第六章宏觀應力測定ppt課件

1、 概述 v金屬材料及其制品在冷、熱加工如切削、裝配、冷拉、冷軋、噴丸、鑄造、鍛造、熱處理、電鍍等過程中，常常產(chǎn)生殘余應力。殘余應力對制品的疲勞強度、抗應力腐蝕疲勞、尺寸穩(wěn)定性和使用壽命有著直接的影響。v研究和測定材料中的宏觀殘余應力有重大的實際意義，例如可以通過應力測定檢查消除應力的各種工藝的效果；可以通過應力測定間接檢查一些表面處理的效果；可以預測零件疲勞強度的貯備等等。因此研究和測定材料中的宏觀殘余應力是評價材料強度、控制加工工藝、檢驗產(chǎn)品質(zhì)量、分析破壞事故等方面的有力手段v材料的內(nèi)應力指當產(chǎn)生應力的各種因素如外力，溫度、加工處理過程等不復存在時，由于不均勻的塑性變形或相變而使材料內(nèi)部依然

2、存在的并自身保持平衡的殘余應力。第一類內(nèi)應力是在物體較大范圍內(nèi)或許多晶粒范圍內(nèi)存在并保持平衡的應力。稱之為宏觀應力。它能使衍射線產(chǎn)生位移。第二類內(nèi)應力是在一個或少數(shù)晶粒范圍內(nèi)存在并保持平衡的內(nèi)應力。它一般能使衍射峰寬化。第三類內(nèi)應力是在若干原子范圍存在并保持平衡的內(nèi)應力。它能使衍射線減弱。殘余應力測定方法v測定殘余應力的方法有電阻應變片法、機械引伸儀法、小孔松弛法、超聲波、光彈性復膜法和X射線法等。v用X射線測定殘余應力有以下優(yōu)點：v 1.X射線法測定表面殘余應力為非破壞性試驗方法。v 2.塑性變形時晶面間距并不變化，也就不會使衍射線位移，因而，X射線法測定的是純彈性應變。v 用其他方法測得的

3、應變，實際上是彈性應變和塑性應變之和，兩者無法分辨。v3.X射線法可以測定1-2mm以內(nèi)的很小范圍內(nèi)的應變，其它方法測定通常為20-30mm范圍內(nèi)的平均應變。v4.X射線法測定的是試樣表層大約10m深度內(nèi)的二維應力。采用剝層的辦法，可以測定應力沿層深的分布。v5.可以測量材料中的三類應力。X射線法的不足之處vX射線法也有許多不足之處：v測試設備費用昂貴；v受穿透深度所限，只能無破壞地測表面應力，若測深層應力，也需破壞試樣；v當被測工件不能給出明銳的衍射線時，測量精確度不高；v試樣晶粒尺寸太大或太小時，測量精度不高；v大型零件不能測試；v運動狀態(tài)中的瞬時應力測試也有困難。v在諸多測定殘余應力的方

4、法中，除超聲波法外，其他方法的共同點都是測定應力作用下產(chǎn)生的應變，再按虎克定律計算應力。vX射線殘余應力測定方法也是一種間接方法，它是根據(jù)衍射線條的角變化或衍射條形狀或強度的變化來測定材料表層微小區(qū)域的應力。一、X射線宏觀應力測定的基本原理v1、單軸應力宏觀：最簡單的受力狀態(tài)是單軸拉伸。假設，有一根橫截面積為A的試棒，在軸向Z施加拉力F，它的長度將由受力前的L0變?yōu)槔旌蟮腖n，所產(chǎn)生的應變y為：根據(jù)虎克定律，其彈性應力z為：yEy式中E為彈性模量v微觀：試樣各晶粒中與軸向垂直的晶面的面間距d也會相應地變大，可以通過測量d的變化來測定應變 從材料力學可知，對各向同性的物質(zhì)x=z=-y泊松比，負

5、號表示減小vdZ方向上晶面間距的變化v d可通過測量衍射線的位移得到的。由布拉格方程微分得： 這是測定單軸應力的基本公式 當試樣中存在宏觀內(nèi)應力時，會使衍射線產(chǎn)生位移。通過測量衍射線位移，來測定宏觀內(nèi)應力。2、平面應力 v一般情況下，材料的應力狀態(tài)通常處于三軸應力狀態(tài)。 v在材料的表面只有兩軸應力。vX射線照射的深度很小。所以只需研究雙軸應力，即平面應力。v在物體的自由表面上任意切割出一單元體。則該單元體受兩個垂直方向1和2的應力作用。v1和2隨所選單元體方位的不同而變化，但二者之和為常數(shù)。 v雖然垂直于物體表面的方向上應力值3為零，應變3并不等于零。而是與平面方向的主應力之和有關(guān)。v工程中人

6、們更關(guān)心的是某個方向上的應力，如。v求,除了測定垂直表面的應變3外，還要測3和構(gòu)成的平面內(nèi)某個方向如OA方向的應變。v1首先測量與表面平行的晶面( hkl)的應變，即測定與表面平行的晶面的晶面間距的變化。v2測量與表面呈角上相同晶面hkl的應變。d0為無應力狀態(tài)下(hkl)晶面的晶面間距。dn為這個晶粒在3方向的晶面間距。 d0為無應力狀態(tài)下(hkl)晶面的晶面間距。 d 為這個晶粒在方向的晶面間距 v3由3、求。對各向同性和彈性體。由彈性力學原理有： 這是宏觀應力測定的基礎(chǔ)公式。 二、測試方法二、測試方法 v（一衍射儀法 v045法: 通過測定兩個方向上有晶面間距來求應力，vsin2法: 測

7、定一系列方向的的d來求。它比上一個方法要準確一些。1、sin2法32sin)1 (E0000ctgdddddv由式可見，與平面應力(1+2)的大小有關(guān)，還與方向有關(guān)。v晶粒取向不同，在的作用下，將是不同的。應變可以用衍射晶面間距的相對變化表示，即0為無應力時試樣HKL晶面衍射線的布拉格角，為有應力時，且在試樣表面法線與晶面法線之間為角時的布拉格角。3200sin1Ectgv在試樣的應力狀態(tài)一定的情況下，3不隨而變，故對sin2求導可得：20sin212ctgEv上式中的2以度為單位。當以弧度為單位時，上式則為v如令 v那么 = K1M vK1為應力常數(shù)，對同一部件，選定了干涉面HKL和波長時，

8、它為常數(shù)。vM為2對sin2的斜率.只要求出M，就可通過它求得。vM可以讓X射線從不同角度入射，并測定多個2角，并用2與sin2作圖，求直線的斜率，便可獲得M。20sin218012ctgE1801201ctgEK2sin2MX射線宏觀殘余應力測定的基本原理射線宏觀殘余應力測定的基本原理以低碳鋼為例：v1測=0時的應變v用Cr靶測211干涉面的2角。211干涉面的2角為156.4。=78.2。v讓入射X射線與樣品表面呈78.2，并讓計數(shù)管在2=156.4附近掃描，準確測定它的2角，設測得的角度為154.92v2測定=15、30、45角時的2角v計數(shù)管不動，讓樣品轉(zhuǎn)動15、30、45，分別準確測

9、定其2角。得到以下數(shù)值。 = K1M2sin2M3)求斜率M 求得斜率M=1.965。通過有關(guān)表格查得 K1=-318.1MPa=K1M =-318.1196.5 =-625.1MPa2、045法vSin2法的結(jié)果較為精確，缺點是測量次數(shù)較多。但是，隨著測試設備和計算手段的進步，測量和計算時間已不是主要矛盾，所以在科學研究中推薦使用Sin2法。v當晶粒較細小，織構(gòu)少，微觀應力不嚴重時，2-Sin2直線的斜率也可以由首尾兩點決定，就是說可以只測定0、45兩個方向上的應變來求得斜率M，計算應力。這種方法稱為0-45法。（二應力儀法 v用X射線應力儀可以在現(xiàn)場對工件進行實地殘余應力檢測。v用計算機控

10、制，可自動打印出峰位、積分寬、半高寬、斜率和應力等。v應力儀法測定應力可以有sin2法、-45法、固定法、側(cè)傾法等。 X射線應力儀vX射線應力儀的結(jié)構(gòu)如圖示，其核心部份為測角儀。v應力儀的測角儀為立式，測角儀上裝有可繞試件轉(zhuǎn)動的X射線管和計數(shù)管。測定2角。其中應變晶面方向與試樣法線方向的夾角由下式求得每次改變?nèi)肷渚€角度就可測得不同時的2。同樣它也有sin2法和0-45法。宏觀殘余應力的測定方法1、同傾法2、側(cè)傾法1、同傾法v同傾法的衍射幾何特點是測量方向平面與掃描平面重合2、側(cè)傾法v側(cè)傾法的衍射幾何特點是測量方向平面與掃描平面垂直X射線宏觀應力測定中的一些問題v1、定峰法v2、應力常數(shù)v3、影

11、響宏觀應力測量精度的因素定峰法v測定宏觀殘余應力是根據(jù)衍射線的位移進行的，因而，衍射線峰位的確定直接影響測量精度。由于試樣和實驗條件的差別，將得到形狀各異的衍射線。定峰方法很多，有重心法、切線法、半高寬度法或2/3、3/4、7/8寬度法和中心連線法等。常用的半高寬法和三點拋物線法。 半高寬法v半高寬法是以峰高1/2處的寬度的中心作為衍射峰的位置的。其定峰過程如圖所示。其作法是自衍射峰底兩旁的背底曲線作切線ab，過衍射峰最高點p作x軸的垂線，交直線ab于p點。在pp/2處作平行于ab的直線，該直線交衍射譜線于M、N兩點，MN線段的中點O對應的橫坐標2就是要定的峰位。1/8高寬法拋物線法v衍射譜的

12、峰頂部份可近似看成拋物線，故可將拋物線的對稱軸的橫坐標作為峰位。圖為三點拋物線法定峰示意圖。如下圖，在頂峰附近選一點A22，I2后，在其左右等角距離2處各選一點B21，I1和C23，I3），最后用A、B、C三點的坐標按下式計算峰位 babap322221X射線應力測定的注意事項 v在X射線應力測定工作中還存在許多影響分析測試結(jié)果的因素。正確的選擇和處理這些問題才可以獲得精確的測試結(jié)果。v輻射的選擇對測量精度有直接的影響。首先應該使待測衍射面的角接近90（一般在75以上），其次是應兼顧背影強度。對鋼鐵材料，常被選用的輻射和晶面為：CoKa,(310)晶面；FeKa，（220晶面；CrKa，（211晶面。X射線應力測定的注意事項v試樣的表面狀態(tài)、形狀、晶粒大小和織構(gòu)等對應力測定都有影響。對多晶金屬試樣X射線照射深度一般在10微米左右。試樣表面的污垢、氧化皮或涂層將使X射線的吸收或散射發(fā)生變化，從而影響試樣本身的真實應力。測量前必須將它們除去。但是，當研究噴丸、滲碳、滲氮等表面處理產(chǎn)生的應力時，不能進行任何表面處理。對粗糙的試樣表面，因凸出部份已釋放掉一部份應力，從而測得的應力值一般偏小。故對表面粗糙的試樣，應用砂紙將欲測部位磨平，再用電解拋光去除加工層，然后才能測定。X射線應力測定的注意事項v晶粒過大使參與衍射的晶粒數(shù)目減少，衍射線峰形出現(xiàn)異常