5A06铝合金包铝层与基体X-ray残余应力检测中的衍射峰峰位差异分析

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(1.北华航天工业学院 机电工程学院，廊坊 065000；2.北京卫星制造厂材料实验室，北京 10094)

X射线残余应力检测方法的基本原理是通过计算衍射角的变化来计算晶面间距的应变，从而得到该晶面所受应力的大小(布拉格定律)，而衍射峰峰位变化是推算衍射角变化的主要依据，因此衍射峰峰位成了该方法应力测试过程中的主要参数。

铝合金在应用时,通常需要经过系列处理来满足特定的性能要求，其表面常会包覆一层纯铝或Al-Zn 合金[1]。为研究包铝层的存在是否会对X射线衍射残余应力的检测造成干扰，笔者就包铝层与基体5A06铝合金衍射峰峰位存在差异的问题展开讨论，确定引起两者峰位差异的原因，为进一步研究峰位差异对X-ray衍射残余应力检测结果的影响，提供前期的理论分析和数据积累。

1 试验制备与试验过程

1.1 试验对象

在同一块5 mm厚带有包铝层的5A06铝合金板上切取两块尺寸(长×宽)为100 mm×20 mm的试样。试样1保留其表面包铝层，试样2去除其表面包铝层。另取一块等尺寸纯铝板作为试样3。

1.2 试验仪器

试验采用加拿大Proto残余应力分析仪(见图1)。仪器所配备探测器规格为：512个通道(用Nz表示)，对应宽度18.4°(用α表示)。

图1 加拿大Proto残余应力分析仪外观

1.3 试验过程

1.3.1 金相观察

将试样1横截面打磨抛光后用氢氟酸进行化学腐蚀，清洗干燥后进行金相组织观察。

1.3.2 射线同倾法检测衍射峰位

射线检测时，3个试样采用相同的测点分布示意，如图2所示。

图2 试样射线检测的测点分布示意

图3 5A06焊板表层的金相

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

2.1.1 金相观察结果

焊板表层金相如图3所示。由图3可见，距焊板表面深约25 μm内的晶粒较板材芯部晶粒的亮度更高，此厚度范围为包铝层。试样没有进行镶样，包铝层处于试样边缘，制样过程难中免损伤包铝层，所以包铝层的实际厚度在25 μm以上。

2.1.2 X射线峰位检测结果

创建3个试样Ψ=0(Ψ为极距角)处衍射峰峰位所对应通道数N与测点编号X之间的关系，如图4所示。

图4 不同探测器得到的通道数N与测点编号X之间的关系

由图4可知：包铝层与纯铝的衍射峰峰位相同，比5A06铝合金衍射峰峰位对应通道数小了90左右;各点衍射图样中均只有一个衍射峰。

2.2 试验结果分析

由布拉格定律(2dsinθ0=nλ,θ0为布拉格衍射角)可得出：峰位的差异取决于晶面间距(d)、干涉级数n以及射线波长(λ)。试验过程未改变任何参数，即射线波长及探测器通道对应的空间绝对坐标没有改变。下面，对干涉级数和晶面间距分别展开讨论。

2.2.1 干涉级数

干涉级数n可表示为

n=2dsinθ0/λ≤2d/λ

(1)

可见n存在最大值。

查阅文献[2]可知纯铝的晶格常数为0.404 97 nm。建立衍射级数与衍射角的关系,如表1所示。

由表1中的第1,2行可知纯铝的干涉级数只有1级。假设n=2有解，即d=λ/sinθ0，要使得探测器能接收完整衍射峰，其布拉格衍射角应在140°～160°范围。由表1的第3，4两行可知，此时的晶格常数增大了近一倍，铝合金已不是连续固体。因此，干涉级数不是引起衍射峰峰位差异的因素。

表1 不同干涉级数对应的衍射参数

2.2.2 晶面间距

晶面间距变化是引起衍射峰峰位变化的根本原因，所以引起晶面间距变化的因素也会影响衍射峰峰位。影响晶面间距的因素有残余应力、晶面指数和晶格常数。下面就这些因素分别展开讨论。

(1) 残余应力

残余应力作用使晶粒在弹性范围内产生应变，当材料临近屈服状态时，晶面间距d变化最大，根据式(2)所示的应力-应变公式可得：

εmax=σs/E=-0.002 142 857

(2)

式中：εmax为材料最大应变;σs为材料屈服强度;E为材料弹性模量。

(2) 衍射晶面指数

同一晶体，任意一组晶面，其间距与其指数(hkl)存在如下的定量关系。

(3)

简单地按布拉格定律理解,任意晶面都可以发生衍射，获得衍射峰。实际上晶体内部并不存在晶面结构，真正发生衍射的是原子，而衍射强度主要取决于核外电子云，衍射线方向主要取决于空间点阵。铝合金属于面心立方晶体，以晶胞为衍射单元，对其点阵及结构消光条件[3]进行分析，得知铝合金可发生射晶面,其晶面指数全为奇数或偶数。

列出所有能产生衍射线的晶面，并对其指数的平方和按从小到大顺序排列，计算得布拉格衍射角如表2所示。

表2 不同衍射晶面对应的衍射参数

由表2可知：试验所选(331)晶面产生的衍射峰与其相邻衍射峰峰位差最小为-14°，而探测器能接收的衍射角域值为18.4°，即当该晶面衍射峰位于探测器中央位置附近时，接收不到此衍射峰。所以,晶面变化不是引起两者衍射峰峰位差异的原因。

(3) 晶格常数

5A06铝合金中Mg的质量分数[4]W(Mg)%∈(5.8，6.8)。引用李志辉[2]在研究铝合金中Mg、Zn、Cu含量与晶格常数关系的结论,得到Al-Mg二元合金晶格常数∈(0.405 866 132 2 nm，0.406 019 424 3 nm)。而由于其他合金的综合作用,使得合金晶格常数进一步增大，因此5A06铝合金晶格常数≫0.405 866 132 2 nm[W(Mg)%=5.8]，或0.406 019 424 3 nm[W(Mg)%=6.8]。

假定是合金元素的添加使得晶格常数发生变化,从而造成了衍射峰峰位的差异，接下来进行5A06铝合金晶格常数的推算。由纯铝晶格常数及衍射峰位差异估算的5A06铝合金晶格常数如表3所示。

表3 由衍射峰峰位推算出的5A06铝合金晶格常数

推算出的5A06铝合金晶格常数为0.408 4 nm,与文献推算结果相符。

综上所述，干涉级数、残余应力、晶面指数都不是5A06铝合金应力检测过程中引起两者衍射峰峰位差异的原因。由纯铝晶格常数及衍射峰位差异估算的5A06铝合金晶格常数0.408 4 nm与文献推算结果相符。因此是由于合金元素的添加使得晶格常数发生了变化，从而造成了两者衍射峰峰位的差异。

3 结论

(1) 包铝层平均厚度在25 μm以上，略大于Co靶Kα射线透射深度，且成分为纯铝。

(2) 包铝层的存在阻碍了X-ray衍射方法对5A06铝合金基体残余应力的检测。

(3) 干涉级数、残余应力、晶面指数三者变化可引起衍射峰峰位偏移，但不是造成5A06铝合金包铝层与基体X-ray应力检测中两者衍射峰峰位差异的原因。

(4) 5A06铝合金包铝层与基体晶格常数的差异是X-ray衍射方法残余应力检测过程中引起两者衍射峰峰位差异的原因。

参考文献:

[1] 杨超, 王继杰, 韩培培, 等. 包铝层对7B04-O铝合金薄板搅拌摩擦搭接性能影响[J].机械工程学报,2015,51(22):54-58.

[2] 李志辉, 熊柏青, 张永安, 等. 基于固溶体晶格常数测定的7000系铝合金淬火敏感性机理探讨[C]∥2011-中国有色金属学会第十四届材料科学与合金加工学术年会.三亚：中国有色金属学会，2011.

[3] 潘峰，王英华，陈超.X射线衍射技术[M].北京：化学工业出版社，2016:111,114.

[4] 周令德. 5A06铝合金挤压制品退火过程中粗晶环形成机理探讨[J].铝加工, 2016(1):30-36.