X射線晶體學(xué) 11.殘余應(yīng)力測(cè)量學(xué)習(xí)資料

X射線晶體學(xué)

11.殘余應(yīng)力測(cè)量提綱殘余應(yīng)力簡(jiǎn)介殘余應(yīng)力的測(cè)量原理實(shí)驗(yàn)方法計(jì)算實(shí)例計(jì)算殘余應(yīng)力注意事項(xiàng)1.殘余應(yīng)力簡(jiǎn)介通常把沒有外力或外力矩作用而在物體內(nèi)部依然存在并自身保持平衡的應(yīng)力叫做內(nèi)應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力一般分為三類：第一類應(yīng)力是指宏觀尺寸范圍內(nèi)平衡的應(yīng)力，它是存在于各個(gè)晶粒的數(shù)值不等的內(nèi)應(yīng)力在很多晶粒范圍內(nèi)的平均值，是較大體積宏觀變形不協(xié)調(diào)的結(jié)果，可以將其看作是與外載應(yīng)力等效的應(yīng)力。這類應(yīng)力會(huì)使x射線衍射譜線位移。第二類應(yīng)力是平衡于晶粒尺寸范圍內(nèi)的應(yīng)力，相當(dāng)于各個(gè)晶粒尺度范圍（或各晶粒區(qū)域）的內(nèi)應(yīng)力的平均值，可歸結(jié)為各個(gè)晶?；蚓Я^(qū)域之間的變形不協(xié)調(diào)性。這類應(yīng)力通常使x射線衍射譜線展寬（也可能使衍射譜線位移）。第三類應(yīng)力是平衡于單位晶胞內(nèi)的應(yīng)力，是局部存在的內(nèi)應(yīng)力，圍繞著各個(gè)晶粒的第二類應(yīng)力值的波動(dòng)。對(duì)晶體材料而言，它與晶格畸變和位錯(cuò)組態(tài)相聯(lián)系。這類應(yīng)力使X射線衍射強(qiáng)度下降。命名與分婁在一般英美文獻(xiàn)中把第一類應(yīng)力稱為“宏觀應(yīng)力”（Macrostress)，而對(duì)第二類和第三類內(nèi)應(yīng)力采用“微觀應(yīng)力”（Microstress)的概念。在我國科技文獻(xiàn)中，習(xí)慣于把第一類應(yīng)力稱為“殘余應(yīng)力”，把第二類應(yīng)力稱為“微觀應(yīng)力”，而第三類應(yīng)力的名稱尚未統(tǒng)一，有的稱為“晶格畸變應(yīng)力”，有的稱為“超微觀應(yīng)力”。工程界習(xí)慣于以產(chǎn)生殘余應(yīng)力的工藝過程來命名和歸類，如鑄造應(yīng)力、焊接應(yīng)力、熱處理殘余應(yīng)力、磨削殘余應(yīng)力、噴丸殘余應(yīng)力等都是指第一類殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力是材料中發(fā)生了不均勻的彈性變形或不均勻的彈塑性變形的結(jié)果，或者說是材料的彈性各向異性和塑性各向異性的反映。單晶體材料是一個(gè)各向異性體；多晶體材料雖然在宏觀上表現(xiàn)出“偽各向同性”，但在微區(qū)，由于晶界的存在和晶粒的不同取向，彈塑性變形總是不均勻的。熱影響造成材料不均勻變形的原因主要有：(1)冷熱變形時(shí)沿截面彈塑性變形不均勻；(2)工件加熱及冷卻時(shí)其內(nèi)部溫度分布不均勻，從而導(dǎo)致熱脹冷縮不均勻；(3)熱處理時(shí)不均勻的溫度分布引起相變過程的不同時(shí)性。上述三方面在材料加工和處理過程中都是難以避免的，因而在機(jī)件中存在殘余應(yīng)力也是必然的。通常鋼在熱處理時(shí)形成的殘余應(yīng)力是冷卻過程中的熱應(yīng)力和相變應(yīng)力共同作用的結(jié)果，并且兩者之間有一定的交互作用。各種工藝過程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力往往是變形、溫度變化和相變引起的殘余應(yīng)力的綜合結(jié)果，而各種工藝參數(shù)和機(jī)件的幾何形狀、尺寸大小等對(duì)每種工藝過程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力有著錯(cuò)綜復(fù)雜的影響。機(jī)件中各部位的殘余應(yīng)力一般不是一個(gè)固定值，在各種外界因素的作用下將發(fā)生變化，這就是殘余應(yīng)力的松弛和衰減。不論是宏觀殘余應(yīng)變還是微觀殘余應(yīng)變都使材料內(nèi)部?jī)?chǔ)備了一定量的彈性應(yīng)變能，從而使系統(tǒng)偏離了低內(nèi)能的穩(wěn)定態(tài)。從熱力學(xué)的觀點(diǎn)來說，處于高能量的組織狀態(tài)在合適的條件下總將趨向于低能量的平衡態(tài)，這是殘余應(yīng)力發(fā)生松弛的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力。促使殘余應(yīng)力松弛發(fā)生的主要外界因素是溫度和載荷（包括靜載荷與動(dòng)載荷)。針對(duì)一些工件的具體服役條件，采取一定的工藝措施，可以降低或消除對(duì)機(jī)件的使用性能有不利影響的殘余拉應(yīng)力?；鼗?包括穩(wěn)定化處理等）和振動(dòng)時(shí)效(VibrationStressRelief，簡(jiǎn)稱VSR)是目前常用且比較有效的消除殘余應(yīng)力的方法。若對(duì)存在殘余應(yīng)力的試件加熱，則殘余應(yīng)力將隨加熱溫度的升高而不斷降低。當(dāng)回火溫度超過500℃時(shí)，各種碳鋼的淬火殘余應(yīng)力基本上接近于零。對(duì)那些合金元素較多，回火穩(wěn)定性好的鋼則需加熱到更高的溫度，具體溫度可查閱有關(guān)手冊(cè)。通過加熱來消除殘余應(yīng)力的方法適用于各種形狀的工件，但大型工件受加熱爐爐膛尺寸的限制，可以采用機(jī)械加工的方法，如噴砂噴丸處理，使工件表層由拉應(yīng)力改變?yōu)閴簯?yīng)力，提高工件抗應(yīng)力腐蝕性能。2.殘余應(yīng)力的測(cè)量原理X射線應(yīng)力測(cè)定的基本原理由俄國學(xué)者AKCEOИOB于1929年提出，它的基本思路是，一定應(yīng)力狀態(tài)引起的材料的晶格應(yīng)變和宏觀應(yīng)變是一致的。晶格應(yīng)變可以通過X射線衍射技術(shù)測(cè)出；宏觀應(yīng)變可根據(jù)彈性力學(xué)求得，因此從測(cè)得的晶格應(yīng)變可推知宏觀應(yīng)力。日本成功設(shè)計(jì)出的X射線應(yīng)力測(cè)定儀對(duì)于殘余應(yīng)力測(cè)試技術(shù)的發(fā)展作了巨大貢獻(xiàn)。1961年德國的E.Mchearauch提出了X射線應(yīng)力測(cè)定的sin2ψ法，使應(yīng)力測(cè)定的實(shí)際應(yīng)用向前推進(jìn)了一大步。X射線衍射法是一種無損性的測(cè)試方法，因此，對(duì)于測(cè)試脆性和不透明材料的殘余應(yīng)力是最常用的方法。一個(gè)多晶試樣由許多晶粒組成。圖中描述了樣品中某一衍射面(hkl)在不同晶粒內(nèi)部的取向。當(dāng)試樣受到水平方向的拉應(yīng)力時(shí)，不同取向的晶粒的某個(gè)晶面有的被拉伸，而有的被壓縮。設(shè)圖中所示的晶面為某(hkl)晶面，當(dāng)該晶面處于水平排列時(shí)，由于與受力方向垂直，晶面被壓縮，其面間距減??；相反，垂直排列時(shí)，面間距被拉伸，其面間距增大；而其他取向的晶面間距的大小處于兩個(gè)極限之間，并隨取向不同而作相應(yīng)的變化。當(dāng)試樣中存在殘余應(yīng)力時(shí)，晶面間距將發(fā)生變化，發(fā)生布拉格衍射時(shí)，產(chǎn)生的衍射峰也將隨之移動(dòng)，而且移動(dòng)距離的大小與應(yīng)力大小相關(guān)。當(dāng)試樣表面法線N與衍射晶面法線N'的夾角改變時(shí)，該晶面的衍射角2θ也會(huì)隨著改變，可導(dǎo)得下面的公式，求得應(yīng)力σ：σφ=KM式中σφ為φ方向的應(yīng)力；E為材料的彈性模量；ν為材料的泊松比；θ0為沒有應(yīng)力時(shí)的半衍射角。主應(yīng)力（或主應(yīng)變）與分量的關(guān)系。為求出式中的斜率M，至少需要測(cè)量?jī)蓚€(gè)方向的面間距，如果采用0°和45°，則稱為0°~45°法；也可以使用四點(diǎn)法，即0°、15°、30°、45°；或者采用六點(diǎn)法，即0°、0°

、15°、30°、45°、45°。這是因?yàn)閮深^的兩點(diǎn)很重要，而需要重復(fù)測(cè)量一次。有人認(rèn)為用等間距sin2ψ測(cè)量更加科學(xué)，即0°、24°、32°、45°。這時(shí)，雖然的取值不是等間距的，但是sin2ψ等間距的。當(dāng)衍射強(qiáng)度不強(qiáng)，峰形漫散，或者樣品本身的原因?qū)е聹y(cè)量誤差較大時(shí)，可以增加測(cè)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，例如0°~45°按5°等間距取值，或者每個(gè)點(diǎn)重復(fù)測(cè)量一次。應(yīng)力測(cè)量裝置的光路有同傾法和側(cè)傾法兩種。同傾法的光路是角的設(shè)定面與計(jì)數(shù)管的掃描面（2θ掃描）位于同一平面，側(cè)傾法的光路是計(jì)數(shù)管的掃描面與角的設(shè)定面正交。側(cè)傾法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于齒輪等零件陷進(jìn)去的部位也取較大的角，不必作吸收修正。可根據(jù)試樣的形狀和測(cè)定方向選擇方法，不管是哪一種光路，為了降低設(shè)備調(diào)整誤差的影響，都采用平行光束法。衍射線的測(cè)量方法有：固定入射X射線的角，計(jì)數(shù)管作2θ掃描的方法（入射線角度固定法，ψ0固定法）；作θ角掃描且入射線和計(jì)數(shù)管相對(duì)衍射面法線N保持對(duì)稱（點(diǎn)陣晶面法線固定法，固定ψ法）。對(duì)于前者，若晶粒較粗大，則有時(shí)衍射線形走樣，不能精確求得峰位，此時(shí)可搖擺入射線（±5°)，可以測(cè)定晶粒度達(dá)300μm的試樣。后者常用于測(cè)定同樣晶粒度試樣的衍射強(qiáng)度，即使試樣的晶粒粗大或有織構(gòu)，也不會(huì)使衍射線走樣，能夠正確測(cè)定峰位，可以說是較理想的測(cè)定方法。3.實(shí)驗(yàn)方法3.1樣品準(zhǔn)備為了提高應(yīng)力測(cè)定的靈敏度，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)陌?，使用高衍射角且衍射?qiáng)度盡可能高的衍射線。樣品表面如有加工應(yīng)變層或氧化膜存在時(shí)，要用電解拋光法除去，但不能用機(jī)械拋光方法改變樣品表面的應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)試樣晶粒粗大時(shí)，可采用搖擺法或衍射面法線固定法測(cè)定。試樣晶粒較細(xì)時(shí)可用側(cè)傾法或同傾法（要作吸收校正）。當(dāng)試樣具有織構(gòu)時(shí)，2θ-sin2ψ關(guān)系往往不呈直線，所以要選幾個(gè)不同的角測(cè)定。.用乙稀膜帶限制入射線的照射面積可測(cè)定小區(qū)（1mm2)的應(yīng)力。3.2儀器與數(shù)據(jù)測(cè)量?jī)x器：普通衍射儀或者帶尤拉環(huán)的多功能樣品臺(tái)的衍射儀。以sinψ接近等間距的方法設(shè)定ψ。例如：同傾法（適用于普通衍射儀，如D/Max2500型高功率衍射儀）：0°、15°、30°、45°；側(cè)傾法（適用于有尤拉環(huán)的衍射儀，如D8Discover)：0°、25°、35°、45°；當(dāng)樣品存在織構(gòu)時(shí)，可多做一些角的測(cè)量。測(cè)定強(qiáng)度和讀取峰位的方法一般用半高寬中點(diǎn)法或峰頂法讀取衍射角。作2θ-sin2ψ/圖并計(jì)算斜率。同傾法：ψ=ψ0+(180-2θ)/2；側(cè)傾法：ψ=ψ0。應(yīng)力常數(shù)K乘以M得到應(yīng)力。3.3沿深度方向的應(yīng)力梯度測(cè)量X射線穿透金屬的深度一般不超過l0μm。用電解拋光逐層除去試樣表面，可測(cè)得應(yīng)力垂直于試樣表面方向的分布。如果試樣較厚，測(cè)量點(diǎn)之間距離較大時(shí)，也可以先用機(jī)械磨拋的方法除去表面一層，再用電解拋光除去因機(jī)械減薄引人的應(yīng)力層。應(yīng)力沿表面某一方向的分布則只需限制入射線的照射面積逐點(diǎn)測(cè)量。3.4測(cè)量圖譜用波長為λ的X射線，先后數(shù)次以不同的角照射到試樣上，測(cè)出相應(yīng)的衍射角2θ。選用不同的入射角時(shí)，則相應(yīng)的ψ角也不相同。求出相對(duì)sin2ψ的斜率便可算出應(yīng)力σ。在使用衍射儀測(cè)量應(yīng)力時(shí)，試樣與探測(cè)器θ-2θ關(guān)系聯(lián)動(dòng)，屬于固定法。通常取ψ=0°、15°、30°、45°，測(cè)量數(shù)次，然后作2θ-sin2ψ的關(guān)系直線，最后按應(yīng)力表達(dá)式求出應(yīng)力值。當(dāng)ψ=0時(shí)，與常規(guī)使用衍射儀的方法一樣，將探測(cè)器放在理論算出的衍射角2θ處，此時(shí)入射線及衍射線相對(duì)于樣品表面法線呈對(duì)稱放置配置。然后使試樣與探測(cè)器按θ-2θ聯(lián)動(dòng)，在2θ處附近掃描得出指定的衍射線的圖譜。當(dāng)ψ≠0°時(shí)，將衍射儀測(cè)角臺(tái)的θ-2θ聯(lián)動(dòng)分開。將樣品順時(shí)針轉(zhuǎn)過一個(gè)規(guī)定的ψ角后，使探測(cè)器仍處于0。然后連上θ-2θ聯(lián)動(dòng)裝置在2θ處附近進(jìn)行掃描，得出同一條hkl衍射線的圖譜。選擇衍射面要測(cè)量材料的殘余應(yīng)力，首先要選定一個(gè)晶面為衍射對(duì)象。殘余應(yīng)力的測(cè)量實(shí)際上是以不同的入射角來測(cè)量樣品內(nèi)部不同取向的晶面的面間距（衍射角）。改變時(shí)，實(shí)際參與衍射的晶粒是以不同方向排列的，在應(yīng)力狀態(tài)下，這些不同方向的晶面的面間距是不同的。在衍射儀上測(cè)量應(yīng)力時(shí)由于受機(jī)械限制，有可能不能選擇特別高的衍射角，但是在保證衍射強(qiáng)度的前提下要盡可能選擇高衍射角。應(yīng)選擇2θ>

120°的衍射峰作為衍射對(duì)象。3.5數(shù)據(jù)處理(1)測(cè)量數(shù)據(jù)。測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，可以分開測(cè)量也可以用一個(gè)文件來保存多次測(cè)量結(jié)果。前者是用不同的文件來保存各次的測(cè)量數(shù)據(jù)，每個(gè)文件對(duì)應(yīng)一個(gè)角的測(cè)量結(jié)果；后者是在設(shè)置條件時(shí)使用一個(gè)文件，多個(gè)測(cè)量條件的方法，使不同ψ角的測(cè)量數(shù)據(jù)放在一個(gè)文件中。(2)讀入文件。如果是使用分開保存的方法，應(yīng)同時(shí)讀入各個(gè)文件，如果是使用一個(gè)文件保存，讀入文件時(shí)，幾次測(cè)量的衍射線同時(shí)顯示在窗口中。(3)進(jìn)入計(jì)算。選擇菜單“Options-CalculateStress”命令，彈出如圖所示的對(duì)話框。4計(jì)算實(shí)例1鋁合金拋丸處理后表面的殘余應(yīng)力2WC-Co硬質(zhì)合金深冷處理后的表面應(yīng)力3軸承鋼沿深度方向的殘余應(yīng)力分布4.1鋁合金拋丸處理后表面的殘余應(yīng)力(1)樣品制備：樣品為拋丸后的鋁合金板材，測(cè)量目的是測(cè)量拋丸后表面的壓應(yīng)力大小。制備樣品時(shí)應(yīng)小心地從整塊鋁板中切取一個(gè)15mmx15mm的方形試樣。用酒精小心地清洗樣品表面的油污，不應(yīng)改變表面的應(yīng)力狀態(tài)。(2)實(shí)驗(yàn)條件選擇：側(cè)傾法，Cu靶輻射，點(diǎn)焦斑，準(zhǔn)直管直徑為1°。正確的掃描條件應(yīng)當(dāng)以0.02°為步長，采用步進(jìn)掃描，計(jì)數(shù)時(shí)間以能準(zhǔn)確測(cè)量衍射峰位置為依據(jù)?？紤]到在大角時(shí)衍射強(qiáng)度降低，本實(shí)驗(yàn)中選擇計(jì)數(shù)時(shí)間為3s。4.1鋁合金拋丸處理后表面的殘余應(yīng)力(3)確定衍射面：測(cè)量全譜，確定殘余應(yīng)力測(cè)量衍射面。由于實(shí)驗(yàn)測(cè)量采用側(cè)傾法，故可以選擇低于100°的衍射線作為衍射對(duì)象，考慮到(311)面的衍射強(qiáng)度較高，而且樣品存在明顯的軋制織構(gòu)，因此選擇（311)面為衍射對(duì)象。(4)選擇ψ=0°、15°、25°、35°、45°，測(cè)量殘余應(yīng)力圖譜。為保證完整地測(cè)量出（311)面的整個(gè)衍射峰，應(yīng)當(dāng)選擇一個(gè)合適的測(cè)量范圍，可選擇76.4°~80°為2θ的測(cè)量范圍。將殘余應(yīng)力圖譜數(shù)據(jù)讀入Jade中，并作平滑處理。(5)計(jì)算殘余應(yīng)力：選擇菜單“Options-Calculate

Stress”命令。圖為殘余應(yīng)力計(jì)算窗口中的參數(shù)設(shè)置。在“psi-Angle(ψ角）”列下面的各行單擊，稍等一會(huì)，就出現(xiàn)一個(gè)輸入框，在每行都輸入相應(yīng)的ψ角(分別為0o、15o、25o、35o、45o）。在“E=”和ν=”的文本框中分別輸入A1合金的彈性模量和泊松比（E=69.3x103MPa，v=0.35)。按下FitAll，計(jì)算得到殘余應(yīng)力為σ=-121.37±15.29）MPa。勾選上“ParabolicFit”（拋物線擬合）選項(xiàng)，再重新擬合(FitAll)，可得到如圖所示的結(jié)果。第一種擬合結(jié)果是按Jade默認(rèn)的擬合函數(shù)進(jìn)行擬合，其特點(diǎn)是擬合時(shí)包含所有數(shù)據(jù)點(diǎn)，適用于譜線較平滑、對(duì)稱和較窄的測(cè)量數(shù)據(jù)。拋物線擬合僅取衍射峰頂?shù)娜舾蓚€(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)（小于70)進(jìn)行擬合，適用于背景較高、峰頂較寬或者含有其他衍射雜峰的情況。圖是實(shí)測(cè)曲線與擬合曲線的吻合情況，用以確定選擇的擬合函數(shù)的類型。(6)結(jié)果的打印、復(fù)制和保存。在計(jì)算殘余應(yīng)力的窗口中，選擇：Print—打印結(jié)果；Ctrl+Print—打印結(jié)果同時(shí)打印擬合圖；Copy—擬合圖發(fā)送到剪貼板；Copy(右擊)

—擬合數(shù)據(jù)列表發(fā)送到剪貼板；Save—以圖形文件格式保存結(jié)果圖像；Save(右擊)—以文本文件(*.ksi)格式保存結(jié)果。4.2測(cè)量WC-Co硬質(zhì)合金深冷處理后的表面應(yīng)力實(shí)驗(yàn)方法：布魯克D8Discover(帶尤拉環(huán)），側(cè)傾法，處理軟件：Jade6。實(shí)驗(yàn)步驟如下：(1)樣品制備：樣品為WC-Co硬質(zhì)合金，為獲得純粹WC樣品，將硬質(zhì)合金中的Co相萃取掉然后進(jìn)行深冷處理。樣品大小適合測(cè)量，不需要切割和其他處理。(2)測(cè)量全譜，確定殘余應(yīng)力測(cè)量晶面。選擇殘余應(yīng)力測(cè)量面的原則是，應(yīng)盡可能選擇衍射角大于100°且強(qiáng)度較高的衍射面；在滿足前一條件的基礎(chǔ)上，選擇可用的衍射角最大的衍射面。對(duì)于該試樣可以選擇WC(112)面作為測(cè)量晶面。(3)確定測(cè)量范圍。為保證完整地測(cè)量出（112)面的整個(gè)衍射峰，應(yīng)當(dāng)選擇一個(gè)合適的測(cè)量范圍。放大樣品全譜圖進(jìn)行觀察，可選擇122.5°~125°為2θ的測(cè)量范圍。(4)確定掃描條件。正確的掃描條件應(yīng)當(dāng)以0.03°為步長，采用步進(jìn)掃描，計(jì)數(shù)時(shí)間以能準(zhǔn)確測(cè)量衍射峰位置為依據(jù)?？紤]到在大角時(shí)衍射強(qiáng)度降低，本實(shí)驗(yàn)中選擇計(jì)數(shù)時(shí)間3s。(5)掃描圖譜，考慮到艮小時(shí)，sin2ψ變化小，采用不等距ψ。分別取ψ=0°、15°、25°、30°、35°、40°、45°，共掃描7條譜線。(6)讀入圖譜。打開Jade，讀數(shù)據(jù)文件。數(shù)據(jù)保存在一個(gè)文件中（.raw)，讀入時(shí)只需讀入一個(gè)文件。(7)打開應(yīng)力計(jì)算對(duì)話框。選擇菜單命令“Options-Calculate

Stress”，打開殘余應(yīng)力計(jì)算窗口。(8)輸入ψ角。在殘余應(yīng)力計(jì)算窗口中，在“psi-Angle”列上單擊，稍等一會(huì)出現(xiàn)一個(gè)文本框，根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)置，輸入正確的角。從上到下依次為0°、15°、25°、30°、35°、40°、45°。(9)輸入彈性模量和泊松比。分別在“E=”和“ν=”處的文本框中輸入WC的彈性模量和泊松比（E=534.4，ν=0.22)。(10)擬合譜圖。按下“FitAll”，在窗口中會(huì)以圖形方式顯示出“sin2ψ-Δd/d0”圖。在窗口的下端顯示應(yīng)力狀態(tài)。結(jié)果顯示，A=0，表示為二維應(yīng)力，擬合直線的斜率B=-0.213；應(yīng)力為壓應(yīng)力，CompressiveStress=(956.19±34.97)MPa，E=534400MPa，ν=0.22，R=0.967為方差誤差，是一個(gè)較小值。應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的正確性和準(zhǔn)確性除了與輸入的彈性模量和泊松比有關(guān)外，計(jì)算結(jié)果的誤差主要來源于圖譜擬合的正確性。觀察主窗口中的圖譜擬合情況是否與測(cè)量譜線吻合。4.3軸承鋼沿深度方向的殘余應(yīng)力分布(1)實(shí)驗(yàn)方案：實(shí)驗(yàn)材料為塊狀軸承鋼，上表面為微弧面，弧頂距下表面為7.5mm，鋼試樣表面經(jīng)過噴丸處理，試樣用機(jī)械和電化學(xué)方法剝層，試樣上下表面剝離層的厚度分別為0.1mm、0.3mm和0.5mm，恒壓電流源的電壓為20V，電流值為6mA，電解液采用10%NaCl溶液。實(shí)驗(yàn)儀器為德國BRUKER公司D8/Discover型X射線衍射儀，衍射儀工作電壓為40kV，電流為40mA，采用Cu靶，測(cè)定晶面為Fe(211)，衍射角2θ=88.23°，試樣軸承鋼的軸向與衍射儀X軸平行放置測(cè)試，分別測(cè)量ψ角為0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°和45°，所對(duì)應(yīng)的衍射角值，測(cè)量步長為0.03°，停留時(shí)間10s。(2)圖譜測(cè)量在試樣表面和距試樣表面深度0.1mm、0.3mm和0.5mm處，采用側(cè)傾法在不同值下測(cè)定特定晶面的X射線衍射角，采用重心法確定衍射峰位置，測(cè)得的所對(duì)應(yīng)的衍射角2θψ如表所示。sin2ψ0mm0.1mm0.3mm0.5mm082.37082.39882.39782.4320.00882.39082.41082.40682.4470.03082.42682.42082.43582.4700.06782.41282.45282.46285.4850.11782.46082.46782.48182.5110.17982.47782.49282.52382.5510.25082.50182.53182.55882.6080.32982.50582.56782.60782.6300.41382.53082.59882.63882.6820.50082.56982.60782.66782.700(3)應(yīng)力計(jì)算Fe的彈性模量E=220264MPa，泊松比ν=0.28，依據(jù)殘余應(yīng)力與衍射角的基本關(guān)系式可計(jì)算出試樣沿軸向殘余應(yīng)力沿表層深度的分布，計(jì)算出來的值為負(fù)值，即宏觀殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力。(4)測(cè)試結(jié)果修正由于樣品每剝?nèi)ヒ粚颖韺?，都?huì)引起殘余應(yīng)力的部分釋放，導(dǎo)致剩余應(yīng)力的重新分布，故所測(cè)得的已不是該層原始狀態(tài)的應(yīng)力值，必須對(duì)測(cè)定值進(jìn)行修正。試樣上表面為微弧面，可以視為平面試樣，假設(shè)試樣厚度為h，距離表面為a的薄層上殘余應(yīng)力為σ，校正方法為在試樣上下表面各剝除厚度為a的表層，用X射線方法測(cè)定新表層的殘余應(yīng)力σx，該層原始狀態(tài)的殘余應(yīng)力為：當(dāng)a和h相比很小時(shí)，上式可近似地表達(dá)為:式中，σx0為X射線衍射法測(cè)定的剝層前表面上的應(yīng)力值。修正后的試樣沿軸向的殘余應(yīng)力值如圖所示。(5)結(jié)果分析通過測(cè)量可知：軸承鋼經(jīng)噴丸處理后，在0~0.5mm深度范圍內(nèi)，試樣沿軸向宏觀殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，殘余應(yīng)力值隨表面深度的增加先增加后降低，0.0mm、0.1mm、0.3mm和0.5mm深度層的試樣沿軸向宏觀殘余壓應(yīng)力值分別為558.3MPa、663.8MPa、860.7MPa和749.9MPa。X射線衍射方法測(cè)量的是近表面的殘余應(yīng)力，X射線對(duì)金屬材料的穿透深度約為l0μm，通過電解拋光逐層剝除試樣表層可以測(cè)量試樣不同深度的殘余應(yīng)力。由于電解拋光剝層時(shí)會(huì)部分釋放應(yīng)力，故測(cè)量結(jié)果應(yīng)通過校正公式對(duì)剝除時(shí)釋放的應(yīng)力進(jìn)行校正，以得到正確的結(jié)果。5.計(jì)算殘余應(yīng)力注意事項(xiàng)(1)選擇正確的衍射峰在掃描范圍內(nèi)如果只有一個(gè)單峰，單擊“FitAll