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中子应力测试方法

 

人类的生活质量极大地依赖于对材料性能的了解和控制,而材料的性能取决于在原子和亚微观水平上的结构和动力学,中子散射技术在材料结构与晶格动力学研究中扮演了极为重要的角色。由于中子不带电、具有极强的穿透力等特点,使之成为对材料微观结构和动力学研究的重要手段。中子应力测量是中子散射工作的重要组成部分,是中子散射在工业中应用的典型代表,有着广泛的社会需求和广阔的发展远景。中国原子能科学研究院中子散射实验室正在建立中子残余应力测试平台,以扩大中子散射的研究领域,以满足我国工业水平不断发展的需求。

所谓残余应力主要是指工程部件经过焊接、冷轧、滚压和热处理等加工过程后在部件内部残余的应力。中子应力测量是材料残余应力测量的主要手段,是一种深度无损三维测试方法。它能够对大的工业部件在高低温、高压、磁场等极端条件下进行无损测量,为工业领域中一些部件加工工艺和安全使用提供指导性建议。

国际上中子散射正处于方兴未艾、蓬勃发展的阶段,而且正由基础研究向广泛的工业应用拓展,其重要性也越来越明显地表现出来。国际上几乎所有的中子散射实验室都在开展用中子衍射方法来测量残余应力和材料微观结构的工作。例如,德国慕尼黑FRMII研究所的“STRESS-SPEC”残余应力测量仪和“SPODI”微观结构测量仪作为新近建立的测量设备,极具代表性,每年这些谱仪的束流时间都供不应求,进行的研究工作均形成公开发表的论文和商业内部报告。在美国的中子散射实验室,就有军方的常驻代表,专门从事和军工有关的测量研究工作。在这一领域,多年来欧美一直处于领先地位,在亚洲日本和韩国也后起直追发展很快。尤其日本,因其重工业比较发达,对残余应力无损测量分析的需求在本国内根本无法得到满足,所以每年还花费大量的资金从韩国购买谱仪使用时间。

随着我国工业水平的不断提高,对残余应力的测量有着广泛的社会需求,而且对于测量的准确性,测量环境更接近实际方面要求越来越高。特别是航空航天、核工业等事业的迅猛发展,影响到关键工程部件使用安全和寿命问题的深度残余应力的研究显得越来越迫切与必要。国内航空航天、核工业等多个部门如北京装甲兵工程学院、北京航空材料研究院、北京航空航天大学、东北大学、中科院沈阳金属所等科研院所多次与我们联系,希望能够合作开展上述残余应力测量方法的研究。

中国原子能科学研究院拥有我国唯一的中子散射实验基地-中子散射实验室,在“十五期间”,与中科院物理所、中科院化学所、中科院沈阳金属所、中科院上海金属所、北京大学、清华大学、南京大学、山东大学、东北大学、北京科技大学和中国工程物理研究院等国内30余个国防、科研单位及大学密切合作,在材料科学、凝聚态物理等领域的研究荣获多项国家和部级奖项;与美国、英国、德国、法国和日本等著名中子散射中心已建立密切的合作关系,在中子散射技术方面获得多项成果。目前我室承担着建造中国先进研究堆上的中子散射工程工作,并力争在不远的将来把中子散射实验室建成具有国际水平的国家重点实验室。

在中国先进研究堆上将建成我国第一个中子残余应力测试平台,目的是要建立深度无损三维残余应力测试方法,进行航空航天、核工业等工业中关键工程材料部件的深度残余应力测量,为优化工业领域中焊接、冷轧、滚压和热处理等加工工艺方法,生产出符合质量及安全要求的合格的工程部件提供必要的实验数据。由于实际应用中的工程部件一般较为庞大,这就要求样品台承重能达到100公斤以上,且能三维转动,以符合测量三维残余应力的要求。由于有些工程部件中的残余应力的梯度变化很大,这就要求所测部件的内部空间分辨最小能达到1立方毫米,若能实现这些指标,我们建立的中子残余应力谱仪将达到国际先进水平。

中子应力测试平台和相应的样品测试环境辅助设备的建立将拓展我国中子散射在工业领域的应用。为大工业部件深度、无损、三维残余应力分布中子衍射测量提供技术手段,为我国工业和国民经济发展作出重要贡献,必将产生良好的经济与社会效益。不仅能带来与发达工业技术的交融,而且将与国际高端用户建立密切联系。为确立中国先进研究堆上中子应力测量谱仪的国际声望和地位奠定基础,是使我国的中子散射事业进入国际先进行列,在亚洲乃至全世界形成中子散射的研究中心的重要组成部分。

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