸领域应用

近日，Yuji Kobayashi博士在喷丸工艺制备的应力标样基础上，比较了sin2Ψ和cosα两种残余应力分析方法下所测得的残余应力测试数据，进一步验证了基于全二维面探技术的cosα残余应力分析方法测试结果的可靠性，相关结果已发表在杂志《The Shot Peener》上，详见：Summer 2019，Volume 33, Issue 3 | ISSN 1069-2010。文章中所采用的基于全二维面探技术的残余应力测试设备为日本Pulstec公司制造的型号为μ-X360s的新一代便携式X射线残余应力分析仪。该设备将全二维面探测器技术的产品设计和功能再次完善升级。相比于传统X射线残余应力测定仪，该设备具有更快速的测量时间（二维探测器一次性采集获取完整德拜环，单角度一次入射即可完成测量，全过程平均约60秒），更精确的测试结果（一次测量可获得500个数据点进行残余应力数据拟合，结果更精确），更便利的测试条件（测量精度高，无需冷却水，野外工作无需外部供电），以及更强大的测试功能（具备区域应力分布测量成像（Mapping）功能，晶粒大小、材料织构、残余奥氏体分析等功能），深受机械加工、民生基础建设、国防军工等领域广大同行的青睐。

基于全二维面探测器技术获得的德拜环衍射图像

Yuji Kobayashi博士用到的应力标样

以上图片来源：《The Shot Peener》Summer 2019，Volume 33, Issue 3 | ISSN 1069-2010

详细信息请参考：https://qd-china.com/zh/news/detail/1912082156226

■ 三维应力分析及利用

目前已经有越来越多的同行专家和学者开始对μ-X360系列以及该设备所采用的的方法感兴趣。尤其，基于cosα方法的残余应力分析仪设备因为移动方便，使得对滚动接触疲劳进行原位评估成为可能。Takumi Fujita等人的工作表明[1]：基于德拜环的应力分析仪跟传统的X射线衍射应力分析仪相比，可快速获得疲劳、断裂准则、裂纹萌生以及滚动接触次表面安定极限等信息；而且，该系统不仅可以用来研究滚动接触疲劳机理还可对滚动接触疲劳的演变程度进行定量评估。Takumi Fujita等人发表的文章中，关于三维应力测量及德拜环测量所采用的设备就是日本Pulstec公司制造的型号为μ-X360的X射线残余应力分析仪设备。

参考文献

[1]. Evaluation of Rolling Contact Fatigue Using X-Ray Diffraction Ring, Materials Performance and Characterization, Vol.5,,2016,pp23-37.

更多应用案例，请您致电010-85120277/78/79/80 或写信 info@qd-china.com 获取。

■ 利用FWHM（衍射峰半高宽）测量硬化层厚度