Xstress DR45 殘余應(yīng)力檢測系統(tǒng)提供了一種快速、可靠的表面殘余應(yīng)力檢測方法，使其成為在應(yīng)用更復(fù)雜、更耗時的技術(shù)（如PFIB-DIC）之前進(jìn)行初步評估的寶貴工具。

作者：Zhu Bin博士和Sui Tan博士

挑戰(zhàn)：聚變反應(yīng)器接頭中的殘余應(yīng)力
核聚變反應(yīng)堆容器內(nèi)部件的開發(fā)要求對其接頭進(jìn)行精確的機(jī)械表征，例如激光焊接的 Eurofer97和P91，以及不同的Cu-W和Eurofer97-W接頭。盡管連接技術(shù)先進(jìn)，但焊接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力會顯著影響材料性能，甚至可能會導(dǎo)致過早失效。因此，準(zhǔn)確評估窄熔合區(qū)（FZ）和熱影響區(qū)（HAZ）內(nèi)的殘余應(yīng)力分布仍然是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。

Surrey大學(xué)，在Sui博士帶領(lǐng)下，率先為核聚變材料的結(jié)構(gòu)完整性研究進(jìn)行了殘余應(yīng)力評估，特別是容器內(nèi)熔融部件的金屬接頭。通過與英國原子能管理局（UKAEA）和國家物理實(shí)驗(yàn)室（NPL）合作，Surrey大學(xué)已經(jīng)研發(fā)了創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)和建模方法，以了解連接引起的殘余應(yīng)力如何降低機(jī)械性能并導(dǎo)致過早失效。
Zhu博士在建立多個熔接接頭殘余應(yīng)力評估的新實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Ψ矫孀龀隽岁P(guān)鍵性貢獻(xiàn)，他在STFC的ISIS中子和μ子源使用中子衍射和成像，以及Surrey大學(xué)的等離子體聚焦離子束-數(shù)字圖像相關(guān)（PFIB-DIC）。

方法：高分辨率殘余應(yīng)力測量

為了評估激光焊接接頭中的殘余應(yīng)力，使用 Xstress DR45系統(tǒng)對P91和Eurofer97 接頭進(jìn)行殘余應(yīng)力線性映射，并在精確位置進(jìn)行測量，如圖1所示。使用間距為 0.1mm的0.3mm 準(zhǔn)直器進(jìn)行線掃描測量（綠色圓圈），并選擇156.4°的2θ 角來測量{211}峰值。使用粉末樣品仔細(xì)進(jìn)行校準(zhǔn)，并根據(jù)參考樣品驗(yàn)證設(shè)備的性能。此外，使用等離子體聚焦離子束數(shù)字圖像關(guān)聯(lián)（PFIB-DIC[1] 和中子衍射技術(shù) [2,3] 分析相同的樣品。這些互補(bǔ)方法的詳細(xì)方法可以在先前發(fā)表的研究中找到。

圖 1：使用 Xstress DR45 評估殘余應(yīng)力分布的實(shí)驗(yàn)裝置。

Xstress DR45測量結(jié)果與PFIB-DIC 和中子衍射的比較

使用非常小的準(zhǔn)直器的測量時間為每點(diǎn)2分鐘。帶有XY工作臺的 Xstress DR45能夠?qū)堄鄳?yīng)力分布進(jìn)行高空間分辨率評估。Xstress DR45實(shí)現(xiàn)了殘余應(yīng)力分布的評估，在FZ/HAZ界面附近觀察到峰值處的拉應(yīng)力約為350MPa。使DR45獲得的殘余應(yīng)力分布趨勢與PFIB-DIC的殘余應(yīng)力分布趨勢密切相關(guān)。雖然 PFIB-DIC 技術(shù)為每個測量點(diǎn)提供了約0.03mm的最高分辨率，但 Xstress DR45在分辨率和效率之間表現(xiàn)出了出色的平衡。盡管 DR45與PFIB-DIC的超高分辨率不匹配，但它成功地捕捉了這些狹窄區(qū)域內(nèi)的整體殘余應(yīng)力分布趨勢，展示了其在高度局部區(qū)域中測量應(yīng)力的能力。

圖 2 Eurofer97的DR45-XRD 殘余應(yīng)力測量結(jié)果，與PFIB-DIC [1] 和中子衍射 [2] 在0度方向上的相關(guān)性。
與中子衍射相比，Xstress DR45 在FZ 和HAZ 區(qū)域內(nèi)提供了更詳細(xì)的殘余應(yīng)力分布。由于中子衍射的空間分辨率較低，約為1.4 mm [2]，因此中子衍射的限制通常會導(dǎo)致激光焊接接頭不同區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力值被平均化。相比之下，DR45實(shí)現(xiàn)了明顯更高的分辨率，可以識別原本會錯過的局部殘余應(yīng)力變化。此外，使用 Xstress DR45 測量的全寬半最大值（FWHM）分布趨勢通過納米壓痕實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了交叉驗(yàn)證，證實(shí)了它與顯微硬度的比例關(guān)系。對于P91接頭，發(fā)現(xiàn)DR45 結(jié)果在兩個掃描方向上與PFIB-DIC 測量值一致 [4]，增強(qiáng)了其捕獲不同焊接配置中應(yīng)力變化的可靠性。

圖 3：P91的DR45-XRD殘余應(yīng)力結(jié)果，與PFIB-DIC[1] 和中子衍射[2]相關(guān)，在（a）0度方向和（b）90度方向上。

結(jié)論：Xstress DR45作為一種高效的殘余應(yīng)力分析工具

Xstress DR45 XRD系統(tǒng)提供了一種快速可靠的表面殘余應(yīng)力檢測方法，使其成為在應(yīng)用更復(fù)雜、更耗時的技術(shù)（如 PFIB-DIC）之前進(jìn)行初步評估的寶貴工具。對于不需要如此高精度的情況，Xstress DR45是一種實(shí)用且高效的替代方案，特別是對于分析狹窄的激光焊接接頭。它能夠在短時間內(nèi)捕獲高分辨率殘余應(yīng)力分布，使其成為評估和優(yōu)化聚變反應(yīng)堆組件的引人注目的選擇。

參考文獻(xiàn)

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