燕山大學(xué)材料考研第8章_X射線的應(yīng)力測定

1、第九章第九章 X X射線應(yīng)力測定射線應(yīng)力測定 9.1 內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生和分類內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生和分類9.2 應(yīng)力測量方法應(yīng)力測量方法9.3 X射線單軸應(yīng)力測定原理射線單軸應(yīng)力測定原理9.4 X射線平面應(yīng)力測定原理射線平面應(yīng)力測定原理9.5 實驗測量方法實驗測量方法 金屬材料及其制品在冷、熱加工（如切削、裝配、冷金屬材料及其制品在冷、熱加工（如切削、裝配、冷拉、冷軋、鑄造、鍛造、熱處理、電鍍等）過程中，拉、冷軋、鑄造、鍛造、熱處理、電鍍等）過程中，常常產(chǎn)生殘余應(yīng)力。常常產(chǎn)生殘余應(yīng)力。 研究和測定材料中的宏觀殘余應(yīng)力有巨大的實際意義研究和測定材料中的宏觀殘余應(yīng)力有巨大的實際意義. .（1 1）通過應(yīng)力測定檢

2、查消除應(yīng)力的各種工藝的效果；）通過應(yīng)力測定檢查消除應(yīng)力的各種工藝的效果；（2 2）通過應(yīng)力測定間接檢查一些表面處理的效果；）通過應(yīng)力測定間接檢查一些表面處理的效果；（3 3）預(yù)測零件疲勞強(qiáng)度的貯備等等。）預(yù)測零件疲勞強(qiáng)度的貯備等等。 研究和測定材料中的宏觀殘余應(yīng)力在評價材料強(qiáng)研究和測定材料中的宏觀殘余應(yīng)力在評價材料強(qiáng)度、控制加工工藝、檢驗產(chǎn)品質(zhì)量、分析破壞事度、控制加工工藝、檢驗產(chǎn)品質(zhì)量、分析破壞事故等方面是有力的手段故等方面是有力的手段. .9.1 內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生與分類內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生與分類殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力 殘余應(yīng)力是材料及其制品內(nèi)部存在的一種內(nèi)殘余應(yīng)力是材料及其制品內(nèi)部存在的一種內(nèi)應(yīng)力，是指產(chǎn)生

3、應(yīng)力的各種因素消除時，由應(yīng)力，是指產(chǎn)生應(yīng)力的各種因素消除時，由于不均勻的塑性變形和不均勻的相變的影響，于不均勻的塑性變形和不均勻的相變的影響，在物體內(nèi)部依然存在并自身保持平衡的應(yīng)力。在物體內(nèi)部依然存在并自身保持平衡的應(yīng)力。 通常殘余應(yīng)力可分為通常殘余應(yīng)力可分為宏觀應(yīng)力宏觀應(yīng)力、微觀應(yīng)力微觀應(yīng)力和和點(diǎn)陣畸變應(yīng)力點(diǎn)陣畸變應(yīng)力三種，分別稱為第一類應(yīng)力、三種，分別稱為第一類應(yīng)力、第二類應(yīng)力和第三類應(yīng)力。第二類應(yīng)力和第三類應(yīng)力。三種殘余應(yīng)力與衍射譜三種殘余應(yīng)力與衍射譜 當(dāng)殘余應(yīng)力當(dāng)殘余應(yīng)力在整個工件范圍或相當(dāng)大的范圍內(nèi)達(dá)在整個工件范圍或相當(dāng)大的范圍內(nèi)達(dá)到平衡時到平衡時，稱，稱宏觀殘余應(yīng)力宏觀殘余應(yīng)力或第

4、一類應(yīng)力。這使或第一類應(yīng)力。這使角發(fā)生變化，從而使衍射線位移。測定衍射線角發(fā)生變化，從而使衍射線位移。測定衍射線位移，可求出宏觀殘余應(yīng)力。位移，可求出宏觀殘余應(yīng)力。 殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力在一個或幾個晶粒范圍內(nèi)平衡時在一個或幾個晶粒范圍內(nèi)平衡時，稱，稱微微觀應(yīng)力觀應(yīng)力或第二類應(yīng)力。微觀應(yīng)力存在時，各晶?；虻诙悜?yīng)力。微觀應(yīng)力存在時，各晶粒的同一的同一HKLHKL面族的面間距將出現(xiàn)差別，分布在一面族的面間距將出現(xiàn)差別，分布在一個范圍內(nèi)，衍射譜線變寬。因此，根據(jù)衍射線形個范圍內(nèi)，衍射譜線變寬。因此，根據(jù)衍射線形的變化，就能測定微觀應(yīng)力。的變化，就能測定微觀應(yīng)力。 殘余應(yīng)力在殘余應(yīng)力在一個晶粒內(nèi)上百個或幾

5、千個原子之間一個晶粒內(nèi)上百個或幾千個原子之間達(dá)到平衡時，稱達(dá)到平衡時，稱點(diǎn)陣畸變應(yīng)力點(diǎn)陣畸變應(yīng)力或第三類應(yīng)力。這或第三類應(yīng)力。這導(dǎo)致衍射線強(qiáng)度降低。根據(jù)衍射線的強(qiáng)度下降，導(dǎo)致衍射線強(qiáng)度降低。根據(jù)衍射線的強(qiáng)度下降，可以測定第三類應(yīng)力?？梢詼y定第三類應(yīng)力。衍射衍射峰位峰位置置衍射衍射峰寬峰寬度度衍射衍射峰強(qiáng)峰強(qiáng)度度9.2 應(yīng)力測量方法應(yīng)力測量方法測定殘余應(yīng)力的方法有：測定殘余應(yīng)力的方法有：X射線法射線法電阻應(yīng)變片法、電阻應(yīng)變片法、機(jī)械引伸儀法、機(jī)械引伸儀法、小孔松弛法、小孔松弛法、超聲波、超聲波、光彈性復(fù)膜法光彈性復(fù)膜法X X射線應(yīng)力測定的優(yōu)點(diǎn)射線應(yīng)力測定的優(yōu)點(diǎn) 1.X1.X射線法測定表面殘余應(yīng)力

6、為射線法測定表面殘余應(yīng)力為非破壞性非破壞性試驗方法。試驗方法。 2.2.塑性變形時晶面間距并不變化，也就不會使衍射線塑性變形時晶面間距并不變化，也就不會使衍射線位移，因此，位移，因此，X X射線法測定的是射線法測定的是純彈性應(yīng)變純彈性應(yīng)變。用其他方。用其他方法測得的應(yīng)變，實際上是彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變之和，法測得的應(yīng)變，實際上是彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變之和，兩者無法分辨。兩者無法分辨。 3.X3.X射線法可以測定射線法可以測定12mm12mm以內(nèi)的很以內(nèi)的很小范圍內(nèi)小范圍內(nèi)的應(yīng)變，的應(yīng)變，而其他方法測定的應(yīng)變，通常為而其他方法測定的應(yīng)變，通常為2030mm2030mm范圍內(nèi)的平均。范圍內(nèi)的平均。 4.X

7、4.X射線法測定的是試樣表層大約射線法測定的是試樣表層大約10m10m深度內(nèi)的深度內(nèi)的二維二維應(yīng)力應(yīng)力。 5.5.可以測量材料中的可以測量材料中的三類應(yīng)力三類應(yīng)力。X X射線法的不足之處射線法的不足之處 測試測試設(shè)備費(fèi)用昂貴設(shè)備費(fèi)用昂貴； 受穿透深度所限，受穿透深度所限，只能無破壞地測表面應(yīng)力只能無破壞地測表面應(yīng)力，若測深層應(yīng)力，也需破壞試樣；若測深層應(yīng)力，也需破壞試樣； 當(dāng)被測工件不能給出明銳的衍射線時，當(dāng)被測工件不能給出明銳的衍射線時，測量精測量精確度確度不高。能給出明銳衍射峰的試樣，其測量不高。能給出明銳衍射峰的試樣，其測量誤差約為誤差約為2 210107 7Pa(Pa(2kgf/mm2

8、kgf/mm2 2) )； 試樣晶粒尺寸太大或太小時，測量精度不高；試樣晶粒尺寸太大或太小時，測量精度不高； 大型零件大型零件不能測試；不能測試； 運(yùn)動狀態(tài)中的運(yùn)動狀態(tài)中的瞬時應(yīng)力測試瞬時應(yīng)力測試也有困難。也有困難。9.3.0 X9.3.0 X射線應(yīng)力測定原理射線應(yīng)力測定原理 在諸多測定殘余應(yīng)力的方法中，除超聲波法外，其他在諸多測定殘余應(yīng)力的方法中，除超聲波法外，其他方法的共同點(diǎn)都是測定應(yīng)力作用下產(chǎn)生的應(yīng)變，再按方法的共同點(diǎn)都是測定應(yīng)力作用下產(chǎn)生的應(yīng)變，再按虎克定律虎克定律 計算應(yīng)力。計算應(yīng)力。X X射線殘余應(yīng)力測定方法也是一種間接方法，射線殘余應(yīng)力測定方法也是一種間接方法，它是根據(jù)衍射線條的

9、它是根據(jù)衍射線條的角變化角變化，即根據(jù)衍射方向上某，即根據(jù)衍射方向上某個晶面的衍射線位移量個晶面的衍射線位移量，計算出面間距變化，進(jìn)而，計算出面間距變化，進(jìn)而計算出該方向上的應(yīng)力。計算出該方向上的應(yīng)力。Ectgdd9.3 9.3 單軸應(yīng)力測定原理單軸應(yīng)力測定原理 在拉應(yīng)力在拉應(yīng)力y y當(dāng)作用下，試樣沿當(dāng)作用下，試樣沿y y軸產(chǎn)生變形。假設(shè)晶粒中某一晶軸產(chǎn)生變形。假設(shè)晶粒中某一晶面（面（hklhkl）與）與y y軸垂直，無應(yīng)力條軸垂直，無應(yīng)力條件下晶面間距為件下晶面間距為d d0 0。在應(yīng)力作用。在應(yīng)力作用下變?yōu)橄伦優(yōu)閐 dn n，0ddEEyy 單軸應(yīng)力測量原理單軸應(yīng)力測量原理 若能測得垂直若

10、能測得垂直y軸晶面（軸晶面（hkl）的）的晶面間距的擴(kuò)張量晶面間距的擴(kuò)張量0ddy0dddyn則應(yīng)變則應(yīng)變根據(jù)彈性力學(xué)原理，應(yīng)力為：根據(jù)彈性力學(xué)原理，應(yīng)力為：單軸應(yīng)力測定原理單軸應(yīng)力測定原理 但是，但是，從試驗技術(shù)講，尚無法測得這個方位上的晶面間從試驗技術(shù)講，尚無法測得這個方位上的晶面間距變化。由材料力學(xué)可知，從距變化。由材料力學(xué)可知，從z z方向和方向和x x方向的變化可以方向的變化可以間接推算間接推算y y方向的應(yīng)變。對于均勻物質(zhì)有方向的應(yīng)變。對于均勻物質(zhì)有: : 為材料的泊松比。對于多晶體試樣，總有若干個晶粒為材料的泊松比。對于多晶體試樣，總有若干個晶粒中的中的(hkl)(hkl)晶面晶

11、面與表面平行與表面平行，晶面法線為，晶面法線為NpNp，在應(yīng)力，在應(yīng)力yy作用下，這一晶面間距的變化（縮?。┦强蓽y的，如晶作用下，這一晶面間距的變化（縮小）是可測的，如晶面間距在應(yīng)力作用下變?yōu)槊骈g距在應(yīng)力作用下變?yōu)閐 dn n，則，則z z方向反射面的晶面間方向反射面的晶面間距變化距變化d=dd=dn n-d-d0 0，則，則yzx00dddznz單軸應(yīng)力測定原理單軸應(yīng)力測定原理 于是有于是有yy。 Z Z方向的晶面間距的變化方向的晶面間距的變化可通過測量衍射線條位移可通過測量衍射線條位移獲獲得。得。ctgdd00)(dddEEEnZyyctgEy此公式為此公式為測定單軸應(yīng)力的基本公式測定單軸

12、應(yīng)力的基本公式。表明在單軸應(yīng)力作用下，式。表明在單軸應(yīng)力作用下，式樣中存在宏觀應(yīng)力時，衍射線產(chǎn)生位移。通過測量位移量，計算樣中存在宏觀應(yīng)力時，衍射線產(chǎn)生位移。通過測量位移量，計算宏觀殘余應(yīng)力。宏觀殘余應(yīng)力。9.4 平面應(yīng)力測定原理平面應(yīng)力測定原理 一般情況下，材料的應(yīng)力狀態(tài)并非是單一般情況下，材料的應(yīng)力狀態(tài)并非是單軸應(yīng)力那么簡單，在其內(nèi)部單元體通常軸應(yīng)力那么簡單，在其內(nèi)部單元體通常處于三軸應(yīng)力狀態(tài)。但其表面由于垂直處于三軸應(yīng)力狀態(tài)。但其表面由于垂直于表面方向的應(yīng)力為零，所以表面為平于表面方向的應(yīng)力為零，所以表面為平面應(yīng)力。面應(yīng)力。 由于由于X X射線只能照射深度射線只能照射深度10-30m10

13、-30m左右的左右的表層，所以表層，所以X X射線法測定的正是表面（二射線法測定的正是表面（二維的）平面應(yīng)力。維的）平面應(yīng)力。實驗操作實驗操作 1, 1 3 3=0 2, 2 , COAB 平面應(yīng)力測定原理平面應(yīng)力測定原理322212sin1sinsincossin323222121aaa2321sin1cossinsincossinaaa沿著沿著OA方向的應(yīng)變與三個主應(yīng)變的關(guān)系為：方向的應(yīng)變與三個主應(yīng)變的關(guān)系為：式中式中1、 2 、3為為 相對于三個相對于三個主應(yīng)變方向的主應(yīng)變方向的方向余弦方向余弦。有：。有：3222123sinsinsincossin于是有：于是有： 1, 1 3 3=0

14、 2, 2 , COAB 213331223211111EEE廣義胡克定律：廣義胡克定律：21312221111EEEE為彈性模量，為彈性模量， 泊松比，泊松比， 1， 2， 3主應(yīng)力主應(yīng)力平面應(yīng)力，平面應(yīng)力， 3=0，于是有：，于是有：222213sinsincos1E沿著沿著OA方向的應(yīng)力與三個主應(yīng)力的關(guān)系為：方向的應(yīng)力與三個主應(yīng)力的關(guān)系為：323222121aaa2212sinsincossin03222121aa平面應(yīng)力情況：平面應(yīng)力情況：于是有：于是有：代入方向余弦有：代入方向余弦有： 1, 1 3 3=0 2, 2 , COAB 2221sincos23sin1E當(dāng)當(dāng) =90o,

15、變?yōu)樽優(yōu)?，而且，而且sin =1,2212sinsincossin222213sinsincos1E 1, 1 3 3=0 2, 2 , COAB 003033ddddd00000ctgddddd23sin1E203sin1Eddd032sin)1 (dddE實際操作實際操作23sin1E213E)(sin1212EEE1sin22sin1E+兩邊對兩邊對 sin2 求導(dǎo)得到：求導(dǎo)得到：20sin212ctgE000ddddd22ctgctgdd)22(222000ctgctgdd已知：已知：2sin1E20sin218012ctgE角度表示角度表示弧度表示弧度表示于是：于是： 1, 1 3

16、 3=0 2, 2 , COAB 9.5 測量實驗方法測量實驗方法 選定一個衍射面選定一個衍射面(HKL)(HKL)作為研究作為研究對象。對象。020sin218012ctgE X X射線從不同入射角度照射樣射線從不同入射角度照射樣品，測定（品，測定（HKLHKL）衍射面在不）衍射面在不同同 角下的角下的2 2 值（值（2 2 ）。）。sin22衍射儀法測定殘余應(yīng)力的幾何關(guān)系衍射儀法測定殘余應(yīng)力的幾何關(guān)系 sin2法法X X射線應(yīng)力儀射線應(yīng)力儀 X X射線應(yīng)力儀的結(jié)構(gòu)示意圖，其核射線應(yīng)力儀的結(jié)構(gòu)示意圖，其核心部份為測角儀。心部份為測角儀。 應(yīng)力儀的測角儀為立式，測角儀應(yīng)力儀的測角儀為立式，測角

17、儀上裝有可繞試件轉(zhuǎn)動的上裝有可繞試件轉(zhuǎn)動的X X射線管和射線管和計數(shù)管（即輻射探測器）。計數(shù)管（即輻射探測器）。 通過通過00調(diào)節(jié)使調(diào)節(jié)使X X射線管轉(zhuǎn)動，以射線管轉(zhuǎn)動，以改變?nèi)肷渚€的方向。從改變?nèi)肷渚€的方向。從X X射線管射線管1 1發(fā)出的發(fā)出的X X射線，經(jīng)入射光闌射線，經(jīng)入射光闌2 2照到照到位于試樣臺位于試樣臺3 3的試件的試件4 4上，衍射線上，衍射線則通過接收光闌則通過接收光闌5 5進(jìn)入計數(shù)管進(jìn)入計數(shù)管6 6。計數(shù)管在測角儀圓上的掃描速度計數(shù)管在測角儀圓上的掃描速度可以選擇可以選擇, ,掃描范圍為掃描范圍為110170110170。 應(yīng)力儀示意圖應(yīng)力儀示意圖1 1，試樣臺，試樣臺，

18、2 2試樣，試樣，3 3小鏡，小鏡，4 4標(biāo)距桿，標(biāo)距桿，5X5X射線管，射線管，6 6，入，入射光闌，射光闌，7 7接收光闌，接收光闌，8 8計數(shù)計數(shù)器器X X射線應(yīng)力測定的注意事項射線應(yīng)力測定的注意事項 衍射面的選擇：衍射面的選擇： 應(yīng)該使待測衍射面的應(yīng)該使待測衍射面的角接近角接近9090（一般在（一般在7575以上），其次以上），其次是應(yīng)兼顧背影強(qiáng)度。對鋼鐵材料，常被選用的輻射和晶面為：是應(yīng)兼顧背影強(qiáng)度。對鋼鐵材料，常被選用的輻射和晶面為：CoKa,(310)CoKa,(310)晶面；晶面；FeKaFeKa，（，（220220）晶面；）晶面；CrKaCrKa，（，（211211）晶面。）晶面。 晶粒尺寸晶粒尺寸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，測定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，測定的應(yīng)力值可靠性下降，重現(xiàn)性差。如果晶粒過小，將使衍射線的應(yīng)力值可靠性下降，重現(xiàn)性差。如果晶粒過小，將使衍射線寬化，測量精度下降。一般晶粒直徑在寬化，測量精度下降。