中子衍射同步检测织构和应力的方法和系统

1.本发明涉及中子衍射技术领域，具体地，涉及一种中子衍射同步检测织构和应力的方法和系统。


背景技术：

2.材料内部的三维内应力场对材料微观结构(如织构)的演化存在一定影响，而织构又会对材料内部的三维内应力场有所影响，因而研究织构-应力之间的相互作用对优化材料性能具有重要作用。但基于中子衍射技术测量织构和材料内部的三维应力场一般是独立进行的，受到测试方法的限制，较难实现二者的同步测量。
3.现有技术中(2002年4月的期刊acta materialia第1717-1734页公开了应变取向分布函数法；2010年1月的期刊acta materialia第499-509页公开了晶粒取向法；申请号为201710701324.1的中国专利，公开了一种原位中子衍射应力及织构复合测试方法)的晶粒取向法可实现材料中不同织构分量的三维内应力场的检测和分析，但无法获取织构信息，需要再行检测织构；应变取向分布函数法可实现应变和织构的同步测量和分析，该方法利用球谐函数分析极图得到应变取向分布函数或应变极图，测试工作量大且数据分析复杂，难以应用在原位中子衍射实验中；应力及织构复合测试方法公开了一种可实现原位中子衍射实验和织构检测同步进行的机械装置，但没有报道应力-织构同步测试的方法。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种中子衍射同步检测织构和应力的方法和系统。
5.根据本发明提供的中子衍射同步检测织构和应力的方法，包括：
6.步骤1：判定待测材料为单相或多相，获取各相的晶体结构类型和中子衍射检测织构所需极图数目及晶面；
7.步骤2：进行中子衍射检测，得到材料织构信息；
8.步骤3：获取待测织构分量及待测晶面，计算待测织构分量的待测晶面在对应晶面极图中的具体位置；
9.步骤4：获取检测织构的晶面极图{hkl}、极图扫描范围(x,φ)及扫描步长(θ,η)；
10.步骤5：进行中子衍射数据采集，若开展原位中子衍射实验，待原位加载条件达到设定值后再进行中子衍射数据采集；
11.步骤6：计算材料不同织构分量的三维内应力场；
12.步骤7：将得到的中子衍射数据投影至{hkl}晶面极图，并利用晶体结构的对称性及数学过程将其补全为完整的{hkl}晶面极图。
13.优选的，所述步骤3包括：
14.步骤3.1：根据材料织构信息，选取待测织构分量{abc}《uvw》；
15.步骤3.2：根据待测织构分量及其晶体结构，确定待测织构分量的待测晶面族
{hkl}及晶面(hkl)，检测织构分量的三维内应力场；
16.步骤3.3：根据待测织构分量的待测晶面(hkl)，计算待测晶面在对应晶面极图中的位置将待测晶面(hkl)的法向n与轧制面的法向nd的夹角定为χ，晶面法向n在td-rd平面内的投影与轧制方向rd的夹角定为角，其中织构分量{abc}《uvw》的(abc)面朝向nd，(uvw)朝向rd，因此夹角χ用方向n与(abc)方向的夹角表示，为夹角用方向n在垂直于(abc)方向的平面上的投影与方向(uvw)的夹角表示，为由此确定待测织构分量{abc}《uvw》的待测晶面(hkl)在对应晶面极图中的具体位置
17.优选的，所述步骤4包括：
18.步骤4.1：选取多个晶面族的极图并进行检测，得到部分{hkl}晶面极图；
19.步骤4.2：利用待测织构分量的晶体结构类型的对称性，将中子衍射检测得到的部分{hkl}晶面极图补全为一幅完整的晶面极图，计算所需最小(x,φ)角扫描范围；
20.步骤4.3：根据最小(x,φ)角扫描范围以及待测织构分量{abc}《uvw》的待测晶面(hkl)在{hkl}晶面极图中的具体位置确定满足同时检测织构和不同织构分量的三维内应力场要求的(x,φ)角扫描范围的最小并集；扫描步长(θ,η)根据点的具体位置和密度而定。
21.优选的，所述步骤5包括：
22.步骤5.1：根据待测织构分量{abc}《uvw》的待测晶面族{hkl}的晶面间距d
hkl
和入射中子波长λ，利用布拉格衍射定律2dsinθ
hkl
＝nλ计算得到衍射角2θ
hkl
，移动探测器到指定的2θ
hkl
角；
23.步骤5.2：根据(x,φ)角扫描范围的最小并集和扫描步长(θ,η)，转动欧拉环，依据信噪比要求设置测量时长或中子计数，检测中子衍射信号。
24.优选的，所述步骤6包括：
25.步骤6.1：计算晶体坐标系下织构分量的三维内应力场；
26.选取待测织构分量{abc}《uvw》的待测晶面(hkl)的衍射数据，进行拟合得到衍射角2θ
hkl
，根据衍射角的变化求得该晶面的应变ε
hkl
：
[0027][0028]
织构分量的三维内应力场用二阶应力张量表示：
[0029][0030]
(hkl)晶面应变与织构分量的三维应力场具有以下关系：
[0031][0032]
x、y、z分别为(hkl)晶面法向与坐标轴三个单位向量的夹角的余弦值，将检测得到
的相应织构分量的(hkl)晶面应变ε
hkl
，根据式(3)建立六元一次线性方程，采用多元线性回归方法得到六个应变张量分量的最小二乘解，应变张量的解为：
[0033]
ε＝(m
t
m)-1mt
b#(4)
[0034]
其中，
[0035][0036]
b＝(ε
hkl,1
,ε
hkl,2
,
…
,ε
hkl,p
,
…
,ε
hkl,q
)
[0037]
通过应力与应变的本构关系，计算得到二阶应力张量：
[0038][0039]
其中，为材料的刚度系数矩阵；
[0040]
步骤6.2：将晶体坐标系的二阶应力张量转换至样品坐标系；
[0041]
将晶体坐标系{c}中求得的二阶应力张量σc转化至样品坐标系{s}：
[0042]
σs＝gσcg
t
[0043]
其中，转换矩阵g为：
[0044][0045]
其中，由此得到样品坐标系下织构分量的二阶应力张量，即织构分量三维内应力场。
[0046]
根据本发明提供的中子衍射同步检测织构和应力的系统，包括：
[0047]
模块m1：判定待测材料为单相或多相，获取各相的晶体结构类型和中子衍射检测织构所需极图数目及晶面；
[0048]
模块m2：进行中子衍射检测，得到材料织构信息；
[0049]
模块m3：获取待测织构分量及待测晶面，计算待测织构分量的待测晶面在对应晶面极图中的具体位置；
[0050]
模块m4：获取检测织构的晶面极图{hkl}、极图扫描范围(x,φ)及扫描步长(θ,η)；
[0051]
模块m5：进行中子衍射数据采集，若开展原位中子衍射实验，待原位加载条件达到设定值后再进行中子衍射数据采集；
[0052]
模块m6：计算材料不同织构分量的三维内应力场；
[0053]
模块m7：将得到的中子衍射数据投影至{hkl}晶面极图，并利用晶体结构的对称性
及数学过程将其补全为完整的{hkl}晶面极图。
[0054]
优选的，所述模块m3包括：
[0055]
模块m3.1：根据材料织构信息，选取待测织构分量{abc}《uvw》；
[0056]
模块m3.2：根据待测织构分量及其晶体结构，确定待测织构分量的待测晶面族{hkl}及晶面(hkl)，检测织构分量的三维内应力场；
[0057]
模块m3.3：根据待测织构分量的待测晶面(hkl)，计算待测晶面在对应晶面极图中的位置将待测晶面(hkl)的法向n与轧制面的法向nd的夹角定为χ，晶面法向n在td-rd平面内的投影与轧制方向rd的夹角定为角，其中织构分量{abc}《uvw》的(abc)面朝向nd，(uvw)朝向rd，因此夹角χ用方向n与(abc)方向的夹角表示，为夹角用方向n在垂直于(abc)方向的平面上的投影与方向(uvw)的夹角表示，为由此确定待测织构分量{abc}《uvw》的待测晶面(hkl)在对应晶面极图中的具体位置
[0058]
优选的，所述模块m4包括：
[0059]
模块m4.1：选取多个晶面族的极图并进行检测，得到部分{hkl}晶面极图；
[0060]
模块m4.2：利用待测织构分量的晶体结构类型的对称性，将中子衍射检测得到的部分{hkl}晶面极图补全为一幅完整的晶面极图，计算所需最小(x,φ)角扫描范围；
[0061]
模块m4.3：根据最小(x,φ)角扫描范围以及待测织构分量{abc}《uvw》的待测晶面(hkl)在{hkl}晶面极图中的具体位置确定满足同时检测织构和不同织构分量的三维内应力场要求的(x,φ)角扫描范围的最小并集；扫描步长(θ,η)根据点的具体位置和密度而定。
[0062]
优选的，所述模块m5包括：
[0063]
模块m5.1：根据待测织构分量{abc}《uvw》的待测晶面族{hkl}的晶面间距d
hkl
和入射中子波长λ，利用布拉格衍射定律2dsinθ
hkl
＝nλ计算得到衍射角2θ
hkl
，移动探测器到指定的2θ
hkl
角；
[0064]
模块m5.2：根据(x,φ)角扫描范围的最小并集和扫描步长(θ,η)，转动欧拉环，依据信噪比要求设置测量时长或中子计数，检测中子衍射信号。
[0065]
优选的，所模块m6包括：
[0066]
模块m6.1：计算晶体坐标系下织构分量的三维内应力场；
[0067]
选取待测织构分量{abc}《uvw》的待测晶面(hkl)的衍射数据，进行拟合得到衍射角2θ
hkl
，根据衍射角的变化求得该晶面的应变ε
hkl
：
[0068][0069]
织构分量的三维内应力场用二阶应力张量表示：
[0070][0071]
(hkl)晶面应变与织构分量的三维应力场具有以下关系：
[0072][0073]
x、y、z分别为(hkl)晶面法向与坐标轴三个单位向量的夹角的余弦值，将检测得到的相应织构分量的(hkl)晶面应变ε
hkl
，根据式(3)建立六元一次线性方程，采用多元线性回归方法得到六个应变张量分量的最小二乘解，应变张量的解为：
[0074]
ε＝(m
t
m)-1mt
b#(4)
[0075]
其中，
[0076][0077]
b＝(ε
hkl,1
,ε
hkl,2
,
…
,ε
hkl,p
,
…
,ε
hkl,q
)
[0078]
通过应力与应变的本构关系，计算得到二阶应力张量：
[0079][0080]
其中，为材料的刚度系数矩阵；
[0081]
模块m6.2：将晶体坐标系的二阶应力张量转换至样品坐标系；
[0082]
将晶体坐标系{c}中求得的二阶应力张量σc转化至样品坐标系{s}：
[0083]
σs＝gσcg
t
[0084]
其中，转换矩阵g为：
[0085][0086]
其中，由此得到样品坐标系下织构分量的二阶应力张量，即织构分量三维内应力场。
[0087]
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0088]
(1)本发明通过将晶粒取向法和织构检测方法相结合，通过分析织构检测和不同织构分量的三维内应力场检测所要扫描的极图范围，基于中子衍射技术获取该极图范围内
的中子衍射数据，可从中子衍射数据中分析织构和三维内应力场，进而实现织构-应力的同步检测；
[0089]
(2)本发明通过分析满足织构检测和不同织构分量的三维内应力场检测所要扫描的极图范围的最小并集，较大程度降低了织构-应力同步检测的工作量，提高了织构-应力同步检测效率，为开展织构-应力相互作用的原位中子衍射研究提供了方法。
附图说明
[0090]
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0091]
图1为待测织构分量的待测晶面以及织构测量点在极图上的位置；
[0092]
图2为中子衍射同步测试织构和应力流程图。
具体实施方式
[0093]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0094]
实施例1：
[0095]
本发明开发了一种利用中子衍射技术同步检测材料织构及不同织构分量的三维内应力场的方法。该方法结合织构分析方法和晶粒取向法，分析三维内应力场和由部分极图补全完整极图所要求检测的极图扫描范围的最小并集，利用中子衍射技术获取最小并集的衍射数据，进而实现织构和不同织构分量的三维内应力场的同步检测。
[0096]
本发明结合晶粒取向法和织构分析方法，开发了织构和不同织构分量三维内应力场的中子衍射同步检测方法。具体检测方法如下：
[0097]
步骤1：确定待测材料的组成相及其晶体结构类型。确定待测材料为单相或多相材料及各相的晶体结构类型，进而确定中子衍射检测织构所需极图数目及晶面。
[0098]
步骤2：中子衍射检测材料织构。材料不同织构分量的三维内应力场的实验方案设计依托于待测材料的织构信息，可根据国家标准《无损检测材料织构的中子检测方法》(gb/t 40307-2021)检测材料的织构。
[0099]
步骤3：确定待测织构分量及待测晶面，计算待测织构分量的待测晶面在对应晶面极图中的具体位置。
[0100]
步骤3.1：根据步骤2所得到的材料的织构信息，选取待测织构分量{abc}《uvw》。所选取的待测织构分量{abc}《uvw》的体积分数总和应可代表或接近材料的总体积。
[0101]
步骤3.2：根据步骤3.1所确定的待测织构分量及其晶体结构，确定待测织构分量的待测晶面族{hkl}及晶面(hkl)。检测织构分量的三维内应力场，需检测其q(q≥10)个线性无关晶面的应变，所选取的晶面应满足其晶面指数尽可能小、结构因子|f
hkl
|2不为零以及晶面之间线性无关的条件。
[0102]
步骤3.3：根据步骤3.2所确定的待测织构分量的待测晶面(hkl)，计算待测晶面在对应晶面极图中的位置将待测晶面(hkl)的法向n与nd方向的夹角定为χ，晶面法向n
在td-rd平面内的投影与rd方向的夹角定为角。已知织构分量{abc}《uvw》的(abc)面朝向nd，(uvw)朝向rd，因此夹角χ可用方向n与(abc)方向的夹角表示，即为夹角可用方向n在垂直于(abc)方向的平面上的投影与方向(uvw)的夹角表示，即为由此可确定待测织构分量{abc}《uvw》的待测晶面(hkl)在对应晶面极图中的具体位置
[0103]
步骤4：确定检测织构的晶面极图{hkl}，极图的(x,φ)扫描范围及扫描步长(θ,η)。
[0104]
步骤4.1：检测织构的{hkl}晶面极图应涵盖步骤3.2所确定的待测晶面族{hkl}。如f.c.c晶体结构的材料，需检测3到4幅(hkl)晶面极图，而检测三维内应力场常选用{111}、{200}，{220}以及{311}晶面族的晶面。因此，可选择检测上述3到4个晶面族的极图。
[0105]
步骤4.2：计算由部分极图补全为一幅完整{hkl}晶面极图所需检测的最小(x,φ)角范围。利用待测织构分量的晶体结构类型的对称性等，将中子衍射检测得到的部分{hkl}晶面极图补全为一幅完整的晶面极图，计算所需最小(x,φ)角扫描范围。
[0106]
步骤4.3：根据步骤4.2所确定的(x,φ)角扫描范围以及步骤3.3所确定的待测织构分量{abc}《uvw》的待测晶面(hkl)在{hkl}晶面极图中的具体位置如图1所示处于(x,φ)角扫描范围外(
“●”
)、扫描结点(
“◆”
)以及非扫描结点(
“■”
)上的点，确定满足同时检测织构和不同织构分量的三维内应力场要求的(x,φ)角扫描范围的最小并集。扫描步长(θ,η)根据点的具体位置和密度而定。
[0107]
步骤5：中子衍射数据采集。
[0108]
步骤5.1：根据步骤3.2所确定的待测织构分量{abc}《uvw》的待测晶面族{hkl}的晶面间距d
hkl
和入射中子波长λ，利用布拉格衍射定律2dsinθ
hkl
＝nλ计算得到衍射角2θ
hkl
，移动探测器到指定的2θ
hkl
角。
[0109]
步骤5.2：根据步骤4.3所确定的(x,φ)角扫描范围的最小并集和扫描步长(θ,η)，转动欧拉环，依据信噪比要求设置测量时长或中子计数，检测中子衍射信号。
[0110]
步骤6：重复步骤5。若开展原位中子衍射实验，待原位加载条件达到设定值，重复步骤5。
[0111]
步骤7：计算材料不同织构分量的三维内应力场。
[0112]
步骤7.1：计算晶体坐标系下织构分量的三维内应力场。
[0113]
选取根据步骤3.3所确定的待测织构分量{abc}《uvw》的待测晶面(hkl)的衍射数据，进行拟合得到衍射角2θ
hkl
，根据衍射角的变化求得该晶面的应变ε
hkl
：
[0114][0115]
织构分量的三维内应力场可用二阶应力张量表示：
[0116][0117]
(hkl)晶面应变与织构分量的三维应力场具有以下关系：
[0118][0119]
x，y，z分别为(hkl)晶面法向与坐标轴三个单位向量的夹角的余弦值。将步骤5、6检测得到的相应织构分量的(hkl)晶面应变ε
hkl
，根据式(3)建立q个六元一次线性方程，该方程为超定方程，不具有解析解，采用多元线性回归方法得到六个应变张量分量的最小二乘解。应变张量的解为：
[0120]
ε＝(m
t
m)-1mt
b#(4)
[0121]
其中，
[0122][0123]
b＝(ε
hkl,1
,ε
hkl,2
,
…
,ε
hkl,p
,
…
,ε
hkl,q
)
[0124]
通过应力与应变的本构关系，计算得到二阶应力张量：
[0125][0126]
其中，为材料的刚度系数矩阵。
[0127]
步骤7.2：将晶体坐标系的二阶应力张量转换至样品坐标系。
[0128]
将晶体坐标系{c}中求得的二阶应力张量σc转化至样品坐标系{s}：
[0129]
σs＝gσcg
t
[0130]
其中，转换矩阵g为：
[0131][0132]
其中，a、b、c、u、v、w为矩阵参数。由此得到样品坐标系下织构分量的二阶应力张量，即织构分量三维内应力场。
[0133]
步骤8：计算极图并分析织构。将步骤5、6所得到的中子衍射数据，投影至{hkl}晶面极图并得到部分极图，利用晶体结构的对称性及数学过程将其补全为完整的{hkl}晶面极图。
[0134]
实施例2：
[0135]
本发明还提供一种中子衍射同步检测织构和应力的系统，所述中子衍射同步检测织构和应力的系统可以通过执行所述中子衍射同步检测织构和应力的方法的流程步骤予以实现，即本领域技术人员可以将所述中子衍射同步检测织构和应力的方法理解为所述中子衍射同步检测织构和应力的系统的优选实施方式。
[0136]
根据本发明提供的中子衍射同步检测织构和应力的系统，包括：模块m1：判定待测材料为单相或多相，获取各相的晶体结构类型和中子衍射检测织构所需极图数目及晶面；模块m2：进行中子衍射检测，得到材料织构信息；模块m3：获取待测织构分量及待测晶面，计算待测织构分量的待测晶面在对应晶面极图中的具体位置；模块m4：获取检测织构的晶面极图{hkl}、极图扫描范围(x,φ)及扫描步长(θ,η)；模块m5：进行中子衍射数据采集，若开展原位中子衍射实验，待原位加载条件达到设定值后再进行中子衍射数据采集；模块m6：计算材料不同织构分量的三维内应力场；模块m7：将得到的中子衍射数据投影至{hkl}晶面极图，并利用晶体结构的对称性及数学过程将其补全为完整的{hkl}晶面极图。
[0137]
所述模块m3包括：模块m3.1：根据材料织构信息，选取待测织构分量{abc}《uvw》；模块m3.2：根据待测织构分量及其晶体结构，确定待测织构分量的待测晶面族{hkl}及晶面(hkl)，检测织构分量的三维内应力场；模块m3.3：根据待测织构分量的待测晶面(hkl)，计算待测晶面在对应晶面极图中的位置将待测晶面(hkl)的法向n与轧制面的法向nd的夹角定为χ，晶面法向n在td-rd平面内的投影与轧制方向rd的夹角定为角，其中织构分量{abc}《uvw》的(abc)面朝向nd，(uvw)朝向rd，因此夹角χ用方向n与(abc)方向的夹角表示，为夹角用方向n在垂直于(abc)方向的平面上的投影与方向(uvw)的夹角表示，为由此确定待测织构分量{abc}《uvw》的待测晶面(hkl)在对应晶面极图中的具体位置
[0138]
所述模块m4包括：模块m4.1：选取多个晶面族的极图并进行检测，得到部分{hkl}晶面极图；模块m4.2：利用待测织构分量的晶体结构类型的对称性，将中子衍射检测得到的部分{hkl}晶面极图补全为一幅完整的晶面极图，计算所需最小(x,φ)角扫描范围；模块m4.3：根据最小(x,φ)角扫描范围以及待测织构分量{abc}《uvw》的待测晶面(hkl)在{hkl}晶面极图中的具体位置确定满足同时检测织构和不同织构分量的三维内应力场要求的(x,φ)角扫描范围的最小并集；扫描步长(θ,η)根据点的具体位置和密度而定。
[0139]
所述模块m5包括：模块m5.1：根据待测织构分量{abc}《uvw》的待测晶面族{hkl}的晶面间距d
hkl
和入射中子波长λ，利用布拉格衍射定律2dsinθ
hkl
＝nλ计算得到衍射角2θ
hkl
，移动探测器到指定的2θ
hkl
角；模块m5.2：根据(x,φ)角扫描范围的最小并集和扫描步长(θ,η)，转动欧拉环，依据信噪比要求设置测量时长或中子计数，检测中子衍射信号。
[0140]
所模块m6包括：模块m6.1：计算晶体坐标系下织构分量的三维内应力场；选取待测织构分量{abc}《uvw》的待测晶面(hkl)的衍射数据，进行拟合得到衍射角2θ
hkl
，根据衍射角的变化求得该晶面的应变ε
hkl
：
[0141]
[0142]
织构分量的三维内应力场用二阶应力张量表示：
[0143][0144]
(hkl)晶面应变与织构分量的三维应力场具有以下关系：
[0145][0146]
x、y、z分别为(hkl)晶面法向与坐标轴三个单位向量的夹角的余弦值，将检测得到的相应织构分量的(hkl)晶面应变ε
hkl
，根据式(3)建立六元一次线性方程，采用多元线性回归方法得到六个应变张量分量的最小二乘解，应变张量的解为：
[0147]
ε＝(m
t
m)-1mt
b#(4)
[0148]
其中，
[0149][0150]
b＝(ε
hkl,1
,ε
hkl,2
,
…
,ε
hkl,p
,
…
,ε
hkl,q
)
[0151]
通过应力与应变的本构关系，计算得到二阶应力张量：
[0152][0153]
其中，为材料的刚度系数矩阵；
[0154]
模块m6.2：将晶体坐标系的二阶应力张量转换至样品坐标系；
[0155]
将晶体坐标系{c}中求得的二阶应力张量σc转化至样品坐标系{s}：
[0156]
σs＝gσcg
t
[0157]
其中，转换矩阵g为：
[0158][0159]
其中，由此得到样品坐标系下织构分量的二阶应力张量，即织构分量三维内应力场。
[0160]
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的
系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
[0161]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

技术特征：
1.一种中子衍射同步检测织构和应力的方法，其特征在于，包括：步骤1：判定待测材料为单相或多相，获取各相的晶体结构类型和中子衍射检测织构所需极图数目及晶面；步骤2：进行中子衍射检测，得到材料织构信息；步骤3：获取待测织构分量及待测晶面，计算待测织构分量的待测晶面在对应晶面极图中的具体位置；步骤4：获取检测织构的晶面极图{hkl}、极图扫描范围(x,φ)及扫描步长(θ,η)；步骤5：进行中子衍射数据采集，若开展原位中子衍射实验，待原位加载条件达到设定值后再进行中子衍射数据采集；步骤6：计算材料不同织构分量的三维内应力场；步骤7：将得到的中子衍射数据投影至{hkl}晶面极图，并利用晶体结构的对称性及数学过程将其补全为完整的{hkl}晶面极图。2.根据权利要求1所述的中子衍射同步检测织构和应力的方法，其特征在于，所述步骤3包括：步骤3.1：根据材料织构信息，选取待测织构分量{abc}<uvw>；步骤3.2：根据待测织构分量及其晶体结构，确定待测织构分量的待测晶面族{hkl}及晶面(hkl)，检测织构分量的三维内应力场；步骤3.3：根据待测织构分量的待测晶面(hkl)，计算待测晶面在对应晶面极图中的位置将待测晶面(hkl)的法向n与轧制面的法向nd的夹角定为χ，晶面法向n在td-rd平面内的投影与轧制方向rd的夹角定为角，其中织构分量{abc}<uvw>的(abc)面朝向nd，(uvw)朝向rd，因此夹角χ用方向n与(abc)方向的夹角表示，为夹角用方向n在垂直于(abc)方向的平面上的投影与方向(uvw)的夹角表示，为由此确定待测织构分量{abc}<uvw>的待测晶面(hkl)在对应晶面极图中的具体位置3.根据权利要求1所述的中子衍射同步检测织构和应力的方法，其特征在于，所述步骤4包括：步骤4.1：选取多个晶面族的极图并进行检测，得到部分{hkl}晶面极图；步骤4.2：利用待测织构分量的晶体结构类型的对称性，将中子衍射检测得到的部分{hkl}晶面极图补全为一幅完整的晶面极图，计算所需最小(x,φ)角扫描范围；步骤4.3：根据最小(x,φ)角扫描范围以及待测织构分量{abc}<uvw>的待测晶面(hkl)在{hkl}晶面极图中的具体位置确定满足同时检测织构和不同织构分量的三维内应力场要求的(x,φ)角扫描范围的最小并集；扫描步长(θ,η)根据点的具体位置和密度而定。4.根据权利要求1所述的中子衍射同步检测织构和应力的方法，其特征在于，所述步骤5包括：步骤5.1：根据待测织构分量{abc}<uvw>的待测晶面族{hkl}的晶面间距d
hkl
和入射中
子波长λ，利用布拉格衍射定律2dsinθ
hkl
＝nλ计算得到衍射角2θ
hkl
，移动探测器到指定的2θ
hkl
角；步骤5.2：根据(x,φ)角扫描范围的最小并集和扫描步长(θ,η)，转动欧拉环，依据信噪比要求设置测量时长或中子计数，检测中子衍射信号。5.根据权利要求1所述的中子衍射同步检测织构和应力的方法，其特征在于，所述步骤6包括：步骤6.1：计算晶体坐标系下织构分量的三维内应力场；选取待测织构分量{abc}<uvw>的待测晶面(hkl)的衍射数据，进行拟合得到衍射角2θ
hkl
，根据衍射角的变化求得该晶面的应变ε
hkl
：织构分量的三维内应力场用二阶应力张量表示：(hkl)晶面应变与织构分量的三维应力场具有以下关系：x、y、z分别为(hkl)晶面法向与坐标轴三个单位向量的夹角的余弦值，将检测得到的相应织构分量的(hkl)晶面应变ε
hkl
，根据式(3)建立六元一次线性方程，采用多元线性回归方法得到六个应变张量分量的最小二乘解，应变张量的解为：ε＝(m
t
m)-1
m
t
b#(4)其中，b＝(ε
hkl,1
,ε
hkl,2
,
…
,ε
hkl,p
,
…
,ε
hkl,q
)通过应力与应变的本构关系，计算得到二阶应力张量：其中，为材料的刚度系数矩阵；步骤6.2：将晶体坐标系的二阶应力张量转换至样品坐标系；将晶体坐标系{c}中求得的二阶应力张量σ
c
转化至样品坐标系{s}：σ
s
＝gσ
c
g
t
其中，转换矩阵g为：其中，由此得到样品坐标系下织构分量的二阶应力张量，即织构分量三维内应力场。6.一种中子衍射同步检测织构和应力的系统，其特征在于，包括：模块m1：判定待测材料为单相或多相，获取各相的晶体结构类型和中子衍射检测织构所需极图数目及晶面；模块m2：进行中子衍射检测，得到材料织构信息；模块m3：获取待测织构分量及待测晶面，计算待测织构分量的待测晶面在对应晶面极图中的具体位置；模块m4：获取检测织构的晶面极图{hkl}、极图扫描范围(x,φ)及扫描步长(θ,η)；模块m5：进行中子衍射数据采集，若开展原位中子衍射实验，待原位加载条件达到设定值后再进行中子衍射数据采集；模块m6：计算材料不同织构分量的三维内应力场；模块m7：将得到的中子衍射数据投影至{hkl}晶面极图，并利用晶体结构的对称性及数学过程将其补全为完整的{hkl}晶面极图。7.根据权利要求6所述的中子衍射同步检测织构和应力的系统，其特征在于，所述模块m3包括：模块m3.1：根据材料织构信息，选取待测织构分量{abc}<uvw>；模块m3.2：根据待测织构分量及其晶体结构，确定待测织构分量的待测晶面族{hkl}及晶面(hkl)，检测织构分量的三维内应力场；模块m3.3：根据待测织构分量的待测晶面(hkl)，计算待测晶面在对应晶面极图中的位置将待测晶面(hkl)的法向n与轧制面的法向nd的夹角定为χ，晶面法向n在td-rd平面内的投影与轧制方向rd的夹角定为角，其中织构分量{abc}<uvw>的(abc)面朝向nd，(uvw)朝向rd，因此夹角χ用方向n与(abc)方向的夹角表示，为夹角用方向n在垂直于(abc)方向的平面上的投影与方向(uvw)的夹角表示，为由此确定待测织构分量{abc}<uvw>的待测晶面(hkl)在对应晶面极图中的具体位置8.根据权利要求6所述的中子衍射同步检测织构和应力的系统，其特征在于，所述模块m4包括：模块m4.1：选取多个晶面族的极图并进行检测，得到部分{hkl}晶面极图；模块m4.2：利用待测织构分量的晶体结构类型的对称性，将中子衍射检测得到的部分{hkl}晶面极图补全为一幅完整的晶面极图，计算所需最小(x,φ)角扫描范围；
模块m4.3：根据最小(x,φ)角扫描范围以及待测织构分量{abc}<uvw>的待测晶面(hkl)在{hkl}晶面极图中的具体位置确定满足同时检测织构和不同织构分量的三维内应力场要求的(x,φ)角扫描范围的最小并集；扫描步长(θ,η)根据点的具体位置和密度而定。9.根据权利要求6所述的中子衍射同步检测织构和应力的系统，其特征在于，所述模块m5包括：模块m5.1：根据待测织构分量{abc}<uvw>的待测晶面族{hkl}的晶面间距d
hkl
和入射中子波长λ，利用布拉格衍射定律2dsinθ
hkl
＝nλ计算得到衍射角2θ
hkl
，移动探测器到指定的2θ
hkl
角；模块m5.2：根据(x,φ)角扫描范围的最小并集和扫描步长(θ,η)，转动欧拉环，依据信噪比要求设置测量时长或中子计数，检测中子衍射信号。10.根据权利要求6所述的中子衍射同步检测织构和应力的系统，其特征在于，所模块m6包括：模块m6.1：计算晶体坐标系下织构分量的三维内应力场；选取待测织构分量{abc}<uvw>的待测晶面(hkl)的衍射数据，进行拟合得到衍射角2θ
hkl
，根据衍射角的变化求得该晶面的应变ε
hkl
：织构分量的三维内应力场用二阶应力张量表示：(hkl)晶面应变与织构分量的三维应力场具有以下关系：x、y、z分别为(hkl)晶面法向与坐标轴三个单位向量的夹角的余弦值，将检测得到的相应织构分量的(hkl)晶面应变ε
hkl
，根据式(3)建立六元一次线性方程，采用多元线性回归方法得到六个应变张量分量的最小二乘解，应变张量的解为：ε＝(m
t
m)-1
m
t
b#(4)其中，
b＝(ε
hkl,1
,ε
hkl,2
,
…
,ε
hkl,p
,
…
,ε
hkl,q
)通过应力与应变的本构关系，计算得到二阶应力张量：其中，为材料的刚度系数矩阵；模块m6.2：将晶体坐标系的二阶应力张量转换至样品坐标系；将晶体坐标系{c}中求得的二阶应力张量σ
c
转化至样品坐标系{s}：σ
s
＝gσ
c
g
t
其中，转换矩阵g为：其中，由此得到样品坐标系下织构分量的二阶应力张量，即织构分量三维内应力场。

技术总结
本发明提供了一种中子衍射同步检测织构和应力的方法和系统，包括：步骤1：获取各相的晶体结构类型和中子衍射检测织构所需极图数目及晶面；步骤2：进行中子衍射检测，得到材料织构信息；步骤3：获取待测织构分量及待测晶面，计算待测织构分量的待测晶面在对应晶面极图中的具体位置；步骤4：获取检测织构的晶面极图、极图扫描范围及扫描步长；步骤5：进行中子衍射数据采集；步骤6：计算材料不同织构分量的三维内应力场；步骤7：将得到的中子衍射数据投影至晶面极图，并利用晶体结构的对称性及数学过程将其补全为完整的晶面极图。本发明程度降低了织构-应力同步检测的工作量，提高了织构-应力同步检测效率。应力同步检测效率。应力同步检测效率。


技术研发人员：钟圣怡 王柏桦 林皓 翟昊宇 盛普聪
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2023.03.23
技术公布日：2023/7/7