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第一部分 概述3

第1章 工程材料的显微结构和特性3

1.1 引言3

1.2 显微结构4

1.2.1 晶体缺陷6

1.2.2 晶界（相界）和孪晶6

1.2.3 沉淀相和弥散物7

1.3 显微结构及性能9

1.4 显微结构的表征12

参考文献15

第2章 工程材料中的内应力18

2.1 定义18

2.1.1 应力张量、应变张量和弹性张量18

2.1.2 定义，残余应力20

2.2 宏观和微观残余应力的产生23

2.2.1 主要成型过程中残余应力的形成24

2.2.2 热处理过程中残余应力的形成25

2.2.3 成型过程中残余应力的形成29

2.2.4 切削加工中残余应力的形成33

2.2.5 焊合过程中的残余应力35

2.2.6 涂层中残余应力的形成39

2.3 相关内容41

2.3.1 温度变化引发残余应力形成或释放导致的失效42

2.3.2 静态和动态机械加载对失效零部件上残余应力的影响43

2.3.3 腐蚀环境中残余应力对工件失效的影响45

2.3.4 残余应力对耐磨性的影响45

参考文献46

第3章 工程材料的织构与织构分析50

3.1 引言50

3.2 极图52

3.3 实验室尺度上的织构测量53

3.3.1 X射线衍射53

3.3.2 电子衍射55

3.4 大型设备织构测量56

3.4.1 中子衍射56

3.4.2 同步X射线在织构分析中的应用60

参考文献64

第4章 光子和中子的物理性能67

4.1 引言67

4.2 X射线光子和中子与单个原子的相互作用68

4.2.1 中子68

4.2.2 X射线70

4.3 原子集群的X射线光子和中子的散射73

参考文献75

第5章 辐射源76

5.1 中子的产生和特性76

5.1.1 引言76

5.1.2 中子的产生76

5.1.3 谱仪80

参考文献81

5.2 同步辐射的产生和特性81

5.2.1 引言81

5.2.2 同步辐射的特性83

5.2.3 同步辐射光源87

5.2.4 展望：自由电子激光器91

5.2.5 总结93

参考文献93

第二部分 方法97

第6章 用于内应力分析的衍射方法介绍97

6.1 一般性质97

6.2 衍射原理97

6.3 用衍射方法确定应变的原理99

6.4 无应力晶面间距d0的确定101

6.5 sin2 ？技术102

6.6 非线性的晶格应变分布103

6.6.1 各向异性103

6.6.2 应力／应变梯度104

6.6.3 剪切应力／应变105

6.7 衍射弹性常数106

6.7.1 DEC的计算107

6.7.2 DEC的实验测定107

6.8 实验装置和测量步骤108

6.8.1 实验装置108

6.8.2 测量步骤110

6.9 深度和局部残余应力分析综述111

参考文献111

第7章 利用角度色散中子衍射方法分析应力114

7.1 引言114

7.2 残余应力分析衍射仪115

7.2.1 应变扫描衍射仪的布局115

7.2.2 单色器116

7.2.3 狭缝系统116

7.2.4 样品定位117

7.2.5 探测器117

7.3 测量和数据分析118

7.3.1 测试体积与样品定位118

7.3.2 数据简化和分析120

7.4 实例122

7.4.1 搅拌摩擦焊薄铝片中的残余应力分析122

7.4.2 水淬火涡轮盘中的残余应力124

7.5 总结与展望126

参考文献126

第8章 利用中子能量色散衍射方法分析应力128

8.1 引言128

8.2 飞行时间中子衍射128

8.2.1 飞行时间的衍射峰形状与数据分析包129

8.3 飞行时间应变扫描仪131

8.3.1 计数时间与分辨率132

8.3.2 中子光学与时间聚焦134

8.4 虚拟应变扫描实验室135

8.5 晶粒间的应力演化137

8.6 飞行时间透射分析138

8.6.1 布拉格边139

8.6.2 绘制应变图139

8.6.3 定量物相分析140

8.6.4 其他方面的应用141

8.7 小结142

参考文献142

第9章 利用高能单色X射线分析残余应力145

9.1 基本装置145

9.2 狭缝成像原理及数据重建147

9.3 锥形狭缝148

9.3.1 工作原理148

9.3.2 性能149

9.3.3 实例150

9.4 螺线形狭缝151

9.4.1 功能原理151

9.4.2 性能152

9.4.3 实例153

9.5 同时测量几个大晶粒的应变154

9.6 粗粒度效应156

9.7 面探测器获取的衍射数据分析157

9.8 针对具体问题选择实验技术158

参考文献159

第10章 高能X射线白光分析残余应力161

10.1 反射模式161

10.1.1 原因161

10.1.2 反射几何下深度分辨能量色散X射线应力分析（XSA）的基本关系式161

10.1.3 实验装置164

10.1.4 用能量色散衍射法分析深度方向的残余应力实例166

10.1.5 结束语和展望169

参考文献170

10.2 透射模式171

10.2.1 原因171

10.2.2 实验装置和实验细节171

10.2.3 数据处理175

10.2.4 例子176

10.2.5 总结179

参考文献179

第11章 微结构分析的衍射成像方法183

11.1 介绍和衍射成像的原理183

11.2 HASYLAB光源G3束线上的MAXIM实验183

11.3 数据结构184

11.4 数据处理和可视化策略185

11.5 展望，块体成像187

参考文献189

第12章 小角散射方法基础190

12.1 小角散射装置的共同特征190

12.2 衬度190

12.3 散射曲线191

12.4 幂定律／分形系统的散射193

12.5 纪尼叶（Guinier）和波罗德（Porod ）近似193

12.6 宏观微分散射截面194

12.7 尺寸分布的模型计算195

12.8 磁结构195

参考文献196

第13章 小角中子散射198

13.1 氢可逆存储的二氢化镁纳米晶体198

13.2 钢铁中的析出物201

13.3 聚合物基体中的SiO2纳米颗粒—工业应用203

13.4 绿色表面活性剂204

参考文献205

第14章 Cu-Co合金的分解动力学：小角X射线散射应用207

14.1 引言207

14.2 反常小角X射线散射（ASAXS ）的基本原理207

14.3 表征铜钴合金分解的ASAXS实验结果209

14.4 展望211

14.5 总结212

参考文献212

第15章 B3成像214

15.1 射线投影成像214

15.1.1 基本原理214

15.1.2 中子与物质的相互作用215

15.1.3 几何结构218

15.1.4 分辨率函数220

15.1.5 图像退化223

15.1.6 其他成像技术224

15.2 断层成像228

15.2.1 数学处理方法介绍228

15.2.2 切片定理和香农定理230

15.2.3 图像重建231

15.3 中子断层成像的新进展234

参考文献238

第16章 基于中子和同步辐射的成像在材料科学中的应用——从宏观到纳米断层成像240

16.1 引言240

16.1.1 吸收衬度投影240

16.1.2 相位衬度投影241

16.1.3 相位增强投影241

16.1.4 直接相位衬度投影242

16.1.5 非直接相位衬度投影242

16.2 平行束断层成像242

16.2.1 数据测量和重建243

16.2.2 密度分辨率和探测器质量244

16.2.3 数据评估和可视化245

16.3 中子宏观断层成像247

16.3.1 实验装置247

16.3.2 测量和结果248

16.4 基于同步辐射的显微断层成像249

16.4.1 束线光学250

16.4.2 实验装置252

16.5 总结和展望254

参考文献254

第17章 工程材料的微断层成像技术（μ-CT）257

17.1 同步辐射断层成像的优点257

17.2 应用和3D图像分析257

17.2.1 碱性电池的放电过程257

17.2.2 Nb3Sn多丝超导线的微结构检测260

17.2.3 发泡剂在金属泡沫结构中的影响261

17.3 图像伪影263

17.3.1 环状伪影263

17.3.2 图像噪声263

17.3.3 边缘伪影264

17.3.4 运动伪影264

17.3.5 旋转轴的中心误差265

参考文献265

第18章 衍射增强成像268

18.1 引言268

18.1.1 理论基础268

18.1.2 消光衬度270

18.1.3 DEI的原理270

18.2 实验装置272

18.3 实例273

18.3.1 一套完整的DEI图像273

18.3.2 材料科学274

18.3.3 矿物学研究举例274

18.4 结论275

参考文献276

第三部分 新出现的方法279

第19章 三维X射线衍射显微术279

19.1 基本实验装置和方法279

19.1.1 3DXRD显微镜282

19.2 晶粒指标化和平均特性表征282

19.2.1 应用Ⅰ：成核和生长研究283

19.2.2 应用Ⅱ：塑性形变284

19.2.3 应用Ⅲ：亚晶粒和纳米晶粒材料研究285

19.3 晶粒和取向分布图286

19.3.1 模式Ⅲ：无形变样品中晶粒分布图286

19.3.2 模式Ⅳ：形变样品的晶粒取向分布图287

19.3.3 应用Ⅰ：再结晶288

19.3.4 应用Ⅱ：晶粒生长289

19.4 3DXRD和断层成像术的结合290

19.4.1 利用断层成像术获取晶粒分布图290

19.5 展望291

参考文献291

第20章 三维微米分辨劳埃衍射293

20.1 引言293

20.1.1 多色微衍射的需求293

20.2 先进的多色微衍射理论基础294

20.2.1 劳埃衍射的修正埃瓦球描述294

20.2.2 定量信息：相，织构，弹性应变，位错密度295

20.3 针对自动3D探针的技术发展296

20.3.1 光源297

20.3.2 微束单色器298

20.3.3 非色散聚焦光学元件299

20.3.4 面探测器299

20.3.5 差分孔径299

20.3.6 软件300

20.4 研究例子300

20.4.1 晶粒边界的3D网络300

20.4.2 形变行为与晶界301

20.4.3 单晶中的形变302

20.4.4 表面及三维尺度上的晶粒生长302

20.4.5 反常晶粒的生长304

20.5 未来展望与机遇304

参考文献305

第21章 利用标记物和X射线吸收断层成像技术开展三维塑性应变场的定量分析307

21.1 引言307

21.2 实验方法307

21.2.1 标记物307

21.2.2 颗粒跟踪和位移梯度张量（DGT）计算308

21.2.3 空间分辨率308

21.3 测试结果309

21.3.1 均匀形变309

21.3.2 非均匀形变309

21.3.3 微结构效应310

21.4 展望311

参考文献311

第22章 衍射和断层成像联合技术313

22.1 引言313

22.2 实验设备313

22.3 例子：合并的衍射／断层成像实验研究蠕变损伤314

22.3.1 科学背景314

22.3.2 实验细节314

22.3.3 结果316

22.4 结论和展望317

参考文献318

第四部分 工业应用321

第23章 残余应力衍射分析技术在航空工业中的应用321

23.1 概况321

23.2 涡轮盘的残余应力322

23.2.1 引言322

23.2.2 材料323

23.2.3 有限元建模324

23.2.4 中子衍射325

23.2.5 结果326

23.2.6 结语329

23.3 激光焊接铝接头的残余应力329

23.3.1 引言329

23.3.2 材料与焊接330

23.3.3 中子衍射332

23.3.4 激光焊T形接头残余应力333

23.3.5 激光焊对接接头残余应力334

23.3.6 小结336

23.4 结论336

参考文献337

第24章 曲轴残余应力的优化341

24.1 引言341

24.2 残余应力的实验测试342

24.3 实验结果和意义343

24.4 结论345

参考文献345

索引347