CaO－Al2O3－SiO2系统微晶玻璃残余应力的中子衍射测量方法

摘要

一种CaO－Al2O3－SiO2系统微晶玻璃残余应力中子衍射测定法。首先制备微晶玻璃；然后调整中子单色器，选取相应的单色中子；将中子束照射试样表面，探测器扫描衍射角2θ范围：10～75°；对主晶相β－硅灰石的晶面上的进行应变测量εij用各轴向的微应变计算得到平均应变结果为：ε=1/3(ε11+ε22+ε33)，对应的体积平均应变为△=1/V(∫εdV)，代入应力公式σ=E/3(1－2υ)Δ来计算，式中，E为杨氏模量，υ为泊松比，Δ为体积应变，即三轴向应变总和：Δ＝ea+eb+ec对于CaO－Al2O3－SiO2系统微晶玻璃，E＝70GPa，υ＝0.245，即可求得应力值σ；重复以上步骤，测试各种标准试样不同位置的残余应力，绘制出被测量构件的残余应力分布曲线。由于中子透射试样较大深度的特性，可以测得试样内部应力，而且适于大块试样进行测定。

说明书

技术领域

本发明涉及一种中子衍射测定微晶玻璃残余应力方法，特别涉及CaO-Al₂O₃-SiO₂系统微晶玻璃试样表面残余应力中子衍射测定方法。

背景技术

近年来，国内外对建筑装饰微晶玻璃，即以β-硅灰石为主要晶相(参见图1)的微晶玻璃(CaO-Al₂O₃-SiO₂系统)研究报导很多，其中对硅灰石晶体的析出过程研究较深入，不论从晶化机理探讨，还是从成分、工艺影响因素的研究，以至到晶化程度对微晶玻璃力学性能的研究都已深入到一定深度。随着CaO-Al₂O₃-SiO₂系统微晶玻璃产业的发展，在其工业生产中，存在难以解决的“变形”或“炸裂”等现象。这些问题的出现会大大降低产品的成品率，从而影响到企业的经济效益及行业的技术发展。另外，也会给用户的使用带来不安全的因素。究其产生原因，是由于微晶玻璃当中存在着较大的组织应力和热应力。有关微晶玻璃中的组织应力和热应力等科学问题是非常值得研究的。

目前在材料的内应力的研究方面，金属材料已经有了较深的研究，理论也比较完善。而无机非金属材料中的有关应力问题，有研究，但研究深度不够，如何准确、有效地检测出微晶玻璃中的应力是非常关键的。国内外在测试应力方面主要采用偏光仪、X射线应力测试仪、中子衍射应力仪、超声波应力测定仪等现在测试手段。

专利03155738.4介绍了X射线应力测试方法。而有关中子衍射法对无机非金属，特别是微晶玻璃这种非透明、多晶材料残余应力的测试还没有介绍。

普通X射线衍射法测试应力原理简单，射线来源方便经济，因此被广泛应用。但其射线的能量较低，穿透能力很弱，发现应力层厚度一般在10微米左右。由于中子能透射试样较大深度的特性，可以测得试样内部应力，而且适于大块试样进行测定，具有很大的优越性。因此，为了提高射线对试样的穿透深度，本发明提出中子衍射法测试应力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不损伤被测样品残余应力测量方法，即提供一种利用中子衍射法对CaO-Al₂O₃-SiO₂系统微晶玻璃内应力进行测试。

中子射线衍射法是一种无损性的测试方法，因此，对于测试脆性和不透明材料的残余应力是非常合适的方法。中子衍射法同X射线衍射法相似，也是测定材料晶格常数的变化来计算物体的应力状态，但中子的穿透性强，故可以测试大块块状样品的体应力分布。当波长为λ的中子流按某一角度辐照向材料表面时，若辐照区中米勒指数为hkl的晶面族间距D_hkl刚好为λ的整数倍，则反射的中子流便会发生相长干涉。这时在与入射中子流成角度ψ_hkl的探测器处会收到一个峰值信号。根据这些产生相长干涉的角度及波峰宽度，应用布拉格(Bragg)定律：2D_hklsinθ＝nλ，可以求出辐照区中某些晶面族的平均间距D_hkl。由于残余应力改变了材料的晶格常数，因而同一晶面族(hkl)的间距在无应力状态时，用中子衍射测出的间距会变成D_0hkl，所以辐照区中晶格的微应变可表示为e_hkl＝(D_hkl-D_0hkl)/D_0hkl。当晶体结构已知，如CaO-Al₂O₃-SiO₂系统微晶玻璃以β-硅灰石为主晶相，可以分析晶体的强度和位置，进而可以确定晶相的晶格常数。而平均微弹性应变为e_a＝(a-a₀)/a₀，a₀和a对应为标准晶格常数和应力作用下的微晶玻璃晶格常数。对于CaO-Al₂O₃-SiO₂系统微晶玻璃最终的应力值可以由公式： $>>\sigma >=>>E>>3>>(>1>->2>\upsilon >)>>>>\Delta >$>来计算。式中，E为杨氏模量，υ为泊松比，Δ为体积应变即三轴向应变总和：Δ＝e_a+e_b+e_c，进而得到微晶玻璃的应力状况。实现上述目的的技术方案是：

一种CaO-Al₂O₃-SiO₂系统微晶玻璃残余应力的测试方法，其特征在于所述的测试方法为中子衍射法，测试按如下步骤进行：

步骤1.CaO-Al₂O₃-SiO₂系统微晶玻璃的制备，按微晶玻璃成分重量百分比为SiO₂60～70％、Al₂O₃ 7～10％、CaO 18～20％、ZnO 5～7％、BaO 4～5％、Na₂O+K₂O 4～5％、B₂O₃ 1～3％和Sb₂O₃ 0.5～1％配制玻璃原料，搅拌混合均匀，经过熔制和晶化制得CaO-Al₂O₃-SiO₂系统微晶玻璃；

步骤2、借助于中子衍射仪，配套应力测试程序，调整中子单色器，选取相应的单色中子；

步骤3、将步骤1制得CaO-Al₂O₃-SiO₂系统微晶玻璃试样置于中子衍射仪的放测试试样处，对于大块样品则利用测角头选择测量区域及测量点，并用中子束入射所选样品区域；小块样品则将样品直接置于中子束中10×70毫米²面积内；

步骤4、将中子束照射试样表面，探测器扫描衍射角2θ范围：10～75°；

步骤5、对CaO-Al₂O₃-SiO₂系统微晶玻璃中不同含量主晶相β-硅灰石的晶面上的进行应变测量ε_ij，至少从六个方向检测；

步骤6、用步骤5测量的ε_ij各轴向的微应变计算得到平均应变结果为：

$>ver>>ver>>ϵ>‾>>=>>>>>>>1>3>>>(>>ϵ>11>>+>>ϵ>22>>+>>ϵ>33>>)>>,>$>对应的体积平均应变为：

$>>\Delta >=>>1>V>>>\int >V>ver>>ϵ>‾>>dV>,>$>式中；V为β-硅灰石晶体体积，ε₁₁、ε₂₂、ε₃₃分别为晶体三轴向的应变；

步骤7、代入应力公式 $>>\sigma >=>>E>>3>>(>1>->2>\upsilon >)>>>>\Delta >$>来计算，式中E为杨氏模量，υ为泊松比，

Δ为体积应变，即三轴向应变总和：Δ＝e_a+e_b+e_c对于CaO-Al₂O₃-SiO₂系统微晶玻璃，E＝70GPa，υ＝0.245，即可求得应力值σ；

步骤8、重复以上工作步骤，测试各种标准试样不同位置的残余应力，绘制出被测量构件的残余应力分布曲线

所述的CaO-Al₂O₃-SiO₂系统微晶玻璃的制备，是将玻璃原料充分搅拌混合均匀后，置于陶瓷坩埚内，放入硅钼炉中以3℃/分钟升到1450℃～1480℃保温≥2小时后，水淬成0.5～6毫米的玻璃颗粒，烘干备用。将玻璃料放入做好的模具中置入高温实验炉以3℃/分钟的升温速率从室温升到1120℃，保温≥2小时，使玻璃颗粒晶化摊平，经退火冷却至室温，制得微晶玻璃试样。

本发明提供的一种不损伤被测样品残余应力测量方法，尤其适用于不透明的无机非金属材料。

本发明采用中子衍射法对微晶玻璃进行应力测量。由于中子透射试样较大深度的特性，可以测得试样内部应力，而且适于大块试样进行测定，较普通X射线衍射法测试应力具有很大的优越性。

本发明采用的中子衍射仪为中国原子能科学研究院重水研究堆旁的二轴中子粉未衍射仪。

附图说明

图1是微晶玻璃试样的衍射图谱，主晶相为β-CaSiO₃。

图2为中子衍射仪应力测试示意图。

图中标号名称：1-反应堆，2-中子束，3-单色器，4-准直器，5-观测孔，6-试样，7-试样台，8-准直器，9-探测器。

具体实施方式

实施例1：按前述的方法制备CaO-Al₂O₃-SiO₂系统微晶玻璃。

将干燥的玻璃料放入做好的模具中置入高温实验炉以3℃/分钟的升温速率从室温升到1120℃，保温2小时，使玻璃颗粒晶化摊平，经退火冷却至室温，制得20毫米×20毫米×8mm毫米微晶玻璃试样。将试样分为两块：一块试样表面进行磨抛，一块试样表面保持原本自动摊平的状态。中子衍射测量在中国原子能科学研究院重水研究堆旁的二轴中子粉末衍射仪上进行。入射中子波长为0.1159纳米，散射角为25°～105°，步距0.1°，采用固定入射中子计数的方式记录4个探测器的衍射谱，每步监视器计数为10000，平均所用时间为2.75分钟。利用Rietveld峰形精修方法对每个探测器记录的中子衍射强度数据进行拟和。

将样品放入图2中的试样台上，中子束照射试样表面，探测器扫描衍射角2θ范围：10～75°；对β-硅灰石晶体的(234)晶面进行精测峰位，衍射角2θ接近69.6°。

测试应力状态下的晶面常数，计算各轴向微应变，得到平均应变结果为： $>ver>>ϵ>‾>>=>>1>3>>>(>>ϵ>11>>+>>ϵ>22>>+>>ϵ>33>>)>>.>$>对应的体积平均应变为 $>>\Delta >=>>1>V>>>\int >V>ver>>ϵ>‾>>dV>,>$>代入应力公式 $>>\sigma >=>>E>>3>>(>1>->2>\upsilon >)>>>>\Delta >,>$>取E＝70GPa，υ＝0.245，即可求得表面机械加工和表面未加工试样的应力值。

实施例2：按前述的方法制备CaO-Al₂O₃-SiO₂系统微晶玻璃。

将干燥的玻璃料放入做好的模具中置入高温实验炉以3℃/分钟的升温速率从室温升到1120℃，保温2小时，使玻璃颗粒晶化摊平，设置不同的退火速率。制备不同退火制度的试样进行应力测试。测试应力状态下的晶面常数，计算各轴向微应变，得到平均应变结果为： $>ver>>ϵ>‾>>=>>1>3>>>(>>ϵ>11>>+>>ϵ>22>>+>>ϵ>33>>)>>.>$>对应的体积平均应变为 $>>\Delta >=>>1>V>>>\int >V>ver>>ϵ>‾>>dV>,>$>代入应力公式 $>>\sigma >=>>E>>3>>(>1>->2>\upsilon >)>>>>\Delta >,>$>即可求得不同退火速率下制得的微晶玻璃应力。

实施例3：按前述的方法制备CaO-Al₂O₃-SiO₂系统微晶玻璃。改变微晶玻璃的CaO、Al₂O₃的含量制备不同氧化物的微晶玻璃试样。测试应力状态下的晶面常数，计算各轴向微应变，得到平均应变结果为： $>ver>>ϵ>‾>>=>>1>3>>>(>>ϵ>11>>+>>ϵ>22>>+>>ϵ>33>>)>>.>$>对应的体积平均应变为 $>>\Delta >=>>1>V>>>\int >V>ver>>ϵ>‾>>dV>,>$>代入应力公式 $>>\sigma >=>>E>>3>>(>1>->2>\upsilon >)>>>>\Delta >,>$>即可求得不同氧化物含量的微晶玻璃应力值。