中子衍射和同步辐射等大科学装置的快速发展，为更细致地研究金属基复合材料的力学行为以及残余应力提供了新的方法。焊接残余应力对接头性能和焊接结构产生严重不利影响，因此精确表征残余应力意义重大。传统中子/同步辐射X射线衍射表征采用Fitzpatrick方法，即基于Hooke定律计算宏观残余应力，再结合Eshelby模型计算微观残余应力。Eshelby模型很难考虑塑性变形的影响，微观残余应力计算精度有限，计算误差随增强相体积分数的增加而增大；此外，由于焊接接头微观组织和力学性能存在明显梯度，Eshelby模型中的应力系数矩阵并非常数，因此Fitzpatrick方法不适合于MMC焊接残余应力表征。为了突破Fitzpatrick方法存在的计算复杂、精度差和适用性差等难题，申请人率先提出了基于双无应力标样的中子衍射应变测量新方案，并推导出新的多尺度残余应力计算方法，比Eshelby模型更精确、更便捷、适用性更广，为MMC宏微观残余应力表征提供了一种新方法。
研究工作获德国FRM II开放实验项目资助，率先实现了SiCp/2009Al-T4复合材料FSW接头的多尺度残余应力的精细表征。同时，基于多尺度有限元方法建立了预测MMC焊接宏微观残余应力的理论模型，并采用中子衍射实验数据对模型进行了验证。中子衍射应力表征成果入选德国2015年度MLZ和FRM II联合年报的材料科学研究亮点及FRM II的STRESS-SPEC衍射线站2018年度国际评估（3年一次）代表性研究成果（排第1，共2项）；同时，该成果作为中子衍射代表案例展示在德国“海因茨 迈尔—莱布尼茨研究中心”官方网站。
图1 铝基体和增强相中的宏观和微观残余应力分布 (a)、(b)、(c)2009Al基体，纵向、横向、法向残余应力；(d)、(e)、(f)SiC颗粒，纵向、横向、法向残余应力
图2 中子衍射实验：(a)中子衍射实验装置；(b)焊接板材测试；(c)焊缝标样
