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

作者：Zhu Bin博士和Sui Tan博士

挑戰：聚變反應器接頭中的殘余應力
核聚變反應堆容器內部件的開發要求對其接頭進行精確的機械表征，例如激光焊接的 Eurofer97和P91，以及不同的Cu-W和Eurofer97-W接頭。盡管連接技術先進，但焊接過程中產生的殘余應力會顯著影響材料性能，甚至可能會導致過早失效。因此，準確評估窄熔合區（FZ）和熱影響區（HAZ）內的殘余應力分布仍然是一項重大挑戰。

Surrey大學，在Sui博士帶領下，率先為核聚變材料的結構完整性研究進行了殘余應力評估，特別是容器內熔融部件的金屬接頭。通過與英國原子能管理局（UKAEA）和國家物理實驗室（NPL）合作，Surrey大學已經研發了創新型實驗和建模方法，以了解連接引起的殘余應力如何降低機械性能并導致過早失效。
Zhu博士在建立多個熔接接頭殘余應力評估的新實驗能力方面做出了關鍵性貢獻，他在STFC的ISIS中子和μ子源使用中子衍射和成像，以及Surrey大學的等離子體聚焦離子束-數字圖像相關（PFIB-DIC）。

方法：高分辨率殘余應力測量

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

圖 1：使用 Xstress DR45 評估殘余應力分布的實驗裝置。

Xstress DR45測量結果與PFIB-DIC 和中子衍射的比較

使用非常小的準直器的測量時間為每點2分鐘。帶有XY工作臺的 Xstress DR45能夠對殘余應力分布進行高空間分辨率評估。Xstress DR45實現了殘余應力分布的評估，在FZ/HAZ界面附近觀察到峰值處的拉應力約為350MPa。使DR45獲得的殘余應力分布趨勢與PFIB-DIC的殘余應力分布趨勢密切相關。雖然 PFIB-DIC 技術為每個測量點提供了約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域內的整體殘余應力分布趨勢，展示了其在高度局部區域中測量應力的能力。

圖 2 Eurofer97的DR45-XRD 殘余應力測量結果，與PFIB-DIC [1] 和中子衍射 [2] 在0度方向上的相關性。
與中子衍射相比，Xstress DR45 在FZ 和HAZ 區域內提供了更詳細的殘余應力分布。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致激光焊接接頭不同區域內的應力值被平均化。相比之下，DR45實現了明顯更高的分辨率，可以識別原本會錯過的局部殘余應力變化。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驗進行了交叉驗證，證實了它與顯微硬度的比例關系。對于P91接頭，發現DR45 結果在兩個掃描方向上與PFIB-DIC 測量值一致 [4]，增強了其捕獲不同焊接配置中應力變化的可靠性。

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

結論：Xstress DR45作為一種高效的殘余應力分析工具

Xstress DR45 XRD系統提供了一種快速可靠的表面殘余應力檢測方法，使其成為在應用更復雜、更耗時的技術（如 PFIB-DIC）之前進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。它能夠在短時間內捕獲高分辨率殘余應力分布，使其成為評估和優化聚變反應堆組件的引人注目的選擇。

參考文獻

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