金属微结构和残余应力测量的超声波理论

《金属微结构和残余应力测量的超声波理论》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第[章绪论第1章绪论1.1前言化工机械设备，如压力容器、管道、泵等多为金属材料所制造，金属构件的制造加工受到加工工艺的作用与影响;材料加工成形后，若构件所受到的上述作用与影响不能随之而完全消失，仍有部分作用与影响残留在构件内，产生残余应力。残余应力对于构件的，形状精度等均有重要影响，它的形成随构件的材质、形状、成形和加工工艺过程等的不同而不同。如何测量残余应力，调整残余应力的分布，消除残余应力的危害，利用残余应力存在的优点(例如:表面残余应力可提高材料抗疲劳能力和抗腐蚀能力)，己成为人们广泛关注的问题，残余应力是当物体没有外部因素作用时，在物体内部保持平衡而存在的应力lA.

2、近年来，由于在设计机械零部件时，要求材料承受高功率、高速度和高温的倾向日益增强，在技术上应用价值的观点更加突出，而残余应力的存在对于零部件的尺寸的稳定性，疲劳强度及应力腐蚀等等都将产生直接的影响。然而，残余应力存在的重大意义就在于它对构件机械性能的影响和对它的利用。实际上，在机械的使用过程中，发生意外的破坏事故时，除材料本身的结构和强度之外，常常与残余应力有关;例如，对经喷丸强化的部位施加交变应力时，因为此处己有残余压应力，从而减低了初始负载作用的平均应力。因此，开展残余应力研究，对于如何按照工况正确设计构件的残余应力，保证材料应用的可靠性，具有重要的现实意义。对残余应力的

3、超声波的在线测量，需要了解残余应力与超声波波速的关系，以便进行残余应力的定量分析，为生产实际服务[3)工程构件常为金属材料，金属多晶体材料可看成微小晶粒的集合，晶粒的化学成分、尺寸大小及取向分布(统称为材料的微结构)等决定了多晶体材料的宏观力学响应。在铸造、塑性成形、热处理等过程中，多晶体材料中晶粒的尺寸大小、取向分布及形状等都将发生一定的变化，产生不同的微结构.由于金属晶粒的各向异性，使得材料宏观力学性质很大程度上取决于材料的晶粒取向分布。另外，构件加工过程中的温度场和塑性变形场的分布不均匀，将导致构件中存在残余应力。从非线性弹性角度来看，残余应力也会影响材料的弹性第1章

4、绪论性质。当超声波在这样的金属多晶体中传播时，其传播速度与材料弹性性质有关。材料微结构和残余应力影响材料的弹性力学性质，因此材料的微结构和残余应力可以通过超声波测量。随着科学和工业的发展，超声波波速可以精确获得，从而使得材料微结构和残余应力与超声波速关系的研究变得具有实际意义。Bunge[4]f1Roe[”在上世纪60年代分别但几乎同时引进了取向分布函数(orientationdistributionfunction，简称ODF)来定量地描述晶粒的取向分布(即材料的织构)。金属多晶体中的波速与材料织构关系的研究吸引了许多学者的青睐，Sayers(61给出了立方晶粒正交集合下

5、的多晶体和波速之间的关系，Huang[71讨论立方晶粒各向异性集合多晶体材料的性质与波速之间的关系，给出了如何利用超声波来定量测量多晶体材料织构的表达式。本论文将推导出超声波测量多晶体中残余应力的表达式，为利用超声波残余应力测量提供理论基础。1.2非线性弹性本构与金属材料微结构关系Huang和Man[s1(2002)讨论T在Voigt模型[9]和Reuss模型n0]下的立方晶粒各向异性集合弹性本构关系，并给出了有效平均弹性刚度张量C‘和有效平均弹性柔度张量S,ef、C`f和S`“的表达式具体形式。根据Harting律[1U，要较为准确地描述晶粒应力和应变关系，需要考虑本构关

6、系的非线性项，尤其当晶粒的变形和应力较大时。在Voigt模型下，Barsch[伙1968)给出了立方晶粒各向同性集合的非线性弹性本构关系，讨论了立方晶粒各向同性集合的三阶弹性常数和相应的单晶常数之间的关系。Lubarda["1通过半自洽方法给出了立方晶粒各向同性集合的非线性弹性本构关系，Johnson[191给出了立方晶粒正交集合的非线性弹性本构关系。Man[14】和Paroni和Man115]给出了包含织构系数和残余应力效应的立方晶粒正交集合的材料本构关系，但目前人们还没有给出立方晶粒各向异性集合的非线性弹性本构关系。本文将基于Voigt模型[91和Reuss[I01模型

7、，讨论立方晶粒各向异性集合的非线性弹性本构关系，得到了包含织构系数效应的立方晶粒各向异性集合的非线性弹性本构关系。该本构关系比Barsch[121的各向同性解要好的多[16101.3声弹性本构关系与金属材料微结构关系Manp7,is1假设六阶声弹性张量依赖于ODF，利用客观性原理:第1章绪论D(TQ.XQaQT,QbQT」一QD(-X.,b]QT(1.1)其中Q为任意转动张量，a,、是任意的二阶对称张量，、谁卜咖TR),R是Roe表示下的转动张量，QT是Q的转置。对于弱织构材料，仅保留织构系数的线性项，声弹性张量的