淬火鋼的宏觀內(nèi)應(yīng)力測定實驗報告

1、淬火鋼的宏觀內(nèi)應(yīng)力測定實驗報告 1、 實驗?zāi)康?、了解金屬材料內(nèi)應(yīng)力的分類和對材料性能的影響；2、掌握X射線衍射法測量金屬材料宏觀應(yīng)力的原理和實驗方法。2、 實驗內(nèi)容測定金屬材料宏觀內(nèi)應(yīng)力。3、 實驗儀器設(shè)備與材料D8 Advance型X射線衍射儀4、 實驗原理（一）、內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生、分類及其影響當(dāng)產(chǎn)生應(yīng)力的各種因素（如外力、溫度變化、加工過程、相變等）不復(fù)存在時，在物體內(nèi)部存在并保持平衡的應(yīng)力稱為內(nèi)應(yīng)力。按存在范圍的大小，可將內(nèi)應(yīng)力分為以下3種：第一類內(nèi)應(yīng)力：在較大范圍內(nèi)存在并保持平衡著的應(yīng)力。釋放之，體積或形狀發(fā)生變化。應(yīng)變均勻分布，這樣方位相同的各晶粒中同名HKL面的晶面間距變化就相同，從

2、而導(dǎo)致衍射峰位向同一方向發(fā)生漂移。衍射效應(yīng)：衍射峰位同一方向漂移。X射線儀測量的理論基礎(chǔ)漂移值。第二類內(nèi)應(yīng)力：在數(shù)個晶粒范圍內(nèi)存在并保持平衡著的應(yīng)力。釋放之，有時也會引宏觀體積或形狀發(fā)生變化。應(yīng)變分布不均勻，不同晶粒中，同名HKL面的晶面間距有的增加，有的減少，導(dǎo)致衍射峰位向不同方向發(fā)生漂移。衍射效應(yīng)：衍射峰漫散寬化。X射線測量的理論基礎(chǔ)寬化值。第三類內(nèi)應(yīng)力：在若干個原子范圍存在并平衡著的應(yīng)力。釋放之，不會引起宏觀體積和形狀的改變。原子離開平衡位置，產(chǎn)生點陣畸變。衍射效應(yīng)：衍射強度下降。宏觀應(yīng)力或殘余應(yīng)力對材料和部件的尺寸穩(wěn)定性、抗應(yīng)力腐蝕、疲勞強度、靜強度、硬度、以及相變和電磁性能均會產(chǎn)生影

3、響。一般認(rèn)為壓應(yīng)力有益提高構(gòu)件的疲勞強度;拉應(yīng)力可促使裂紋開裂、對應(yīng)力腐蝕和疲勞壽命產(chǎn)生不利影響。對宏觀應(yīng)力或殘余應(yīng)力研究很有實際意義，對其測量受學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注。測宏觀應(yīng)力或控殘余應(yīng)力以提高工件或材料的性能和使用壽命在工程上應(yīng)用極為重要。 如航空航天上用的鎳高溫合金渦輪發(fā)動機葉片和鋁合金均經(jīng)噴丸強化處理，提高疲勞壽命； 又如低碳不銹鋼經(jīng)二精煉工藝,提高了抗晶間應(yīng)力腐蝕性能；另還有小到鐘表游絲，大到球灌、船艦、大橋橋梁、鐵軌等等均需經(jīng)相應(yīng)的去應(yīng)力工藝處理，充分發(fā)揮材料或構(gòu)件自身潛力。因此，宏觀應(yīng)力的測定工作在確定工件的最佳工藝、預(yù)測工件使用壽命和分析工件失效形式等方面具有十分重要的意義。（

4、二）、宏觀應(yīng)力的測定原理X射線穿透深度約10m，材料表面應(yīng)力通常處于平面應(yīng)力狀態(tài)，法線方向的應(yīng)力( )為零,測定的是表面應(yīng)力。宏觀應(yīng)力引起較大范圍內(nèi)引起均勻變形，產(chǎn)生均勻應(yīng)變，使不同晶粒中的衍射面HKL的面間距同增或同減。一定應(yīng)力狀態(tài)引起的晶格應(yīng)變和宏觀應(yīng)變是一致的。應(yīng)變通過X射線法測得的晶面間距變化求得。布拉格方程，d變化，變化，以此來度量宏觀應(yīng)變。根據(jù)彈性力學(xué)的廣義虎克定律由宏觀應(yīng)變推知宏觀應(yīng)力(殘余應(yīng)力)。應(yīng)力單位面積上作用力,正值表示拉應(yīng)力，負(fù)表示壓應(yīng)力; 用正交坐標(biāo)系單位體積元表示，有九個應(yīng)力組份，可用3X3矩陣表示稱為應(yīng)力張量; 在力矩平衡條件下切應(yīng)力組份必須相等。體積元完整應(yīng)力描

5、述只有六個獨立變量(三個分正應(yīng)力和三個切應(yīng)力)。如右圖 圖1 六個獨立變量示意圖由衍射角位移可測得應(yīng)變，應(yīng)力測量基于應(yīng)變測量和己知材料的彈性常數(shù)。選高角衍射線測應(yīng)變 。在試樣坐標(biāo)系中,由傾角和方位角 表示多晶中有許多不同取向的晶粒中某晶粒晶靣的法線方向(衍射矢量方向)，在此方向上測量晶格應(yīng)變, 并用以度量宏觀應(yīng)變。 已知波長，測量宏觀量衍射角2與微觀量的晶面間距d相關(guān)。當(dāng)材料中無應(yīng)力存在時,同一（hkl）晶面產(chǎn)生的衍射峰衍射角2應(yīng)該相等。 應(yīng)力存在時, 位于不同傾角處同一（hkl）產(chǎn)生的衍射峰2角變化、面間距變化、宏觀應(yīng)力變化如圖2。圖2 不同傾角處的宏觀應(yīng)力在拉應(yīng)力狀態(tài)，晶面方位傾角越大，晶

6、面間距d越大，衍射角2就越?。辉趬簯?yīng)力狀態(tài)，晶面方位傾角越大，晶面間距d越小，衍射角2就越大；不同方位角為 ,傾角為方向應(yīng)變不同如圖3 。 晶面間距d隨著晶面方位角增大而遞增或遞減,表明材料表面存在拉應(yīng)力或壓應(yīng)力，遞增或遞減的急緩程度就反映了應(yīng)力值的大小變化如圖4。圖3 傾角為方向應(yīng)變示意圖圖4 衍射晶面方位角和應(yīng)力方向平面X 射線穿透深度小,僅薄表層被照射，處于平面應(yīng)力狀態(tài)3 =0，在=90時，根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變基本關(guān)系式，由彈性力學(xué)可得： （式1） 表層應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)其中，為待測方向的方向余弦，大小分別為：（式2） 將式2和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系式代式1，并化簡得得： （式3）由于考慮的是平面應(yīng)力，因此（

7、式4）將式4代入式3，得（式5）對兩邊偏導(dǎo)得：（式6）因為式中和分別代表待測方向上的衍射面HKL在有和沒有宏觀應(yīng)力時的面間距。由布拉格方程兩邊變分推得：則 （式7）式中，和分別代表待測方向上的衍射面HKL在有和沒有宏觀應(yīng)力時的衍射角。將式7代入式6化簡得 （式8）設(shè)可以把式8簡化為：式中 KX射線應(yīng)力常數(shù)，MPa/() M在不同方向測定的衍射線角與直線關(guān)系的斜率。如果知道了X射線應(yīng)力常數(shù)K，又在-45+45范圍選擇若干個方向測量衍射線角，作出與之間的相關(guān)直線（2），并求斜率，就可以計算出值。2直線一般用兩點法或多點法做出。兩點法：即0、45，分別測定2。過兩點做出直線，求得斜率。多點法：即取0

8、、15、30、45等，分別測定各自對應(yīng)的衍射角2，運用線性回歸法做出直線，求得斜率。（三）、試樣要求與表面處理：常規(guī)的X射線應(yīng)力測試是對無粗晶、射線穿透深度范圍內(nèi)是均勻連續(xù)和各向同性、無織構(gòu)材料有效。對鋼材，X射線穿透m至十幾m的深度，測試是這個深度范圍的平均應(yīng)力。 機加工而在材料表面產(chǎn)生的附加應(yīng)力層可達100m，需要對試樣表面進行處理。方法是用電化學(xué)或化學(xué)腐蝕等手段，去除表面存在附加應(yīng)力層。要求試樣表面必須光滑，沒有污垢、油膜及厚氧化層等。 測試機加工、噴丸、表面處理等工藝處理后的表面應(yīng)力，表面不 作任何處理，小心保護原始狀態(tài);凡需要修磨的，可以利用現(xiàn)場金相所配置的電動工具，在達到金相檢驗標(biāo)

9、準(zhǔn)后再作短暫電解拋光。 對于鋼鐵材料，只為除銹，不傷及金屬表面的辦法是用稀鹽酸腐蝕。 測定應(yīng)力沿層深分布，可用先用機械法快速剝層至一定深度,再電 解腐蝕方法進行逐層剝離，然后進行應(yīng)力測量。應(yīng)對剝層后應(yīng)力釋放作校正。五、實驗方法和步驟1、選擇Coupled2theta/theta掃描模式，例如為35至130，步長為0.02。從衍射譜中找到衍射峰位靠后而且較強的峰，確定掃描范圍。（注：應(yīng)力測量應(yīng)該用高角度的衍射峰，越高越好）。2、在XRD wizard中進行測試參數(shù)設(shè)置： （1）打開XRD wizard 軟件，點擊Newstress在出現(xiàn)的界面上（圖5），如果沒有需要改的參數(shù)，點擊OK即可。圖5

10、（2）在達芬奇界面上（圖6），前置Twin選擇狹縫光路0.5度；后置Twin選擇固定5.8mm開口；探測器可以選擇一維固定掃描（fixed scan）或連續(xù)掃描，取決于衍射峰的寬度。圖6 （3） 在detector selection上選擇PSD LYNXEYE，PSD electronic window 選擇Use default（圖7）。圖7 （4）Detector界面設(shè)定探測器的能量分辨率，根據(jù)材料的要求選擇能量窗口，例如Cu靶Fe樣品選擇0.18下限（圖8）。圖8 （5）Generator 界面設(shè)定電壓和電流（40kV和40mA）（圖9）。圖9 （6）在Scan type界面上，首先設(shè)

11、定測量的角度范圍，步長以及每步時間；mode選擇Side-inclination測量方式。分別設(shè)定chi傾斜范圍一般設(shè)定Start從0開始，Stop設(shè)為45，即樣品的傾斜角度為0-45，選擇Increment為9，即每隔9進行一次數(shù)據(jù)采集；設(shè)定phi軸角度，對于非各向異性的應(yīng)力樣品一般設(shè)置start為0，stop為180，increment為180，即只在0及180進行測試（圖10）。圖10 (7). 設(shè)定完畢后將設(shè)置測量腳本存為bsml格式。例如存為Fe-211-stress.bsml。在start job測量界面中調(diào)入bsml，設(shè)定數(shù)據(jù)名稱，點擊start開始應(yīng)力測試。3、殘余應(yīng)力分析殘余

12、應(yīng)力分析 軟件 Leptos S （1）打開Leptos S StressNew Stress or Click Create stress Appear stress object; （2）Import *.raw ; （3）Reduction/Fit (選中分析樣品有關(guān)的參數(shù)): Material，HKL，Wavelength,E,v, S1, 1/2S2, Aux, （4）Correct (對原始衍射譜線進行數(shù)據(jù)處理,如數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)處理，尋峰方法選擇等)如圖11; 圖11 （5）Stress Evaluation; （6）Results選 Stress model: Normal , Nor

13、mal + Shear , Biaxial , Biaxial+ Shear , Triaxial （7）Result , as save如圖12、13圖12圖136、 宏觀應(yīng)力分析結(jié)果所用設(shè)備在應(yīng)力測定狀態(tài)下的衍射幾何特點：若圓柱試樣沿軸向受拉應(yīng)力，則沿軸方向晶面間距增大，垂直于軸的方向晶面間距減小，衍射圓向橢圓變化。七、實驗注意事項1、測量時注意輻射安全。2、對兩點法與多點法的本質(zhì)差異應(yīng)有清新認(rèn)識。八、思考題1、簡單說明內(nèi)應(yīng)力的分類以及對材料性能的影響。 第一類內(nèi)應(yīng)力（宏觀應(yīng)力或殘余應(yīng)力）：在較大范圍內(nèi)存在并保持平衡著的應(yīng)力。釋放之，體積或形狀發(fā)生變化。應(yīng)變均勻分布，這樣方位相同的各晶粒中

14、同名HKL面的晶面間距變化就相同，從而導(dǎo)致衍射峰位向同一方向發(fā)生漂移。 第二類內(nèi)應(yīng)力（微觀應(yīng)力）：在數(shù)個晶粒范圍內(nèi)存在并保持平衡著的應(yīng)力。釋放之，有時也會引宏觀體積或形狀發(fā)生變化。應(yīng)變分布不均勻，不同晶粒中，同名HKL面的晶面間距有的增加，有的減少，導(dǎo)致衍射峰位向不同方向發(fā)生漂移。 第三類內(nèi)應(yīng)力（超微觀應(yīng)力）：在若干個原子范圍存在并平衡著的應(yīng)力。釋放之，不會引起宏觀體積和形狀的改變。原子離開平衡位置，產(chǎn)生點陣畸變。宏觀應(yīng)力或殘余應(yīng)力對工件的力學(xué)性能、物理性能以及尺寸穩(wěn)定性均會產(chǎn)生影響。當(dāng)工件存在的殘余應(yīng)力大于其屈服強度時會使工件變形，高于其抗拉強度時會使工件開裂。一般認(rèn)為壓應(yīng)力有益提高構(gòu)件的疲勞強度;拉應(yīng)力可促使裂紋開裂、對應(yīng)力