中子應力掃描（Neutron stress scanning）是一種基於中子衍射原理、可測量材料與大型工程部件內部三維應力分布的無損檢測技術。另外，配合容易載入試樣環境條件設備的優勢，該技術也可用於原位研究材料在服役條件下多尺度（微觀、介觀及巨觀）應力分布及其演化規律。歐洲經濟合作組織的一份技術報告指出, 中子應力分析與中子小角散射技術對於工程領域而言具有非常必要的價值。
基本介紹
- 中文名：中子應力掃描
- 外文名：Neutron stress scanning
技術簡述,技術優勢,裝置情況,國內裝置,
技術簡述
中子衍射測應力的基本原理與X 射線衍射法類似。當波長為的中子束通過晶體材料樣品時，對應晶面間距d0在滿足布拉格關係 （l = 2d0sinq0）的位置即出現衍射峰。常波長模式下，不同類型內應力引起相應衍射峰不同的峰形變化（偏移或寬化）。典型地，第I類內應力（也稱巨觀應力）作用導致晶面間距的變化（∆d），從而引起相應衍射峰的峰位偏移（∆q）。因此，可以根據衍射峰角度的變化可確定彈性應變值。在飛行時間模式下，布拉格角q保持不變，此時根據波長變化確定應變。根據測得的應變，基於一定的假設用廣義胡克定律進一步計算相應的應力項。
技術優勢
中子應力掃描的技術優勢主要來自於中子探針對大多數材料的無損深穿透性。因此，可滿足工程部件整體測試的要求，適合測試大體積形狀不規則材料或構件的三維應力分布。以測量對象高強度Al合金為例，已有工作基於中子應力分析技術測試了其內部殘餘應力分布，測量深度達到約20(長)、7(寬)、5(高) cm。另外，中子衍射可提供近立方的規範體積（有利於複雜外型構件的測試並提供三維應力信息）、合適且可調的空間分辨(mm量級)，從而可較系統、準確地測得殘餘應力分布，並適合用於檢驗有限元計算結果。相較而言，採用同步輻射X射線時，規範體積為狹長菱形(類似鑽石)，不利於測試複雜外型構件，也不易實現整套應力組元(三維)測試。
裝置情況
目前，世界範圍內的中子源預計超過40個，譜儀設備總量超過400台。其中，面向工程材料領域、用於應力測試分析的譜儀達到20多台。常波模式的譜儀代表有法國勞厄·朗之萬研究所的SALSA與美國洛斯·阿拉莫斯國家實驗室的SMARTS。飛行時間模式的譜儀代表有英國盧瑟福·阿普爾頓實驗室的ENGIN-X。SALSA、SMART與ENGIN-X譜儀的樣品台最大承重依次達到0.7、1.5與1噸。 根據已投入使用譜儀的用戶套用統計，對中子衍射應力分析譜儀，其中90%以上的套用面向工程材料領域。鑒於中子衍射應力分析譜儀在工程套用中的必要性，世界各國未來計畫建設的先進散裂中子源仍然為其預留了束流位置。
國內裝置
國內三家中子源中，中國原子能科學研究院的研究堆與中國工程物理研究院的綿陽研究堆已基本建成。其中，中國工程物理研究院建成的中子衍射應力譜儀（見下圖）率先投入正常運行，其主要技術指標為：解析度為Δd/d = 0.18%，可用中子波長為0.89 Å - 2.82 Å，樣品台最大承重為500 kg，使用二維位置靈敏探測器（空間分辨為垂直1.72 mm，水平1.8 mm；靈敏區域為200 mm×200 mm）。除了面向工程部件殘餘應力的檢測，通過結合原位環境設備與測角儀等，這台譜儀還具有面向材料科學基礎研究的原位實驗能力與織構測量功能。目前，該譜儀已正常運行上千小時。
