第6章宏觀應(yīng)力測(cè)定

1、目的：X射線衍射宏觀內(nèi)應(yīng)力檢測(cè)?第六章 宏觀內(nèi)應(yīng)力的測(cè)定【教學(xué)內(nèi)容】1X射線宏觀應(yīng)力測(cè)定的基本原理。2宏觀應(yīng)力的測(cè)定方法?！局攸c(diǎn)掌握內(nèi)容】1單軸應(yīng)力測(cè)定的原理。2平面應(yīng)力測(cè)定的原理。3應(yīng)力的測(cè)定方法。一、引 言1、基本概念（1）什么叫殘余應(yīng)力？ 材料的內(nèi)應(yīng)力指當(dāng)產(chǎn)生應(yīng)力的各種因素（如外力，溫度等）不復(fù)存在時(shí)，由于不均勻的塑性變形或相變而使材料內(nèi)部依然存在的并自身保持平衡的應(yīng)力。（2 2）殘余應(yīng)力的分類）殘余應(yīng)力的分類 第一類應(yīng)力第一類應(yīng)力宏觀應(yīng)力宏觀應(yīng)力 在物體在物體較大范圍內(nèi)較大范圍內(nèi)或許多晶粒范圍內(nèi)存在并保持平衡或許多晶粒范圍內(nèi)存在并保持平衡的應(yīng)力。的應(yīng)力。 所強(qiáng)調(diào)的范圍是所強(qiáng)調(diào)的范圍是區(qū)

2、域性區(qū)域性的。的。 如：固態(tài)相變、熱應(yīng)力、相變應(yīng)力等。如：固態(tài)相變、熱應(yīng)力、相變應(yīng)力等。 第二類應(yīng)力第二類應(yīng)力微觀應(yīng)力微觀應(yīng)力 在在一個(gè)或少數(shù)晶粒一個(gè)或少數(shù)晶粒范圍內(nèi)存在并保持平衡的內(nèi)應(yīng)力。范圍內(nèi)存在并保持平衡的內(nèi)應(yīng)力。強(qiáng)調(diào)的范圍是強(qiáng)調(diào)的范圍是晶粒內(nèi)部，晶胞之間晶粒內(nèi)部，晶胞之間。 如：塑性變形時(shí)晶格畸變。如：塑性變形時(shí)晶格畸變。 第三類應(yīng)力第三類應(yīng)力超微觀應(yīng)力超微觀應(yīng)力 在在若干原子范圍若干原子范圍存在并保持平衡的內(nèi)應(yīng)力。存在并保持平衡的內(nèi)應(yīng)力。 例如滑移面附近原子的扭曲。例如滑移面附近原子的扭曲。2、研究意義工件受力作用殘余應(yīng)力性能在生產(chǎn)應(yīng)用上：通過(guò)應(yīng)力測(cè)定，可以 檢查應(yīng)力消除工藝的效果，

3、 檢查表面強(qiáng)化處理工藝的效果， 預(yù)測(cè)零部件疲勞強(qiáng)度的儲(chǔ)備。 X射線應(yīng)力測(cè)定在評(píng)價(jià)材料強(qiáng)度、控制加工工射線應(yīng)力測(cè)定在評(píng)價(jià)材料強(qiáng)度、控制加工工藝，檢查產(chǎn)品質(zhì)量等方面都具有重要的作用。藝，檢查產(chǎn)品質(zhì)量等方面都具有重要的作用。2、研究意義 其他應(yīng)力測(cè)定方法：電阻應(yīng)變法、超聲波法、其他應(yīng)力測(cè)定方法：電阻應(yīng)變法、超聲波法、 機(jī)械引伸儀法、磁測(cè)法。機(jī)械引伸儀法、磁測(cè)法。 共同點(diǎn)：共同點(diǎn)： 都是通過(guò)應(yīng)變的測(cè)量達(dá)到應(yīng)力測(cè)定的目的。都是通過(guò)應(yīng)變的測(cè)量達(dá)到應(yīng)力測(cè)定的目的。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：該法屬非破壞性檢驗(yàn)，可測(cè)定表層（極淺層）和局部該法屬非破壞性檢驗(yàn)，可測(cè)定表層（極淺層）和局部小區(qū)域的應(yīng)力等。小區(qū)域的應(yīng)力等。 不足：

4、不足：其測(cè)定準(zhǔn)確度尚不十分高。其測(cè)定準(zhǔn)確度尚不十分高。二、宏觀應(yīng)力測(cè)定的原理1、思路：有應(yīng)力存在應(yīng)變晶面間距d變化 變化峰位變化2、衍射峰在應(yīng)力下的變化情況：第一類應(yīng)力：第一類應(yīng)力：第二類應(yīng)力：第二類應(yīng)力：第三類應(yīng)力：第三類應(yīng)力：衍射峰寬化衍射峰寬化衍射峰的位移衍射峰的位移衍射強(qiáng)度減弱衍射強(qiáng)度減弱二、宏觀應(yīng)力測(cè)定的原理3、測(cè)定原理：（1）求應(yīng)變 測(cè)定應(yīng)力時(shí)，感興趣的是沿晶面法線方向的應(yīng)變，即晶面間距的變化。晶面N晶體受力后，晶面法線轉(zhuǎn)過(guò)的方向由布拉格方程微分得： )(cot)/(00dd0為無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下的布拉格角，為各角下的布拉格角。3、測(cè)定原理：（2）求應(yīng)力1） 單軸應(yīng)力狀態(tài)假如，右圖試樣截

5、面積為A，在軸向施加拉力F，其長(zhǎng)度將由受力前的L0變?yōu)長(zhǎng)f,所產(chǎn)生的應(yīng)變Z為：00/ )(LLLfZ根據(jù)虎克定律，其彈性應(yīng)力z為：ZZE拉伸過(guò)程中，試樣直徑由拉伸前的D0變?yōu)槔旌蟮腄f, 徑向應(yīng)變X和Y為：00/ )(DDDfYX此時(shí)，微觀上：試樣各晶粒中與軸向平行晶面的面間距d也相應(yīng)變小，如右圖示。因此，可用晶面間距的相對(duì)變化表示徑向應(yīng)變：dddddYX/ )(00從材料力學(xué)可知：對(duì)各向同性材料，X、Y和Z之間滿足：ZYX于是有：ddEZ只要測(cè)出z方向上晶面間距的變化d，就可算出y方向上應(yīng)力的大小。而晶面間距的變化是通過(guò)測(cè)量衍射線的位移得到的。 cot/ddcotEZ于是有： 上式為測(cè)定單

6、軸應(yīng)力的基本公式。上述分析表明：1)當(dāng)試樣中存在宏觀應(yīng)力時(shí)，會(huì)使衍射線產(chǎn)生位移,可通過(guò)測(cè)量衍射線位移測(cè)定宏觀內(nèi)應(yīng)力。2)X-射線測(cè)量宏觀內(nèi)應(yīng)力主要是測(cè)量應(yīng)變，宏觀內(nèi)應(yīng)力通過(guò)虎克定律計(jì)算獲得。3、測(cè)定原理：（2）求應(yīng)力2） 平面應(yīng)力狀態(tài) 在物體的自由表面上，若任意切割出一在物體的自由表面上，若任意切割出一單元體。則該單元體受兩個(gè)垂直方向單元體。則該單元體受兩個(gè)垂直方向11和和22的應(yīng)力作用。的應(yīng)力作用。 雖然垂直于物體表面的方向上應(yīng)力值雖然垂直于物體表面的方向上應(yīng)力值33為零，應(yīng)變?yōu)榱?，?yīng)變33并不等于零。而是與平面并不等于零。而是與平面方向的主應(yīng)力有關(guān)。方向的主應(yīng)力有關(guān)。 根據(jù)彈性力學(xué)理論，主

7、應(yīng)力和主應(yīng)變之間的關(guān)系通過(guò)廣義虎克定律描述：)(1)(1)(1213331223211EEE在主應(yīng)力坐標(biāo)系中，任一方向的正應(yīng)力（或正應(yīng)變）與主應(yīng)力（或主應(yīng)變）之間的關(guān)系為：323222121323222121其中，1、2、3為在主應(yīng)力（或主應(yīng)變）空間的方向余弦。)(11213122211EEE平面應(yīng)力狀態(tài)平面應(yīng)力狀態(tài)2) 平面應(yīng)力狀態(tài)目的：結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，測(cè)定沿試樣表面某一方向的宏觀內(nèi)應(yīng)力基本思路：利用彈性力學(xué)理論求出將與晶面間距或衍射角的相對(duì)變化相聯(lián)系得出宏觀應(yīng)力測(cè)定的基本公式根據(jù)布拉格方程，引入面間距相對(duì)變化表征的應(yīng)變：)(cot)/(00dd0為無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下的布拉格角，為各角下的布拉格角。

8、代入上式，可得：MKE sin)2()1 (2cot202sin)2(直線的斜率d應(yīng)力常數(shù)實(shí)際應(yīng)用中，只要測(cè)定上式的M值，即可求得構(gòu)件表面的宏觀殘余應(yīng)力。3 實(shí)際測(cè)量方法(1)衍射儀法1） 法例子：P1001） 法注意：1）要安裝一個(gè)能獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)的樣品架 2）要使計(jì)數(shù)管能夠沿著測(cè)角儀圓的半徑方向移動(dòng)。以達(dá)到聚焦目的。 在實(shí)際中，這不易做到?，F(xiàn)在一般采用側(cè)傾法，計(jì)數(shù)管不動(dòng)，讓試樣表面繞測(cè)角儀水平軸（而不是垂直軸）傾斜不同的角，來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)力測(cè)定。這要求有一個(gè)能繞測(cè)角儀水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)的特制試樣架。 4 X-射線宏觀應(yīng)力測(cè)定中的一些問(wèn)題1）衍射峰位的確定）衍射峰位的確定 宏觀內(nèi)應(yīng)力測(cè)定的衍射參數(shù)是衍射峰的位移。存在內(nèi)應(yīng)力樣品的宏觀內(nèi)應(yīng)力測(cè)定的衍射參數(shù)是衍射峰的位移。存在內(nèi)應(yīng)力樣品的衍射峰一般比較漫散，不易測(cè)準(zhǔn)其峰位。因此，精確測(cè)定峰位十分衍射峰一般比較漫散，不易測(cè)準(zhǔn)其峰位。因此，精確測(cè)定峰位十分重要。重要。2）彈性常數(shù)的引用）彈性常數(shù)的引用 理論上講，每個(gè)晶粒是各向異性的，采用各向同性的彈性常數(shù)理論上講，每個(gè)晶粒是各向異性的，采用各向同性的彈性常數(shù)E和和會(huì)引入誤差。會(huì)引入誤差。3）表層應(yīng)力狀態(tài)的影響）表層應(yīng)力狀態(tài)的影響 沿表層的應(yīng)力分布是人們感興趣的問(wèn)題，一般采用逐步剝層測(cè)定的沿表層的應(yīng)力分布是人們感興趣的問(wèn)題，一般采用逐步剝層測(cè)定的方法，但應(yīng)考慮應(yīng)