殘余應力是材料在經(jīng)過焊接、鑄造、成型、機械加工或薄膜沉積等過程中殘留在材料中的內(nèi)應力。殘余應力分析對于了解這些內(nèi)應力如何影響部件的性能和使用壽命非常重要。此外，殘余應力分析還可以確定特定的材料特性和失效機制，從而用于構(gòu)件和零件的設(shè)計。

傳統(tǒng)上，殘余應力的測試只能在大型落地式衍射儀上進行，臺式衍射儀通常用于簡單的測試項目，比如物相分析。而D6 PHASER 是一款多功能臺式衍射儀，它不僅可以進行常規(guī)的粉末衍射分析，還可以進行薄膜測試（GID、XRR）、織構(gòu)和應力測試、對分布函數(shù)測試（PDF）、透射測試、高低溫原位測試等，非常適合用于現(xiàn)代材料研究表征。

在本報告中，我們將介紹如何通過D6 PHASER臺式衍射儀進行殘余應力分析。

1、測試樣品

本報告中，測試樣品為基底上采用不同工藝沉積生成的薄膜。其中，第1種薄膜樣品在氪氣氛中通過磁控濺射方法生成，第2種薄膜樣品在氬氣氛中通過 PVD方法生成。兩種薄膜的成分均為鎢，厚度約為200 nm。

2、測試參數(shù)

采用Cu靶測試，電壓和電流分別為40kV和30mA（1200W功率）。光路上，采用0.2 mm的發(fā)散狹縫和前后2.5度的索拉狹縫。探測器選擇高計數(shù)模式，開口為5度。選擇多功能通用樣品臺，可以實現(xiàn)樣品的傾斜和旋轉(zhuǎn)，如圖1所示。

▲圖1：多功能通用樣品臺

選擇鎢的高角度晶面進行殘余應力分析，因為高角度衍射峰對晶面間距的變化具有高靈敏度，這里選擇（321）晶面（131度附近，2θ）。采用同傾法測試，傾斜角（Psi）從 -45度 到 +45度  （共測試17個點），如圖2所示。

▲圖2：D6 PHASER殘余應力分析

3、殘余應力測試結(jié)果

3.1 無應力樣品

首先測試無應力樣品，來驗證X射線衍射儀的殘余應力測量性能是否合格。根據(jù) EN15305 標準，對于無應力鎢樣品，如果正應力的測量值小于+/-31 MPa （不確定度：+/-31 MPa），而且剪切應力的測量值小于+/-15.6 MPa（不確定度：+/-15.6 MPa），就認為衍射儀是合格的，可以進行殘余應力分析。

圖3給出了鎢粉末的殘余應力測試曲線及分析結(jié)果。經(jīng)分析可知，該樣品的正應力為 -9.1+/- 2.7 MPa，剪切應力為 -4.8 +/-0.5 MPa。無論正應力還是剪切應力，其測量值及不確定度，均在EN15305標準允許的范圍內(nèi)，因此可以說明D6 PHASER衍射儀進行殘余應力分析是合格的。

▲圖3：鎢粉末（無應力）的殘余應力測試曲線（左圖）及分析結(jié)果（右圖）

3.2 薄膜樣品

圖4給出了第1種薄膜樣品的殘余應力測試曲線及分析結(jié)果。經(jīng)分析可知，該樣品的正應力為 -1258.4+/- 26.4 MPa，剪切應力為 -8.1 +/-4.9 MPa?？梢钥闯?，在氪氣中磁控濺射生成的薄膜樣品中呈現(xiàn)很強的壓應力，將近1.3 GPa，然而剪切應力只有-8.1 MPa。

▲圖4：第1種薄膜樣品的殘余應力測試曲線（左圖）及分析結(jié)果（右圖）

圖5給出了第2種薄膜樣品的殘余應力測試曲線及分析結(jié)果。經(jīng)分析可知，該樣品的正應力為 -1998.8+/- 53.5 MPa，剪切應力為 -20.1 +/-10.0 MPa。相比氪氣中磁控濺射生成的鎢薄膜樣品，在氬氣氛中通過 PVD方法生成的鎢薄膜樣品中壓應力更大，達到了將近2.0 GPa，同時，剪切應力也有所提高。

▲圖5：第2種薄膜樣品的殘余應力測試曲線（左圖）及分析結(jié)果（右圖）

4、討論

以往的XRD殘余應力測試，只能在大型落地式衍射儀上進行；現(xiàn)在，借助多功能通用樣品臺，即使是臺式衍射儀，布魯克的D6 PHASER衍射儀也可以完成殘余應力測試。

此外，D6 PHASER還可以完成粉末測試、薄膜測試（GID和XRR）、織構(gòu)測試、對分布函數(shù)測試（PDF）、透射測試和高低溫原位測試等，后面我們會陸續(xù)介紹其相關(guān)應用。

對于常規(guī)粉末測試，因其半徑短，D6 PHASER的測試強度甚至高于大型落地式衍射儀，可以極大地提高測試速度；無論是產(chǎn)品質(zhì)量控制，還是實驗室材料研發(fā)，D6 PHASER衍射儀都能滿足您的需求。

D6 PHASER臺式衍射儀提供2種功率選擇（600W和1200W），即使1200W的功率，也不需要外接水冷機，靠內(nèi)部冷卻已經(jīng)可以滿足要求。