材料測試技術(shù)第六章

材料測試技術(shù)第六章第1頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月§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，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月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)力位錯線附近、析出相周圍、晶界附近、復(fù)合材料界面等若干個原子尺度范圍內(nèi)不同種類的原子移動、擴(kuò)散和原子重新排列使晶格產(chǎn)生畸變第3頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

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都是測定應(yīng)力作用下產(chǎn)生的應(yīng)變，再按彈性定律計算應(yīng)力。第4頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月為什么X射線可以測定宏觀應(yīng)力？X射線應(yīng)力測量法特點：有效的無損檢測方法；X射線照射面積可以小到1～2mm直徑，因此可測定小區(qū)域的局部應(yīng)力；只能得到表面(10～30μm深)應(yīng)力，但精度受組織因素影響很大?！唷嗟?頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月§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εy但對均質(zhì)物質(zhì)，有

（為泊松比）第6頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月對于多晶體試樣，總可以找到若干個晶粒的（hkl）晶面與試樣表面平行，這些晶面的晶面間距變化是可測的：

因此第7頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月§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10～30m的深度，此時垂直于表面的應(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，在一個受力物體內(nèi)任一單元體上，應(yīng)力在各個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，僅存在三個相互垂直的主應(yīng)力1、

2、3。第8頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月在二維應(yīng)力下主應(yīng)力

1、

2與試樣表面平行，表層主應(yīng)力

3＝0，但在1和

2的作用下，垂直于試樣表面的應(yīng)變3并不為零，當(dāng)材料各向同性時：

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，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月求某方向上應(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、計算

：第10頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

將

3、代入

得若d0不知，則用dn代替d0

，得即第11頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

法基本原理∵∴(6-13)對（6-13）求偏導(dǎo):或第12頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月因為應(yīng)變是通過測量2θ實現(xiàn)的，因此將上述方程化成2θ形式∵∴令第13頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月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。測試時使X射線先后從幾個不同的ψ角人射，并分別測取各自的2θψ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．2θψ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2θψ－sin2ψ的關(guān)系圖，將各個測試值連成直線，并用最小二乘法求斜率M，再利用上式求得

σφ。當(dāng)M<0，表面為拉應(yīng)力；當(dāng)M>0，表面為壓應(yīng)力。則由于K1<0，所以第14頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月若2ψ

～sin2ψ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，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月第16頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月§6-4試驗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、幾何原理和實施方法。第17頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月衍射儀法測量步驟1、測定ψ0

＝0時的202、測定ψ為任意角時的2ψ

；3、用2ψ

～sin2ψ作圖，求出直線斜率M；4、求應(yīng)力常數(shù)K1；5、計算

＝K1M第18頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月以低碳鋼為例，λ為CrKα，λ＝0.22909nm1、測定ψ0

＝0時的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=78.2o則計算管在78.2o±5o掃描第19頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月2、測定ψ為任意角時的2ψ如要實現(xiàn)ψ

，將樣品臺繞測角儀軸旋轉(zhuǎn)ψ

，而入射線和計算器固定不動，這樣與試樣表面成ψ

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，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月3、用2ψ

～sin2ψ作圖，求出直線斜率M選取ψ

＝0，15，30，45進(jìn)行測量，結(jié)果如下：

用最小二乘法求得斜率M＝1.965，查P106表并計算得K1=-318.1MPa/

第21頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月sin2ψ法：一般測4點或4點以上的方法叫sin2ψ法，優(yōu)點是測量精確，缺點是測量次數(shù)較多。0

～45

法：只測量兩個方向的應(yīng)變，直線的斜率由首尾兩點決定。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，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)用通用型衍射儀時，聚焦幾何會發(fā)生變化計算管要能夠沿測角儀半徑移動，以達(dá)到聚焦的目的。第23頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)力儀法適用于大型構(gòu)件，試樣不動，通過改變X射線入射的方向獲得不同的ψ方位，ψ0即入射線與試樣表面法線的夾角。Ψ＝ψ0+(90o-θ）第24頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月§6-試驗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，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收因子和角因子的校正當(dāng)衍射峰寬化和不對稱時，需用吸收因子和角因子對峰形進(jìn)行修正：當(dāng)

0時，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，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，有必要進(jìn)行角因子

()修正；修正方法：采用拋物線法定峰位，將所選點的強(qiáng)度進(jìn)行校正，校正強(qiáng)度等于實測強(qiáng)度除以該點處的()R()。第28頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月衍射峰位置的確定定峰方法有重心法、切線法、半高寬法、中點連接法、三點拋物線法。1、半高寬法：以峰高1/2處的峰寬的中點作為峰的位置。第29頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月2、拋物線法式中第30頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月應(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)計算應(yīng)力常數(shù)K，而需用實驗方法測定。

已知第31頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月測試原理的適用條件適用條件：試樣材料為多晶