基于CMRR堆RSND谱仪的中子三维定向衍射技术开发

Neutron diffraction technique is a powerful tool for non-destructive quantitative analysis of bulk samples due to its strong penetrability. The characterization of residual stress and texture by neutron diffraction technique can be already performed on the RSND diffractometer of CMRR reactor. However, besides macroscopic residual stress, for multi-phase sample or the one with enhanced texture after processing, the 3D internal stress field and the stored energy, which can’t be adapted yet on RSND diffractometer, have great effect on the mechanical properties and fatigue life. In order to meet our country's research and development needs for structural materials for key national engineering projects, such as space flight and aviation, deep-sea, nuclear energy etc., this project aims to update the RSND diffractometer based on existing equipment as well as to develop an orientation-dependent 3D neutron diffraction technique to realize the non-destruction and quantitative analysis of the internal stress field and the stored energy. At the same time, in-situ sample environment such as force and temperature field etc. will be built in order to reproduce the processing and manufacturing of workpieces. With these neutron diffraction data, simulation using “microscope behavior to macroscope properties” model will be applied to optimize mechanical properties and to extend fatigue life of engineering materials.

由于中子具有极强的穿透能力，中子衍射技术能对工程部件内部的微观结构进行无损检测，目前中物院CMRR中子源的RSND衍射谱仪已经能够实现对工程样品的织构和残余应力进行定量分析。然而对于多相材料和在加工制造过程中产生织构的样件而言，除了宏观应力之外，样件内部的三维内应力场和储存能也是决定材料力学性能和疲劳寿命的重要因素，但此两项测试RSND谱仪目前还不具备实验条件。为满足我国对两机、深海、核能等国家重大工程项目关键部件的研发需求，本项目拟在RSND衍射谱仪现有设备上进行升级改建，着力研发三维中子定向衍射新技术，从而实现对工程件中任意取向晶粒三维内应力场和储存能的定量测试分析。同时构建力场、温度场等实验环境，还原工程样件的制造加工过程并获得原位信息，利用实验所获得的定量信息建立“微观行为-宏观性能”模型，有针对性地优化工程样件的制备工艺参数，以达到提高材料力学性能、延长疲劳寿命的目的。

多晶材料中不同取向晶粒之间的内应力（二阶应力或晶间应力）是理解材料各向异性力学行为的关键，而在变形过程中所产生的储存能是决定材料形核和再结晶行为的重要参数。在材料疲劳循环中，内应力及储存能可能成为疲劳损伤机制的有效指针。因此，了解多晶材料在成型、加工以及服役过程中，不同取向晶粒的内应力和储存能演化，可解答材料蠕变、疲劳损伤、再结晶、超塑性、纳米颗粒增强等行为的成因。但是，传统的衍射分析方法所获得的应力和储存能为各取向晶粒的平均值，无法反应内应力和储存能在不同取向晶粒间的分布。本项目利用中子衍射，开发针对多晶材料中任意取向晶粒的三维内应力场和储存能的测试和定量分析方法，建立多晶材料“微观行为-宏观性能”的物理模型，实现有针对性地对材料性能进行设计与调控。..CMRR堆RSND谱仪虽配备了高精度欧拉环，可实现样品以任意空间姿态进行衍射实验。但需要根据多晶材料三维内应力场的实验方法，改建、适配和升级欧拉环设备，实现任意取向晶粒三维内应力场的测试。同时，为了配合三维内应力场及储存能的原位测试，样品环境装置需要与欧拉环设备相匹配，且不能堆光路产生遮挡。本项目根据三维内应力场及储存能测试方法，改建升级并适配欧拉环和原位环境设备，建立样品空间高精定位系统、校准光路等，并且采用标准粉末样品（如Si粉）测试了RSND谱仪的仪器展宽，标定了本底噪声。..本项目对CMRR堆RSND谱仪进行改建优化，开发了可追踪多晶样品中任意取向晶粒三维内应力场和储存能的测试和定量分析方法，并将该方法应用于多晶材料中任意取向三维内应力场的原位测试，结合弹粘塑性自洽模型EVPSC，建立了微观-宏观物理模型。