副標(biāo)題：從 Aeris 快速篩查到多維度表征的一體化解決方案

發(fā)布信息

發(fā)布日期：2025年08月01日
作者：森德儀器/應(yīng)用技術(shù)部
儀器類別：分析儀器
閱讀時(shí)間：約8分鐘
關(guān)鍵詞：X射線衍射、XRD、應(yīng)變分析、缺陷表征、Aeris緊湊型XRD、高通量篩查、森德儀器

摘要
材料內(nèi)部殘余應(yīng)力與微觀缺陷是決定其服役性能與可靠性的關(guān)鍵因素。構(gòu)建高效的應(yīng)變?nèi)毕菥C合表征系統(tǒng)，需要匹配不同精度與效率需求的解決方案。本文提出一種分級(jí)工作流：首先，利用 Aeris 緊湊型XRD 進(jìn)行快速、高通量的初步篩查與趨勢(shì)分析，高效鎖定問(wèn)題批次或關(guān)鍵區(qū)域；隨后，針對(duì)篩查出的異常樣品，引導(dǎo)至搭載高階附件（如微區(qū)光學(xué)、原位樣品臺(tái)）的多功能XRD平臺(tái)進(jìn)行精確定量解析與機(jī)理研究。這一組合策略以 Aeris 的高效性大化實(shí)驗(yàn)室整體效率，以前沿平臺(tái)的深度解析能力確保科學(xué)發(fā)現(xiàn)的準(zhǔn)確性，為從研發(fā)到質(zhì)控的全流程提供兼顧速度與深度的完整XRD表征方案。

分級(jí)技術(shù)路徑：從快速篩查到深度剖析

材料應(yīng)變與缺陷的綜合表征并非單一設(shè)備所能勝任，合理的策略是構(gòu)建一個(gè)涵蓋不同分析維度、精度和速度的 “金字塔式"技術(shù)體系。Aeris 緊湊型XRD 在其中扮演著至關(guān)重要的 “前端快速篩查" 角色。

第1層級(jí)：高通量初步篩查與趨勢(shì)分析
此層級(jí)的核心目標(biāo)是 “快"和“廣" ，旨在從大量樣品中快速發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、鎖定關(guān)鍵區(qū)域、明確后續(xù)深入分析方向。

• 核心儀器：Aeris 緊湊型XRD

• 技術(shù)特點(diǎn)：預(yù)校準(zhǔn)、免維護(hù)設(shè)計(jì)，開(kāi)機(jī)即用。采用帕納科的PreFIX預(yù)校準(zhǔn)光學(xué)部件，確保儀器狀態(tài)長(zhǎng)期穩(wěn)定，非常適合生產(chǎn)線或多用戶共享實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。

• 在應(yīng)變/缺陷篩查中的應(yīng)用：

1. 物相與織構(gòu)快速鑒別：一鍵式全譜掃描，快速判斷材料是否發(fā)生非預(yù)期的相變，或是否存在明顯的擇優(yōu)取向（織構(gòu)），這些宏觀結(jié)構(gòu)變化常伴隨顯著的應(yīng)力狀態(tài)改變。

2. 微應(yīng)變與晶粒尺寸的批量評(píng)估：通過(guò)內(nèi)置軟件（如HighScore Plus）的峰形擬合功能，可對(duì)系列樣品快速計(jì)算出基于Scherrer公式和應(yīng)變展寬模型的平均晶粒尺寸和微觀應(yīng)變值。雖然值精度受限，但用于批次間對(duì)比、工藝參數(shù)優(yōu)化趨勢(shì)判斷有價(jià)值。

3. 宏觀應(yīng)力趨勢(shì)的快速判斷：通過(guò)對(duì)比處理（如噴丸、熱處理）前后樣品同一衍射峰的峰位偏移趨勢(shì)，可以快速、定性地評(píng)估工藝引入殘余應(yīng)力的大小方向，為工藝調(diào)整提供即時(shí)反饋。

• 價(jià)值定位：Aeris 將XRD從“高深"的專家工具轉(zhuǎn)變?yōu)楦咝У?span style="font-weight: 600;">常規(guī)檢測(cè)與篩查工具，將科學(xué)家從繁瑣的儀器校準(zhǔn)和維護(hù)中解放出來(lái)，專注于數(shù)據(jù)解讀與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

第二層級(jí)：精確定量與空間分辨表征
此層級(jí)針對(duì)第1層級(jí)篩查出的異常或關(guān)鍵樣品，核心目標(biāo)是 “準(zhǔn)"和“細(xì)" ，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力與缺陷的定量化、可視化分析。

• 核心平臺(tái)：高性能模塊化多用途XRD（如Empyrean銳影系列）

• 關(guān)鍵擴(kuò)展附件與技術(shù)：

1. 殘余應(yīng)力定量分析模塊：配備歐拉環(huán)，采用標(biāo)準(zhǔn)的 sin2ψ法，嚴(yán)格遵循ASTM E2860等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，精確測(cè)定材料表面及一定深度內(nèi)的殘余應(yīng)力張量（大小、方向）。

2. 微區(qū)衍射與掃描系統(tǒng)：集成毛細(xì)管聚焦鏡或多層膜鏡，將X射線束斑聚焦至數(shù)十微米，配合高精度XYZ掃描臺(tái)，可對(duì)焊縫界面、涂層梯度、單個(gè)異常點(diǎn)進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，繪制應(yīng)力、相組成的空間分布圖。

3. 高分辨率XRD與倒易空間映射：用于分析單晶/外延薄膜中的晶格失配度、弛豫度、位錯(cuò)密度等，是半導(dǎo)體和光學(xué)鍍膜領(lǐng)域的核心表征手段。

4. 原位分析環(huán)境：集成高溫臺(tái)、拉伸臺(tái)、電化學(xué)池等，實(shí)時(shí)觀測(cè)材料在熱、力、電化學(xué)場(chǎng)作用下，微觀應(yīng)變與缺陷的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程，建立宏觀性能與微觀結(jié)構(gòu)的直接關(guān)聯(lián)。

“篩查-解析"一體化工作流實(shí)戰(zhàn)案例

場(chǎng)景：增材制造金屬零件的工藝優(yōu)化與質(zhì)量評(píng)估

1. 問(wèn)題：不同激光功率打印的Ti-6Al-4V合金試樣，需評(píng)估其內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)與相組成差異。

2. 篩查階段（Aeris）：

• 所有樣品均包含α和β兩相。

• 工藝A樣品的α相主峰（如(101)）峰寬明顯展寬，提示可能存在更小的晶粒或更高的微觀應(yīng)變。

• 工藝B與工藝C的α相主峰峰位有系統(tǒng)性偏移，提示可能存在宏觀殘余應(yīng)力差異。

• 行動(dòng)：將所有試樣在Aeris上進(jìn)行快速θ-2θ掃描（每個(gè)樣品<10分鐘）。

• 結(jié)果：快速獲得所有樣品的全譜。通過(guò)軟件自動(dòng)分析發(fā)現(xiàn)：

3. 解析階段（高性能XRD平臺(tái)）：

• 針對(duì)工藝A樣品：利用微區(qū)掃描功能，在熔池邊界和中心區(qū)域分別測(cè)量，確認(rèn)微觀應(yīng)變不均勻性的具體位置與程度。

• 針對(duì)工藝B/C樣品：使用殘余應(yīng)力模塊（sin2ψ法），在試樣表面多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行精確測(cè)量，定量得到工藝B引入的是壓應(yīng)力（峰位高角偏移），而工藝C引入的是拉應(yīng)力（峰位低角偏移），并給出具體應(yīng)力數(shù)值。

• 最終關(guān)聯(lián)：結(jié)合力學(xué)性能測(cè)試，確定工藝參數(shù)，并將Aeris測(cè)得的峰寬/峰移趨勢(shì)作為該工藝未來(lái)快速質(zhì)控的 “指紋"指標(biāo)。

結(jié)論
在現(xiàn)代材料研究與工業(yè)質(zhì)量控制中，高效的應(yīng)變?nèi)毕荼碚黧w系應(yīng)具備層次化的能力。Aeris緊湊型XRD 以其穩(wěn)定性、易用性和高通量特性，勝任體系中的前端快速篩查與監(jiān)控角色，是實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室效率革命的利器。而對(duì)于需要深入機(jī)理探究和精確定量的核心研發(fā)問(wèn)題，則需依賴高性能模塊化XRD平臺(tái)。森德儀器提供的，正是這種從 Aeris 的快速發(fā)現(xiàn)，到平臺(tái)的深度解析的完整解決方案，幫助用戶構(gòu)建自身需求、兼顧效率與深度的綜合表征能力。

附錄與參考資料

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

• ASTM E2860-12: Standard Test Method for Residual Stress Measurement by X-Ray Diffraction for Bearing Steels

• SAE HS-784: Residual Stress Measurement by X-Ray Diffraction

• ISO 21432: Non-destructive testing — Standard test method for determining residual stresses by neutron diffraction (作為XRD法的補(bǔ)充與對(duì)標(biāo))

• GB/T 7704-2017: 無(wú)損檢測(cè) X射線應(yīng)力測(cè)定方法

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