本文提供了一些觀察和測(cè)試數(shù)據(jù)，目的指明XSTRESS 3000X射線殘余應(yīng)力分析儀某些*的操作特點(diǎn)，并回答了有關(guān)這些儀器所用技術(shù)的zui常見的一些問題。這篇綜述主要寫的是直流伺服電機(jī)控制的G2測(cè)角儀，而文中的大部分測(cè)量數(shù)據(jù)既適用于G1測(cè)角儀，又適用于G2測(cè)角儀。    

一、衍射幾何                 
1、XSTRESS 3000在其測(cè)角儀設(shè)計(jì)上采用了改善的F衍射幾何系統(tǒng)，它是由兩個(gè)對(duì)稱的探測(cè)器從衍射錐的兩個(gè)相反的方向來記錄信號(hào)的（傳統(tǒng)的衍射儀只能記錄一個(gè)方向的信號(hào)），文獻(xiàn)2，3，4中描述了這一幾何系統(tǒng)。它的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)就是只需一個(gè)扇形2q 托架和一個(gè)弧形探測(cè)器托架，更換樣品時(shí)，操作人員只需把兩個(gè)探測(cè)器沿著2q 托架滑到角度盤上指示的所需的2q角度的大致位置就行，只要衍射峰落在探測(cè)器的掃描范圍內(nèi)，是否要準(zhǔn)確調(diào)整就無關(guān)緊要了。由于這種設(shè)計(jì)可以使測(cè)角儀更簡潔，而不必在測(cè)試過程中浪費(fèi)時(shí)間去安裝和更換托架，所以對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)和車間廠房使用的便攜式設(shè)備是一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)。         
2、用于應(yīng)力測(cè)試的XSTRESS 3000 2q托架的標(biāo)準(zhǔn)2q角范圍是125°至162°（以探測(cè)器中心為基準(zhǔn)）再加上探測(cè)器的扇型角度14.8°（±7.4°），總的2q角范圍實(shí)為117.6°至169.4°。 
3、有兩種方法可以用來調(diào)準(zhǔn)探測(cè)器的位置：標(biāo)定法和相對(duì)法。使用標(biāo)定法時(shí)，利用已知2q角的參考粉末樣品（儀器帶有三種樣品）來分別標(biāo)定每個(gè)探測(cè)器的角度，該法的精度為0.01°。相對(duì)法是把相對(duì)應(yīng)變Dd/d和峰位移D2q結(jié)合起來用在sin2y應(yīng)力公式中，該法具有自校準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)，即只需測(cè)量峰位移而不需測(cè)量2q角的值。只要衍射峰落在探測(cè)器的掃描范圍內(nèi)（窗口），就能利用第六節(jié)中詳細(xì)介紹的互相關(guān)法測(cè)得峰位移D2q。     

這兩種方法都是自動(dòng)進(jìn)行的，標(biāo)定法總是用于三維應(yīng)力分析，而相對(duì)法可以用于那些不能用參考粉末樣品標(biāo)定的情形。  
4、XSTRESS 3000系統(tǒng)操作時(shí)既可以用一個(gè)探測(cè)器又可以同時(shí)使用兩個(gè)探測(cè)器，測(cè)量過程中可以把任何一個(gè)探測(cè)器擱置不用，且每個(gè)探測(cè)器都是獨(dú)立使用互相關(guān)法來測(cè)量的。  
   雙探測(cè)器結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn)：
   * 即使有兩個(gè)探測(cè)器，該設(shè)備的尺寸也只是傳統(tǒng)的使用位敏正比管的設(shè)備的幾分之一。 
   * 每次測(cè)量都可以用兩個(gè)探測(cè)器各自測(cè)得的結(jié)果取求平均值來計(jì)算，因而減小了隨機(jī)誤差。   
   * 雙探測(cè)器結(jié)構(gòu)是三維應(yīng)力分析的理想結(jié)構(gòu)，它可以在給定的測(cè)量時(shí)間內(nèi)獲得雙倍的測(cè)量數(shù)據(jù)。    
   * 在殘余奧氏體含量測(cè)定中可以同時(shí)記錄兩個(gè)衍射峰，使測(cè)量時(shí)間減少一半。           
                                           
二、X射線殘余應(yīng)力分析儀探測(cè)器                                

1、    XSTRESS 探測(cè)器是固態(tài)光電探測(cè)器，每個(gè)探測(cè)器的外形尺寸為33´22´14 mm，兩個(gè)探測(cè)器加在一起也只有當(dāng)今zui小的位敏正比計(jì)數(shù)管的幾分之一。因此，XSTRESS的探測(cè)器非常緊湊，特別適用于便攜式設(shè)備。   
2、    XSTRESS探測(cè)器中的活性元件是對(duì)X射線敏感的光電二極管，使X射線能量直接轉(zhuǎn)化為電信號(hào)（已獲）。探測(cè)器是利用的MOS（金屬氧化物半導(dǎo)體）集成電路技術(shù)制造的，這就使得每個(gè)探測(cè)器具有極低的功耗，1mW，大大減小了由于功率損失引起的探測(cè)器發(fā)熱。   

相應(yīng)地，與傳統(tǒng)的Ge或Si位敏固態(tài)探測(cè)器相比，MOS探測(cè)器的熱噪聲也大大降低了。此外，XSTRESS正在使用一種特別的技術(shù)來消除熱噪聲引起的后果，即在每次曝光時(shí)，首先記錄窗口打開時(shí)的數(shù)據(jù)（X射線曝光量加上熱噪聲），隨之馬上關(guān)閉窗口，同時(shí)記錄在*相同的時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)（僅有熱噪聲），然后把窗口關(guān)閉時(shí)的數(shù)據(jù)逐個(gè)象素地從窗口打開時(shí)的數(shù)據(jù)中分撿出去，這樣就消除了測(cè)量信號(hào)中的熱噪聲，為以后的處理提供了具有*信噪比的純凈的X射線數(shù)據(jù)。     

注：傳統(tǒng)位敏正比計(jì)數(shù)管的測(cè)量時(shí)間或計(jì)數(shù)時(shí)間相當(dāng)于MOS探測(cè)器的曝光時(shí)間的兩倍。           
    MOS探測(cè)器能減少熱噪聲，使XSTRESS系統(tǒng)能夠在高達(dá)104°F（40°C）的環(huán)境溫度下工作，且在低于探測(cè)器zui大動(dòng)態(tài)范圍的30%時(shí)仍有*的信噪比。在室溫下，探測(cè)器的動(dòng)態(tài)范圍只用了2~10%。此外，MOS探測(cè)器使用起來非?？旖?，在短短1秒鐘的曝光時(shí)間內(nèi)就可以得到所需的數(shù)據(jù)（如圖1所示）。  
    通過熱噪聲消除技術(shù)，XSTRESS系統(tǒng)*不需要冷卻探測(cè)器，進(jìn)一步減少了該系統(tǒng)的整體復(fù)雜性。         

三、X射線殘余應(yīng)力分析儀度和測(cè)量時(shí)間                                              
1、圖1和圖2分別表示了XSTRESS 3000系統(tǒng)在1秒和5秒的曝光時(shí)間里得到的普通多晶鋼的度，同時(shí)給出了試棒在兩點(diǎn)彎曲試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)變片測(cè)量結(jié)果。每次測(cè)得的兩個(gè)探測(cè)器的衍射峰強(qiáng)度譜線都畫在同一圖中，在這兩個(gè)圖以及后面的各圖中，兩個(gè)探測(cè)器在0°和45°入射的衍射峰強(qiáng)度譜線都重疊畫在了圖上，算出的峰位移也都標(biāo)在每個(gè)衍射圖譜的右上角。可以看出，既使在zui短的曝光時(shí)間1s內(nèi)，也有 ± 2.9 ksi的度。值得注意的是，即使用5秒的曝光時(shí)間，包括所有動(dòng)作和計(jì)算在內(nèi)的整個(gè)測(cè)量過程也僅僅一分鐘左右，其度可達(dá) ± 0.8 ksi。         

注：（1）這里“度”的定義是相對(duì)于應(yīng)變片測(cè)量數(shù)據(jù)的95%的標(biāo)準(zhǔn)偏差（2s）。   
      （2）1 ksi = 6.9 MPa          
圖3，4，5，6，8，9分別給出了在各種條件下的其它多晶材料（鋁，鎳，b-黃銅，銅，不銹鋼，鈦合金）的測(cè)量度?？梢钥闯觯瑢?duì)于所有這些材料加上圖1，2，7，10里的鐵素體/馬氏體鋼，它們的測(cè)量度在 ± 0.2 ksi和 ± 3.9 ksi 之間。圖7是XSTRESS 3000系統(tǒng)在4340鋼試樣上5秒曝光重復(fù)測(cè)量十次的結(jié)果，圖中也畫出了相應(yīng)的衍射峰強(qiáng)度譜線?？梢钥闯觯?秒的曝光時(shí)間，測(cè)量的度（重復(fù)性）可達(dá) ± 1.6 ksi。   

2、圖8是弱峰的度的實(shí)測(cè)例，用Kb衍射線在2q=150°時(shí)測(cè)試彎曲的不銹鋼試棒，曝光時(shí)間為30秒，圖中也畫出了相應(yīng)的衍射峰強(qiáng)度譜線?？梢钥闯?，即使是弱峰，其度也可以達(dá)到 ± 1.6 ksi。圖9是非常微弱的噪聲峰的度的另一個(gè)實(shí)測(cè)例，用CrKa譜線在2q=139.5°時(shí)測(cè)試彎曲的鈦合金試棒，曝光時(shí)間為50秒，圖中分別給出了0°和45°入射的衍射峰強(qiáng)度譜線，測(cè)量時(shí)使用了限峰裝置來消除附近的另一個(gè)峰的干擾，可以看到，即使在zui條件下測(cè)量也能達(dá)到 ± 3.9 ksi的度。
3、圖10給出了一個(gè)極寬的衍射峰的測(cè)量度的例子，它是在很硬的馬氏體材料的同一位置重復(fù)測(cè)量十次得到的。相應(yīng)的衍射峰強(qiáng)度譜線也畫在圖中，圖中表明，即使在短短5秒的曝光時(shí)間內(nèi)，寬峰的測(cè)量精度也能達(dá)到 ± 2.6 ksi。                       

四、X射線殘余應(yīng)力分析儀誤差分析                                                                     
1、當(dāng)數(shù)據(jù)點(diǎn)超過兩個(gè)時(shí)，就能給出sin2y曲線的擬合優(yōu)良度，它是X射線應(yīng)力分析中zui主要誤差的一個(gè)量度。sin2y曲線的擬合優(yōu)良度和曲線形狀反映了造成這一誤差的那些樣品特性，例如織構(gòu)，晶粒粗大，表面應(yīng)力梯度和三維應(yīng)力狀態(tài)（使sin2y曲線分開）。另外，每次測(cè)量的衍射峰強(qiáng)度譜線也給出了，這為有經(jīng)驗(yàn)的操作者提供了其它的重要信息，需要時(shí)就可以畫出這些譜線。               
2、統(tǒng)計(jì)誤差按文獻(xiàn)1中概述的方法來計(jì)算（與相關(guān)的光滑效應(yīng)造成的上述誤差相比，這一誤差通常是很小的）。        
3、使用任何y或W測(cè)角儀測(cè)量時(shí)，控制探測(cè)器到試樣的距離是很重要的。而XSTRESS 3000的測(cè)角儀是僅有不用調(diào)整樣品位置就能自動(dòng)調(diào)整該距離的測(cè)角儀，其精度可達(dá) ± 0.003 mm（± 0.0001°），也就是說在每次測(cè)量開始時(shí)能單獨(dú)測(cè)量這一距離。                          
    由于固態(tài)探測(cè)器的高分辨率，試樣到探測(cè)器的距離定為50 mm。XSTRESS 3000固態(tài)位敏探測(cè)器中一個(gè)單通道（圖象單元或象素）的寬度有25mm（0.001°）那么小。在樣品到探測(cè)器的距離為50 mm時(shí)其角分辨率為0.029°，這比目前市場(chǎng)上任何其它的X射線應(yīng)力分析儀的角分辨率要高很多。與互相關(guān)方法相結(jié)合，在實(shí)際測(cè)量條件下測(cè)量峰位移的精度優(yōu)于± 0.005°，大約相當(dāng)于鋼中± 0.5ksi的應(yīng)力。圖2中應(yīng)變片和XSTRESS 3000系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果清楚地表明了這一精度，圖中± 0.8ksi 的精度代表了整套實(shí)驗(yàn)裝置所帶來的總誤差。± 0.003mm的探測(cè)器設(shè)置偏差產(chǎn)生的誤差大約相當(dāng)于鋼中± 0.04 ksi的應(yīng)力。    

五、sin2y曲線的線性度        
    XSTRESS的每個(gè)測(cè)角儀在出廠前都調(diào)整得非常，圖11和圖12的例子分別是鋼粉末樣品和馬氏體鋼在 -45°至+45°y角范圍內(nèi)sin2y曲線的直線性，圖中很明顯不存在y分離，擺動(dòng)特征和其它線性偏離。圖5中的黃銅試樣測(cè)試結(jié)果和圖6中的銅粉末樣品測(cè)試結(jié)果（弱峰）進(jìn)一步描述了各種條件下的測(cè)角儀線性。除了圖12中與材料有關(guān)的輕微分離外，這些圖中的誤差都不超過± 0.5ksi?？紤]到這一誤差既包括線性誤差又包括總誤差（4d）加上統(tǒng)計(jì)誤差，因此可以斷定XSTRESS測(cè)角儀的線性誤差是非常小的。                                             

六、互相關(guān)法     
    XSTRESS 3000系統(tǒng)是根據(jù)雙探測(cè)器（改善的y衍射幾何）使用互相關(guān)法來定峰的。利用現(xiàn)代化的高速計(jì)算機(jī)技術(shù)，互相關(guān)法計(jì)算每個(gè)峰位移需大約1秒鐘，相對(duì)于整個(gè)測(cè)量過程來說，這是微不足道的。附錄1中詳細(xì)描述了互相關(guān)法。      

    使用互相關(guān)法的主要益處如下： 
    * 易于計(jì)算機(jī)化。                                 
    * 即使是非對(duì)稱峰，互相關(guān)函數(shù)也是對(duì)稱的，并且，即使衍射峰強(qiáng)度譜不光滑也能給出一個(gè)清晰的zui大值。
    * 對(duì)處理低強(qiáng)度峰有好處。                                                           
    * 不受分開的和未分開的Ka1，Ka2雙峰的影響。
    * 可以平滑衍射強(qiáng)度數(shù)據(jù)的隨機(jī)波動(dòng)。            
    * 可重復(fù)性 ---- 即每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)都可用于計(jì)算。

七、測(cè)角儀y角范圍                                 

    標(biāo)準(zhǔn)G2測(cè)角儀的y角范圍是-45°至+45°，而-45°至+60°是選件，這兩個(gè)y范圍操作起來是一致的，區(qū)別在于，較寬的y角范圍使測(cè)角儀與樣品測(cè)試表面間的間隙減小了約5mm。     
    y角范圍的步長是由用戶通過鍵盤輸入的，zui小步長為0.001°。

八、自動(dòng)化的背底校正，效率校正和洛侖茲校正                
1、X射線殘余應(yīng)力分析儀系統(tǒng)通過扣除總衍射強(qiáng)度中的背底強(qiáng)度來自動(dòng)進(jìn)行背底校正。     
2、具有高線性度的固態(tài)探測(cè)器通過逐個(gè)象素減小熱噪聲來自動(dòng)進(jìn)行效率校正，沒有X射線時(shí)（關(guān)閉X射線曝光），就得到了線性度優(yōu)于探測(cè)器動(dòng)態(tài)范圍的0.05%的零水平強(qiáng)度曲線。                                                              
3、在W衍射幾何上，掃描平面位于入射束和衍射束構(gòu)成的平面上，此時(shí)需要進(jìn)行洛侖茲偏振和吸收校正（LPA）。而在y和改善的y衍射幾何上，掃描平面垂直于入射束和衍射束構(gòu)成的平面，此時(shí)就不需進(jìn)行洛侖茲校正了（見文獻(xiàn)1，100-103頁）。因此，y和改善的y衍射幾何消除了X射線殘余應(yīng)力分析儀中的一個(gè)潛在誤差源（LPA校正），正因?yàn)槿绱?，現(xiàn)在市場(chǎng)上只有很少幾種X射線殘余應(yīng)力分析儀尚在使用W衍射幾何。      

九、不需Ka1和Ka2校正            
    互相關(guān)法計(jì)算峰位移時(shí)使用整個(gè)衍射峰強(qiáng)度譜線（所有數(shù)據(jù)點(diǎn)），而不象拋物線擬合那樣通常只用15%的zui大強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，即使是非對(duì)稱峰，互相關(guān)函數(shù)也是對(duì)稱的，不用進(jìn)行Ka1和Ka2分離造成的校正（見文獻(xiàn)1，180頁），該法zui適于各種峰：噪聲峰、輪廓分明的峰、尖峰、寬峰以及非對(duì)稱峰?；ハ嚓P(guān)法消除了拋物線擬合*的幾個(gè)誤差源，包括Ka1和Ka2分離。