金属材料加工后xrd残余应力测试样品制备规范与流程

金属材料加工后（如焊接、冷加工、热处理等）的残余应力直接影响其疲劳寿命、抗腐蚀性能与尺寸稳定性，而X射线衍射（XRD）是定量测试残余应力的主流方法。然而，XRD测试的准确性高度依赖样品制备——表面变形层、定位偏差或二次应力引入，都可能导致结果偏离真实值。本文聚焦金属材料加工后XRD残余应力测试的样品制备规范，从信息采集、位置选取到表面处理、固定清洁，拆解每一步的操作细节与注意事项，为精准获取残余应力数据提供可落地的流程指导。

样品制备前的信息采集与规划

样品制备的第一步是收集原始材料与加工信息，这是确定制备策略的基础。需获取的信息包括：材料牌号（如Q235钢、6061铝合金）、化学成分（重点关注碳、合金元素含量，如不锈钢中的Cr、Ni）、加工工艺类型（焊接、冷轧、淬火等）及关键参数（如焊接电流、轧制压下量、淬火温度）。例如，焊接件需明确焊缝类型（对接、角接）与热输入量，这决定了热影响区的范围与残余应力分布；冷加工件需记录变形量，因为变形越大，表面变形层越厚。

此外，还需明确测试需求：是测试整体平均应力还是局部区域（如焊缝中心、热影响区）的应力？是单一方向（如纵向）还是多方向（纵向、横向、法线方向）的应力？这些信息会直接影响样品的选取位置与尺寸——比如测试局部应力时，样品需精准切取对应区域，避免包含无关部位；测试多方向应力时，样品需保留不同取向的截面。

最后，需确认XRD仪器的参数：样品台尺寸（如直径20mm、方形15×15mm）、测角仪的最小样品厚度要求（如≥3mm），确保制备的样品能适配仪器，避免因尺寸不符重新加工。

样品选取的位置与尺寸规范

样品位置的选取需紧扣“代表性”原则。对于焊接件，需选取三个关键区域：焊缝中心（残余应力最高的区域）、热影响区（距离焊缝边缘2-5mm处，应力梯度大）、母材区（作为参考）；每个区域需切取至少3个平行样品，以减少测试误差。对于冷加工件（如冷轧板），需沿轧制方向（RD）、横向（TD）与法线方向（ND）选取样品，因为不同方向的残余应力差异显著——比如冷轧板的纵向残余应力通常为拉应力，横向为压应力。

样品尺寸需满足“适配仪器+避免变形”的要求。常规XRD样品的尺寸建议为：长度/宽度10-15mm，厚度3-5mm。厚度过薄（＜3mm）会导致样品在固定时弯曲，引入额外应力；过厚（＞5mm）则可能超出样品台的承载范围。例如，对于直径20mm的圆形样品台，方形样品的边长不应超过15mm，确保样品能完全放置在台面上且不超出测角仪的扫描范围。

切割样品时需注意：使用线切割或电火花切割（而非砂轮切割），因为砂轮切割会产生大量热量，导致样品表面形成新的变形层；切割后需用砂纸打磨切割面的毛刺，但不要过度打磨，避免破坏测试区域。

表面机械处理的操作要点

表面机械处理的核心是去除加工毛刺与粗划痕，为后续化学腐蚀做准备。操作步骤需遵循“从粗到细”的原则：首先用180#砂纸打磨样品测试面，去除切割留下的毛刺与氧化皮；然后依次更换400#、800#、1200#砂纸，每换一次砂纸，打磨方向旋转90度（如第一次沿纵向，第二次沿横向），这样可以有效去除前一道砂纸的划痕。

打磨时的力度控制至关重要：需用手轻压样品（压力约1-2N），或使用低速打磨机（转速≤300r/min），避免因压力过大或转速过快产生热量——热量会导致样品表面退火，改变残余应力状态。例如，打磨不锈钢时，若转速超过500r/min，表面温度可能升至100℃以上，导致表层残余应力释放。

打磨后的表面需用金相显微镜检查：放大500倍后，若看不到明显的划痕（划痕宽度≤1μm），则进入抛光步骤。抛光使用金刚石抛光剂，粒度从6μm逐渐降至1μm（顺序为6μm→3μm→1μm），抛光时需保持样品湿润（用抛光液或水冷却），抛光时间约5-10分钟，直至表面呈镜面状态（无肉眼可见的划痕）。

化学腐蚀去除变形层的控制

机械打磨会在样品表面形成一层“变形层”（厚度通常为5-50μm），这层材料的晶体结构被破坏，会干扰XRD的衍射信号，必须通过化学腐蚀去除。腐蚀剂的选择需根据材料类型调整：低碳钢用3%硝酸酒精溶液（硝酸3ml+无水乙醇97ml），高碳钢或合金钢用5%硝酸酒精；铝合金用凯勒试剂（蒸馏水100ml+硝酸6ml+盐酸3ml+氢氟酸2ml）；钛合金用Kroll试剂（硝酸3ml+氢氟酸1ml+蒸馏水100ml）。

腐蚀时间的控制是关键：需根据变形层厚度调整，一般为10-30秒（钢铁）或5-15秒（铝合金、钛合金）。可通过“显微硬度法”验证变形层是否去除：打磨后的表面显微硬度（HV）比基体高20%-50%，腐蚀后硬度降至基体水平（误差≤5%），说明变形层已去除。例如，Q235钢的基体硬度约180HV，打磨后表面硬度约250HV，腐蚀15秒后硬度降至185HV，符合要求。

腐蚀后的操作：立即用清水冲洗样品（避免腐蚀剂残留），然后浸入无水乙醇中脱水（时间1-2分钟），最后用氮气吹干或放在40℃干燥箱中烘干。需注意：腐蚀时间过长会导致表面粗糙（如铝合金腐蚀超过20秒会出现点状坑洞），反而影响XRD信号的强度与峰型。

样品固定与定位的关键要求

样品固定的目的是确保测试面与测角仪的中心重合，避免位移导致峰位偏移。常用的固定方法有两种：导电胶固定适用于大多数金属材料，将导电胶均匀涂在样品台表面，然后将样品测试面朝下按压在胶上，确保样品与样品台紧密贴合（间隙≤0.05mm）；夹具固定适用于较大或较厚的样品（如厚度＞5mm），使用金属夹具（如不锈钢压板）将样品固定在样品台上，夹具的压力需适中（约5-10N），避免压力过大导致样品变形。

导电胶的使用需注意：厚度不宜过厚（≤0.1mm），否则会导致样品倾斜；固定后需等待5-10分钟，让导电胶固化，避免测试时样品移动。夹具固定的案例：固定淬火钢样品时，若压力超过15N，可能会在样品表面产生压应力，影响测试结果。

定位的准确性需用仪器的“定位装置”验证：将样品放在样品台上后，用激光定位仪或千分尺测量样品中心与测角仪中心的偏差，偏差需≤0.1mm。若偏差过大，需调整样品位置，直至符合要求——例如，若样品中心偏右0.2mm，需向左移动样品0.2mm，确保衍射X射线能准确照射到测试区域。

清洁步骤的细节把控

清洁的目的是去除表面的抛光剂残留、腐蚀产物或灰尘，避免这些杂质产生杂峰，影响XRD数据的准确性。清洁步骤如下：首先进行超声清洗，将样品放入盛有无水乙醇的烧杯中，超声频率40kHz，时间5-10分钟；然后用无水乙醇冲洗样品表面（从上方缓慢倾倒），去除超声清洗后的残留杂质；最后用氮气枪（压力0.1-0.2MPa）从下往上吹干样品，或放在60℃干燥箱中烘干10-15分钟。

超声清洗的注意事项：时间不宜过长（＞10分钟），否则会导致样品表面的氧化膜脱落；温度需控制在25℃以下，避免乙醇挥发过快（乙醇的沸点为78℃，高温会导致乙醇汽化，带出样品表面的杂质）。干燥后的样品需立即测试：若放置时间超过1小时，钢铁样品表面会形成一层薄氧化膜（厚度约1-2μm），铝合金样品会形成氧化膜（厚度约0.1μm），这些氧化膜会吸收X射线，导致衍射峰强度降低。

避免二次应力引入的注意事项

二次应力（制备过程中引入的额外应力）是样品制备的“隐形杀手”，需从以下环节控制：机械处理时，打磨避免用力过猛，抛光保持低速（≤200r/min）与冷却（用抛光液喷洒），防止表面温度升高；化学腐蚀时，避免过腐蚀（如腐蚀时间超过30秒），过腐蚀会导致表面粗糙，形成“应力集中点”；固定时，导电胶固化前不要移动样品，夹具压力不超过10N；搬运时，轻拿轻放，避免样品碰撞（如掉落地面），碰撞会导致样品内部产生冲击应力；存储时，清洁后的样品需放在干燥器中（内放硅胶干燥剂），避免潮湿环境导致表面腐蚀（腐蚀会产生体积膨胀，引入应力）。

典型案例：某冷轧板样品在打磨时用力过大（压力约5N），导致表面变形层厚度增加到80μm，化学腐蚀20秒后仍有30μm变形层残留，最终XRD测试的残余应力比真实值高30%——这就是二次应力引入的后果。

不同加工工艺的特殊制备要求

不同加工工艺的金属材料，残余应力的分布特征不同，样品制备需针对性调整：焊接件需切取焊缝的横截面（垂直于焊缝方向），保留焊缝的完整形貌（如焊缝宽度、余高），避免切割时破坏焊缝结构；冷加工件（如冷轧板、冷拔丝）需测试轧制方向（RD）、横向（TD）与法线方向（ND）的应力，样品需切成不同的取向——测试RD方向时，样品长度与轧制方向平行；测试TD方向时，长度与轧制方向垂直。

热处理件（如淬火钢、回火钢）需测试淬硬层的应力，样品需磨到淬硬层深度（通常2-5mm），去除表面的氧化皮（氧化皮厚度约0.5-1mm）；若淬硬层较薄（＜2mm），需用更细的砂纸（如2000#）打磨，避免磨穿淬硬层。锻造件需测试锻造流线方向的应力，样品取向与流线平行（通过金相显微镜观察流线方向）；锻造件表面有较厚的氧化皮（约1-2mm），需用砂轮先打磨去除，再进行后续处理。