[工学]第6章 宏观残余应力的测定.pptVIP

第六章 宏观残余应力的测定 残余应力：指当产生应力的各因素（外力，温度、相变等）不复存在时，因不均匀塑变或相变，而残留在构件内部，并自身保持平衡的内应力。 残余应力：对材料疲劳强度、抗蚀性、磁性等均有影响。 X射线应力测定： 在评价材料强度、控制加工工艺，检查产品质量等方面都具有重要的作用。 优点：属非破坏性，可测定表层（极浅层）和局部小区域的应力等。 不足：测定准确度尚不十分高。 1979年，德国的马克劳赫.E提出，按其平衡范围可分三类。 第Ⅰ类内应力σⅠ：衍射效应：使衍射线产生位移。 在物体较大体积或多晶粒范围内存在并保持平衡的应力。此类应力释放，会使物体宏观体积或形状发生变化，称之为“宏观应力”或“残余应力”。 第Ⅱ类应力σⅡ：衍射效应：引起线形变化（峰宽化）。 在一个或少数个晶粒范围内存在并保持平衡的内应力。 第Ⅲ类应力σⅢ：衍射效应：能使衍射线减弱。 在若干原子范围存在并保持平衡的内应力。 第Ⅱ类应力和第Ⅲ类应力称为：“微观应力”。 二、宏观应力测定的原理 X射线衍射法：通过测量弹性应变ε，求得应力值σ。 对理想多晶体（晶粒细小均匀、无择优取向）： 无应力状态：不同方位的同族{hkl}晶面间距 d 相等； 应力σφ状态：不同晶粒的同族{hkl}晶面间距 d ，随晶面方位ψ及应力σ大小发生规律变化。 某方位面间距 d 相对于无应力时的变化（Δd/d），它反映了应力所造成的面法线方向上的弹性应变εφψ ，即： 应力测定公式的推导： 应力测定的推导：在平面应力状态条件下进行的。 平面应力状态： 物体表面为自由表面，其法线方向应力为零。 当物体内应力沿垂直于表面方向变化梯度极小，而 X射线穿透深度又很浅（≈10μm），此平面应力假定是合理的。 建立主应力坐标系O-XYZ ： XYZ：主应力(σ1,σ2 ,σ3)和主应变(ε1,ε2,ε3)的方向。 O-xyz：待测应力σφ (σx)及与其垂直的σy ,σz的方向。 σz‖σ3‖试样面法线ON； φ：σφ与σ1的夹角； 弹性力学原理：连续、均质、各向同性的物体，其任一方向上的应变εφψ可表达为： 由广义虎克定律： 在平面应力条件下， σz＝o， εz ＝ε3 ，则 测定应力基本关系式： 即为待测应力σφ与应变εφψ 随方位ψ变化率的关系式。 须将εφψ用衍射角θ表达，以得测定宏观应力实用公式。 由布拉格方程微分式： 因无应力时，衍射角θ≈θ0， 则 将此式对sin2ψ求导，得 则，在平面应力状态下，宏观应力测定的基本公式。 可见， 2θφψ随 sin2ψ呈线性关系。 应力常数 K： 决定于被测材料的弹性性质（弹性模量E、泊松比ν）、及所选衍射的衍射角θ（即衍射面间距 d 及波长λ）。 应力常数 K值：因晶体具各向异性，不同{khl}面的E、ν值不同，故不能用机械法测定多晶平均弹性常数计算 ，而需用无残余应力试样加己知外应力法测算。 常用材料应力测试数据见附录J。 2θφψ－sin2ψ直线斜率为M：因 K ＜0（负数），故， 当M ＞0、应力为负，即压应力； 当M ＜0，应力为正，即拉应力。 若2θφψ－sin2ψ关系非线性，说明材料状态偏离推导应力公式的假定条件。 如：深度内有应力梯度、非平面应力状态或存在织构。 此时，均需用特殊方法测算残余应力。 宏观应力测定方法 求试样表面某方向的残余应力σφ： 须在测定方向平面内测出≥2个不同ψ方位衍射角2θφψ ，求出2θφψ－sin2ψ直线斜率M，由测试条件的应力常数K，即得应力值。 为此，须利用一定衍射几何条件确定和改变衍射面方位ψ。 ψ－为衍射面法线（即εφψ）与试样面法线ON夹角。 目前宏观应力测量：衍射仪法（常用）， 常用衍射几何方式：同倾法和侧倾法。 常用衍射几何方式有两种：同倾法和侧倾法。 一、同倾法 同倾法衍射几何特点：测量方向平面和扫描平面重合。 测量方向平面：试样面法向 0N 与待测应力σφ构成平面。 扫描平面：入射线、衍射面法线(ON)及衍射线所在平面。 确定ψ方位的两种方式： 1）固定ψ法； 2）固定ψ0 法。 1、固定ψ法： ① 衍射仪进行常规对称衍射，计数管与试样以2:1角速度转动，则衍射峰对应衍射晶面‖试样面，即ψ ＝0。 ② 试样绕衍射仪轴单独转动 ψ角，再进行2θ/θ扫描测量，衍射面法线与试样面法线夹角即为转过的ψ角。 固定ψ法：适用于较小尺寸试样。 因衍射仪光源在垂直于衍射仪轴的方向上有一定发散度。 在对称衍射条件（ ψ＝0 ）下，可视为聚焦； 但当ψ≠0时，该几何布置偏离聚焦条件。 因此，使衍射线宽化和不对称，影响衍射角测量精度。 2、固