宏觀應(yīng)力測定課件

1、第六章 宏觀應(yīng)力測定引言單軸應(yīng)力測定原理平面應(yīng)力測定原理試驗方法試驗精度的保證及測試原理 的適用條件10/11/20221第六章 宏觀應(yīng)力測定引言10/10/2022161 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（如下表）：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。10/11/20222HNU-ZLP61 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)部相當大（眾多晶粒）范圍內(nèi)使譜線位移熱處理、表面處理、機加工

2、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、擴散和原子重新排列使晶格產(chǎn)生畸變10/11/20223HNU-ZLP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X射線測定宏觀應(yīng)力的實驗依據(jù)是物體中殘余應(yīng)力會使晶面的衍射線產(chǎn)生位移。宏觀殘余應(yīng)力測定方法還有：電阻應(yīng)變片法、機械引伸儀法、超聲波法等。X射線法與這些方法相比，具有如下特點：它是有效的無損檢測方法；它所測定的僅僅是彈性應(yīng)變，而不含有范性應(yīng)變（范性變形不會引起衍

3、射線位移）；X射線照射面積可以小到12mm直徑，因此它可測定小區(qū)域的局部應(yīng)力；只能得到表面應(yīng)力，且精度受組織因素影響很大。10/11/20224HNU-ZLPX射線測定宏觀應(yīng)力的實驗依據(jù)是物體中殘余應(yīng)力會使晶面的衍射線62 單軸應(yīng)力測定原理在拉應(yīng)力y的作用下，正好與拉伸方向垂直的試樣中某晶粒的（hkl）晶面，其晶面間距將由d0擴張為dn，則其應(yīng)變?yōu)椋?根據(jù)彈性力學(xué)原理，其應(yīng)力：10/11/20225HNU-ZLP62 單軸應(yīng)力測定原理在拉應(yīng)力y的作用下，正好與拉伸方向直接測定y是很困難的，但對于均質(zhì)材料： 為泊松比。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

4、晶面間距變化是可測的： 因此10/11/20226HNU-ZLP直接測定y是很困難的，但對于均質(zhì)材料：10/10/202263 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)，在任一點上總可以找到三個互相垂直的方向，使得與三個方向垂直的各平面上切應(yīng)力為零，僅存在三個相互垂直的主應(yīng)力1、 2 、3。10/11/20227HNU-ZLP63 平面應(yīng)力測定原理由于X射線的穿透能力有限，只能測到垂直于試樣表面的應(yīng)變3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

5、2 的作用下，垂直于試樣表面的應(yīng)變3并不為零，當材料各向性時：3可由平行于表面的某晶面間距d值的變化測定，即：10/11/20228HNU-ZLP垂直于試樣表面的應(yīng)變3在二維應(yīng)力下，主應(yīng)力1、 2與試平行于表面某方向上的應(yīng)力（1） 前面推導(dǎo)出的公式得到的是正應(yīng)力之和，但工程中通常需某個方向上的應(yīng)力，如與1夾角為的OB方向（圖6-3）的應(yīng)力，其測定步驟為：1、測定應(yīng)變3。由平行于表面的（hkl）晶面的面間距變化求出：10/11/20229HNU-ZLP平行于表面某方向上的應(yīng)力（1） 前面推導(dǎo)出的公式得到平行于表面某方向上的應(yīng)力（2）2、測定與表面呈任意的角方向上的（hkl）晶面的應(yīng)變。它由法線與

6、試樣表面法線成角的那些（hkl）晶面的間距變化求出，如圖6-4(b)：注意： 的方向如圖63，它位于OA方向上，并與試樣表面法線Ns、 共面， 角的任意是指在該平面內(nèi)與試樣表面法線Ns夾角的變化10/11/202210HNU-ZLP平行于表面某方向上的應(yīng)力（2）2、測定與表面呈任意的角平行于表面某方向上的應(yīng)力（3）3、對于各向同性的彈性體，根據(jù)彈性力學(xué)原理： 將 、 3代入上式： 用dn代替d0：10/11/202211HNU-ZLP平行于表面某方向上的應(yīng)力（3）3、對于各向同性的彈性體，sin2法基本原理根據(jù)前述兩個公式可得到下面的第三個公式：對第三式求偏導(dǎo)：10/11/202212HNU-

7、ZLPsin2法基本原理根據(jù)前述兩個公式可得到下面的第三個公式：對布拉格方程進行微分： 即： 因為 ，所以：10/11/202213HNU-ZLP對布拉格方程進行微分：10/10/202213HNU-ZLP將上式簡寫為： 式中 ，當晶體材料已知、反射面（hkl）和入射線波長一定時K1為常數(shù)，可以看出上式實際為一直線方程，直線斜率就是當M0時， K1 0，則 0，材料表面為壓應(yīng)力；當M0時， K1 0，材料表面為拉應(yīng)力。sin2法一般測4個或以上的角下的210/11/202214HNU-ZLP將上式簡寫為：10/10/202214HNU-ZLP關(guān)于應(yīng)力常數(shù)K1 K1屬于晶體學(xué)特性參數(shù)，它是sin

8、2法的應(yīng)力常數(shù)； ，其中/180是為將2角轉(zhuǎn)換為弧度而加進的，第一項與晶體材料及其特性有關(guān)，E是材料的彈性系數(shù)（模量），是材料的泊松比。該項可通過計算或?qū)嶒灥玫剑寒敳牧细飨蛲?，?yīng)力測量精度要求不高時，可采用工程數(shù)據(jù)計算；當要精確測量應(yīng)力時，可通過實驗確定或查表得到。20是與所選反射晶面（hkl）和輻射波長有關(guān)的10/11/202215HNU-ZLP關(guān)于應(yīng)力常數(shù)K1 K1屬于晶體學(xué)特性參數(shù)，它是sin2法64 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)力儀可對工件進行現(xiàn)場檢測。衍射儀法是通用的

9、方法，主要掌握其測量步驟、幾何原理和實施方法。10/11/202216HNU-ZLP64 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，衍射儀法測量步驟1、測定0時的202、測定為任意角時的2，一般選取15， 30 ，45 進行測量，當然也可以選測其它角度或更多的角度；3、用2 sin2作圖，求出直線斜率M；4、求應(yīng)力常數(shù)K1；5、計算 K1M10/11/202217HNU-ZLP衍射儀法測量步驟1、測定0時的2010/10/202衍射儀法測量幾何10/11/202218HNU-ZLP衍射儀法測量幾何10/10/202218HNU-ZLP采用衍射儀測量應(yīng)力的實施方法采用衍射儀測量應(yīng)力時，

10、怎樣實現(xiàn)的改變？其方法是選擇適當?shù)难苌鋬x的測角儀驅(qū)動方式，采用多次測量，選擇多少個角就測量多少次， 的改變是通過樣品臺繞測角儀軸獨立旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)的：當0時，試樣表面法線Ns與反射晶面(hkl)法線Np重合，如要實現(xiàn)15，將樣品臺繞測角儀軸旋轉(zhuǎn)15，使試樣表面法線Ns相對于0時試樣表面法線Ns間的夾角為15，這時Ns與晶體中另一組(hkl)晶面法線Np重合，在新位置上，試樣表面法線Ns與所選定待測晶面(hkl)法線Np成15，而這些法線的變化都是相對于X射線管（入射X射線）而言的，其它角度類推。幾何關(guān)系如圖。10/11/202219HNU-ZLP采用衍射儀測量應(yīng)力的實施方法采用衍射儀測量應(yīng)力時，怎

11、樣實現(xiàn)10/11/202220HNU-ZLP10/10/202220HNU-ZLP在測量過程中，X射線管即入射X射線方向固定不變（不隨 角變化），當角確定為0后，進行第一次測量，試樣不動，X射線管不動，計數(shù)器繞測角儀圓在20附近轉(zhuǎn)動，測出20，然后轉(zhuǎn)動試樣，得到15 ，依照同樣的方法測出215，依此類推。10/11/202221HNU-ZLP在測量過程中，X射線管即入射X射線方向固定不變（不隨 角變 65 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10/11/202222HNU-ZLP 65 試驗精度的保證及 測樣品制備加工切

12、割至合適尺寸，表面磨平；表面深腐蝕去除機加工層；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。10/11/202223HNU-ZLP樣品制備加工切割至合適尺寸，表面磨平；10/10/20222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）。10/11/202224HNU-ZLP輻射的選擇反射晶面（hkl）盡量選擇角接近90 （一般應(yīng)吸收因子和角因子的校正當衍射峰寬化和不對稱時，需用吸收因子和角因子對峰形進行修正：當0 時，入射線和

13、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：當衍射峰半高寬在3.5 4以上時，有必要進行角因子修正：修正方法：采用拋物線法定峰位，將所選點的強度進行校正，校正強度等于實測強度除以該點處的()R()。10/11/202225HNU-ZLP吸收因子和角因子的校正當衍射峰寬化和不對稱時，需用吸收因子和衍射峰位置的確定(1)用衍射峰形的表觀最大值所對應(yīng)的衍射角(2)作為衍射峰位P0；(2)切線法：將衍射峰形兩側(cè)的直線部分延長，取其交點Px所對應(yīng)的衍射角作為衍射峰位。(3)弦中點法和弦中點連線法；(4)三點拋物線法；(5)重心法。10/11/202226HNU-ZLP