宏观残余应力的测定(I)

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1、第六章宏观残余应力的测定6.1物体内应力的产生与分类内应力是指产生应力的各种因素不存在时，由于形变、体积变化不均匀而存留在构件内部并自身保持平衡的应力。通常分为三类：第一类内应力；第二类内应力；第三类内应力。第一类内应力又称宏观应力，在工程上常把宏观应力称为残余应力。类型名称平衡范围衍射效应产生原因第一类内应力宏观内应力在物体内部相当大（众多晶粒）范围内使谱线位移热处理、表面处理、机加工等第二类内应力微观内应力晶粒、亚晶粒内部使谱线宽化或衍射强度降低晶格的弹性弯曲、扭转或均匀压缩、拉伸第三类内应力超微观内应力位错线附近、析出相周围、晶界附近、复合材料界面等若干个

2、原子尺度范围内不同种类的原子移动、扩散和原子重新排列使晶格产生畸变残余应力测定方法测定宏观应力的方法可分为两类：一类是应力松弛法，即用钻孔、开槽或剥层等方法使应力松弛，用电阻应变片测量变形以计算残余应力。这是一种破坏性的测试；另一类是无损法，即利用应力敏感性的方法，如超声、磁性、中子衍射、X射线衍射等。X射线应力测定的特点和不足之处用X射线测定残余应力有以下特点：①是非破坏性试验方法。②测定的是弹性应变。③可以测定1～2mm以内的很小范围内的应变。④测定的是试样表层大约10μm深度内的二维应力。⑤可以测量材料中的三类应力。X射线法的不足之处：①测试设备费用昂贵；②

3、受穿透深度所限，只能无破坏地测表面应力，若测深层应力，也需破坏试样；③当被测工件不能给出明锐的衍射线时，测量精确度不高。④试样晶粒尺寸太大或太小时，测量精度不高；⑤大型零件不能测试；⑥运动状态中的瞬时应力测试也有困难。6.2X射线宏观应力测定的基本原理通过测定弹性应变量推算应力（σ=Eε）。通过晶面间距的变化来表征应变（σ=Eε=E△d/d0）晶面间距的变化与衍射角2θ的变化有关。根据2dsinθ=λ→△d/d=-cotθ·△θ因此，只要知道试样表面上某个衍射方向上某个晶面的衍射线位移量△θ，即可计算出晶面间距的变化量△d/d，进一步通过胡克定律计算出该方向上的应

4、力数值。在拉应力y的作用下，正好与拉伸方向垂直的试样中某晶粒的（hkl）晶面，其晶面间距将由d0扩张为d’n，则其应变为：根据弹性力学原理，其应力：单轴应力测定原理只要求出△d/d，即可求出σy。而通过X射线衍射,求出该晶面对应衍射线位移△θ即可。直接测定y是很困难的，但对于均质材料：为泊松比。对于多晶体试样，总可以找到若干个晶粒的（hkl）晶面与试样表面平行，这些晶面的晶面间距变化是可测的：因此平面应力测定原理平面应力(双轴应力):指在二维方向上存在的应力。（由于X射线只照射到表面10~30μm左右的深度，因此X射线只能测出二维平面应力。）对于理想的多晶体

5、，当受到一定的宏观应力的作用时，不同晶粒的同族晶面间距随晶面方位及应力大小发生有规律的变化，如图所示。由弹性力学原理有：这是宏观应力测定的基础公式。5.3宏观应力测定方法宏观残余应力的测定方法1、同倾法2、侧倾法同倾法同倾法的衍射几何特点是测量方向平面与扫描平面重合。侧倾法侧倾法的衍射几何特点是测量方向平面与扫描平面垂直。5.4X射线宏观应力测定中的一些问题衍射峰的确定衍射线位移是测定宏观应力的依据，因而衍射峰位置（2θ）的准确测定直接决定应力测量的精度，常用定峰方法是半高宽法和抛物线法。半高宽法如图所示，适合峰形较明锐的衍射谱。抛物线法对于峰形漫散的衍射谱，将峰

6、顶部位假定为抛物线用测量的强度数据拟合，求最大强度Ip对应的衍射角2θp衍射峰位置。求最大强度，对上式求导为零，得分为：三点抛物线法和抛物线拟合法三点抛物线法应力常数K的确定由于晶体材料的各向异性，在确定应力常数K时，所用的E不能采用宏观机械方法测量的多晶平均弹性模量进行计算，不同（hkl）面的弹性性质不同，因此需测定与选用晶面相应的弹性性质。影响宏观应力测量精度的因素衍射面的选定原则：选择尽可能高的衍射角。试样状态原则：表面应尽量光洁，为减小表面曲率的影响，选用尽量狭窄的光束。晶粒度原则：晶粒应细小，否则应使入射线摆动，以增加参加衍射的晶粒数。