材料測試技術(shù)第六章

1、材料測試技術(shù)第六章第1頁，共33頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四6-1 引 言內(nèi)應(yīng)力是指產(chǎn)生應(yīng)力的各種外部因素撤除之后材料內(nèi)部依然存在、并自身保持平衡的應(yīng)力。通常分為三類：第一類內(nèi)應(yīng)力；第二類內(nèi)應(yīng)力；第三類內(nèi)應(yīng)力。第一類內(nèi)應(yīng)力又稱宏觀應(yīng)力，在工程上常把宏觀應(yīng)力稱為殘余應(yīng)力。第2頁，共33頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四類型名稱平衡范圍衍射效應(yīng)產(chǎn)生原因第一類內(nèi)應(yīng)力宏觀內(nèi)應(yīng)力在物體內(nèi)部相當(dāng)大（眾多晶粒）范圍內(nèi)使譜線位移熱處理、表面處理、機(jī)加工等第二類內(nèi)應(yīng)力微觀內(nèi)應(yīng)力晶粒、亞晶粒內(nèi)部使譜線寬化或衍射強(qiáng)度降低晶格的彈性彎曲、扭轉(zhuǎn)或均勻壓縮、拉伸第三類內(nèi)應(yīng)力超微觀內(nèi)應(yīng)力位錯(cuò)線

2、附近、析出相周圍、晶界附近、復(fù)合材料界面等若干個(gè)原子尺度范圍內(nèi)不同種類的原子移動(dòng)、擴(kuò)散和原子重新排列使晶格產(chǎn)生畸變第3頁，共33頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四 構(gòu)件中的宏觀殘余應(yīng)力與其疲勞強(qiáng)度，抗應(yīng)力腐蝕能力以及尺寸穩(wěn)定性等有關(guān)，并直接影響其使用壽命。如焊接構(gòu)件中的殘余應(yīng)力會使其變形，因而應(yīng)當(dāng)予以消除。而承受往復(fù)載荷的曲軸等零件在表面存在適當(dāng)壓應(yīng)力又會提高其疲勞強(qiáng)度。因此測定殘余內(nèi)應(yīng)力對控制加工工藝，檢查表面強(qiáng)化或消除應(yīng)力工序的工藝效果有重要的實(shí)際意義。 測定宏觀應(yīng)力的方法很多，有電阻應(yīng)變片法，小孔松弛法，超聲波法，和X射線衍射法等等。除了超聲波法以外，其它方法的共同特點(diǎn)都是測

3、定應(yīng)力作用下產(chǎn)生的應(yīng)變，再按彈性定律計(jì)算應(yīng)力。第4頁，共33頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四為什么X射線可以測定宏觀應(yīng)力？X射線應(yīng)力測量法特點(diǎn)：有效的無損檢測方法；X射線照射面積可以小到12mm直徑，因此可測定小區(qū)域的局部應(yīng)力；只能得到表面 (1030m深 )應(yīng)力，但精度受組織因素影響很大。第5頁，共33頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四6-2 單軸應(yīng)力測定原理在拉應(yīng)力y的作用下應(yīng)變：應(yīng)力：X射線不能直接測量y但對均質(zhì)物質(zhì)，有 （為泊松比）第6頁，共33頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四對于多晶體試樣，總可以找到若干個(gè)晶粒的（hkl）晶面與試樣表面平行，這

4、些晶面的晶面間距變化是可測的： 因此第7頁，共33頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四6-3 平面應(yīng)力測定原理由于X射線的穿透能力有限，只能測到1030m的深度，此時(shí)垂直于表面的應(yīng)力分量近似為零，即測得的是接近二維平面應(yīng)力。根據(jù)彈性力學(xué)原理，在一個(gè)受力物體內(nèi)任一單元體上，應(yīng)力在各個(gè)方向上可分解為正應(yīng)力和切應(yīng)力，而且適當(dāng)調(diào)整單元體方位，總可以找到合適的方向，使得各平面上切應(yīng)力為零，僅存在三個(gè)相互垂直的主應(yīng)力1、 2 、3。第8頁，共33頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四在二維應(yīng)力下主應(yīng)力1、 2與試樣表面平行，表層主應(yīng)力30，但在1和 2 的作用下，垂直于試樣表面的應(yīng)變3并

5、不為零，當(dāng)材料各向同性時(shí)：3可由平行于表面的某晶面間距d值的變化測量，即第9頁，共33頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四求某方向上應(yīng)力的方法1、測定垂直表面的應(yīng)變3：2、測定與表面呈 的應(yīng)變 ：3、由3、 計(jì)算 ：第10頁，共33頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四 將3、 代入 得若d0不知，則用dn代替d0 ，得即第11頁，共33頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四 法基本原理(6-13)對（6-13）求偏導(dǎo):或第12頁，共33頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四因?yàn)閼?yīng)變 是通過測量2實(shí)現(xiàn)的，因此將上述方程化成2形式令第13頁，共33頁，2022年

6、，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四K1屬于材料晶體學(xué)特性參數(shù)，同一晶體不同衍射面K1不同，一般通過查表可以得到。測試時(shí)使X射線先后從幾個(gè)不同的角人射，并分別測取各自的2角，因每次反射都是由與試樣表面呈不同取的同種(hkl)所產(chǎn)生的2的變化反應(yīng)了與試樣表面處于不同方位上的同種(hkl)晶面的面間距的改變。根據(jù)測試結(jié)果作2sin2的關(guān)系圖，將各個(gè)測試值連成直線，并用最小二乘法求斜率M，再利用上式求得 。當(dāng)M 0，表面為壓應(yīng)力。則由于K1 0，所以第14頁，共33頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四若2 sin2 關(guān)系失去線性，說明材料的狀態(tài)偏離應(yīng)力公式推導(dǎo)的假說條件，即在X射線穿透深度范圍

7、內(nèi)有明顯的應(yīng)力梯度、非平面應(yīng)力狀態(tài)(三維應(yīng)力狀態(tài))或材料內(nèi)存在織構(gòu)(擇優(yōu)取向)。 第15頁，共33頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四第16頁，共33頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四6-4 試驗(yàn)方法原則上可采用照相法和衍射儀法來測定宏觀應(yīng)力，但照相法效率低、誤差大，現(xiàn)在一般不使用，多用衍射法。衍射法通常包括衍射儀法和應(yīng)力儀法，其中應(yīng)力儀可對工件進(jìn)行現(xiàn)場檢測。衍射儀法是通用的方法，主要掌握其測量步驟、幾何原理和實(shí)施方法。第17頁，共33頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四衍射儀法測量步驟1、測定0 0時(shí)的202、測定為任意角時(shí)的2 ；3、用2 sin2 作圖，求

8、出直線斜率M；4、求應(yīng)力常數(shù)K1；5、計(jì)算 K1M第18頁，共33頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四以低碳鋼為例，為CrK， 0.22909nm1、測定0 0時(shí)的20，試樣表面法線Ns與反射晶面(hkl)法線Np重合。測鐵素體的(211)衍射線，d=0.117nm由得出 0 =78.2則計(jì)算管在78.25掃描第19頁，共33頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四2、測定為任意角時(shí)的2 如要實(shí)現(xiàn) ，將樣品臺繞測角儀軸旋轉(zhuǎn) ，而入射線和計(jì)算器固定不動(dòng)，這樣與試樣表面成 的(211)符合衍射條件，產(chǎn)生衍射束，其幾何關(guān)系如圖。第20頁，共33頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，

9、星期四3、用2 sin2 作圖，求出直線斜率M選取 0 ，15， 30 ，45 進(jìn)行測量，結(jié)果如下： 用最小二乘法求得斜率M1.965，查P106表并計(jì)算得K1=-318.1MPa/ 第21頁，共33頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四sin2 法：一般測4點(diǎn)或4點(diǎn)以上的方法叫sin2 法，優(yōu)點(diǎn)是測量精確，缺點(diǎn)是測量次數(shù)較多。0 45 法：只測量兩個(gè)方向的應(yīng)變，直線的斜率由首尾兩點(diǎn)決定。該法只適用晶粒較細(xì)小、無織構(gòu)、微應(yīng)力不嚴(yán)重的情況。第22頁，共33頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四當(dāng)用通用型衍射儀時(shí)，聚焦幾何會發(fā)生變化計(jì)算管要能夠沿測角儀半徑移動(dòng)，以達(dá)到聚焦的目的。第

10、23頁，共33頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四應(yīng)力儀法適用于大型構(gòu)件，試樣不動(dòng)，通過改變X射線入射的方向獲得不同的方位， 0即入射線與試樣表面法線的夾角。 0+(90-）第24頁，共33頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四6-試驗(yàn)精度的保證及測試原理的適用條件 樣品制備 輻射的選擇吸收因子和角因子的校正 衍射峰位置的確定 測試原理的適用條件 第25頁，共33頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四樣品制備加工切割至合適尺寸，表面磨平；表面深腐蝕去除機(jī)加工層；表面清洗、干燥；對于測量因加工、表面處理所引起的表面殘余應(yīng)力，應(yīng)保留表面狀態(tài)，不作破壞性處理。第26頁，共3

11、3頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四輻射的選擇反射晶面（hkl）盡量選擇角接近90 （一般應(yīng)在75以上）；衍射背底強(qiáng)度較低，衍射峰較尖銳。 根據(jù)上述原則和試樣材料，選擇合適的陽極靶和反射晶面（hkl）。第27頁，共33頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四吸收因子和角因子的校正當(dāng)衍射峰寬化和不對稱時(shí)，需用吸收因子和角因子對峰形進(jìn)行修正：當(dāng)0 時(shí)，入射線和衍射線在試樣中所經(jīng)歷的路程不同，吸收因子不僅與角有關(guān)，而且與角有關(guān)，從而造成衍射峰不對稱。當(dāng)衍射峰半高寬大于6且應(yīng)力較大時(shí)，有必要考慮吸收修正因子：當(dāng)衍射峰半高寬在3.5 4以上時(shí)，有必要進(jìn)行角因子()修正；修正方法：采用拋

12、物線法定峰位，將所選點(diǎn)的強(qiáng)度進(jìn)行校正，校正強(qiáng)度等于實(shí)測強(qiáng)度除以該點(diǎn)處的()R()。第28頁，共33頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四衍射峰位置的確定定峰方法有重心法、切線法、半高寬法、中點(diǎn)連接法、三點(diǎn)拋物線法。1、半高寬法：以峰高1/2處的峰寬的中點(diǎn)作為峰的位置。第29頁，共33頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四2、拋物線法式中第30頁，共33頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四應(yīng)力常熟K值測定晶體存在各向異性的，而X射線應(yīng)力測定是基于某一反射面的。因此不能直接應(yīng)用多晶體的彈性常數(shù)計(jì)算應(yīng)力常數(shù)K，而需用實(shí)驗(yàn)方法測定。 已知第31頁，共33頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)18分，星期四測試原理的適用條件適用條件：試樣材