第六章 宏观应力测定.ppt

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1、宏观应力测定概述金属材料及其制品在冷、热加工（如切削、装配、冷拉、冷轧、喷丸、铸造、锻造、热处理、电镀等）过程中，常常产生残余应力。残余应力对制品的疲劳强度、抗应力腐蚀疲劳、尺寸稳定性和使用寿命有着直接的影响。研究和测定材料中的宏观残余应力有重大的实际意义，例如可以通过应力测定检查消除应力的各种工艺的效果；可以通过应力测定间接检查一些表面处理的效果；可以预测零件疲劳强度的贮备等等。因此研究和测定材料中的宏观残余应力是评价材料强度、控制加工工艺、检验产品质量、分析破坏事故等方面的有力手段材料的内应力指当产生应力的各种因素（如外力，温度、加工处理过

2、程等）不复存在时，由于不均匀的塑性变形或相变而使材料内部依然存在的并自身保持平衡的残余应力。＊第一类内应力是在物体较大范围内或许多晶粒范围内存在并保持平衡的应力。称之为宏观应力。它能使衍射线产生位移。＊第二类内应力是在一个或少数晶粒范围内存在并保持平衡的内应力。它一般能使衍射峰宽化。＊第三类内应力是在若干原子范围存在并保持平衡的内应力。它能使衍射线减弱。残余应力测定方法测定残余应力的方法有电阻应变片法、机械引伸仪法、小孔松弛法、超声波、光弹性复膜法和X射线法等。用X射线测定残余应力有以下优点：1.X射线法测定表面残余应力为非破坏性试验方法。

3、2.塑性变形时晶面间距并不变化，也就不会使衍射线位移，因此，X射线法测定的是纯弹性应变。用其他方法测得的应变，实际上是弹性应变和塑性应变之和，两者无法分辨。3.X射线法可以测定1--2mm以内的很小范围内的应变，其它方法测定通常为20--30mm范围内的平均应变。4.X射线法测定的是试样表层大约10μm深度内的二维应力。采用剥层的办法，可以测定应力沿层深的分布。5.可以测量材料中的三类应力。X射线法的不足之处X射线法也有许多不足之处：测试设备费用昂贵；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；当被测工件不能给出明锐的衍

4、射线时，测量精确度不高；试样晶粒尺寸太大或太小时，测量精度不高；大型零件不能测试；运动状态中的瞬时应力测试也有困难。在诸多测定残余应力的方法中，除超声波法外，其他方法的共同点都是测定应力作用下产生的应变，再按虎克定律计算应力。X射线残余应力测定方法也是一种间接方法，它是根据衍射线条的θ角变化或衍射条形状或强度的变化来测定材料表层微小区域的应力。一、X射线宏观应力测定的基本原理1、单轴应力宏观：最简单的受力状态是单轴拉伸。假如，有一根横截面积为A的试棒，在轴向Z施加拉力F，它的长度将由受力前的L0变为拉伸后的Ln，所产生的应变εy为：根据虎克定律

5、，其弹性应力σz为：σy＝Eεy式中E为弹性模量微观：试样各晶粒中与轴向垂直的晶面的面间距d也会相应地变大，可以通过测量d的变化来测定应变从材料力学可知，对各向同性的物质εx=εz=-νεyν－泊松比，负号表示减小Δd—Z方向上晶面间距的变化Δd可通过测量衍射线的位移Δθ得到的。由布拉格方程微分得：这是测定单轴应力的基本公式当试样中存在宏观内应力时，会使衍射线产生位移。通过测量衍射线位移，来测定宏观内应力。2、平面应力一般情况下，材料的应力状态通常处于三轴应力状态。在材料的表面只有两轴应力。X射线照射的深度很小。所以只需研究双轴应力，即平面应

6、力。在物体的自由表面上任意切割出一单元体。则该单元体受两个垂直方向σ1和σ2的应力作用。σ1和σ2随所选单元体方位的不同而变化，但二者之和为常数。虽然垂直于物体表面的方向上应力值σ3为零，应变ε3并不等于零。而是与平面方向的主应力之和有关。工程中人们更关心的是某个方向上的应力，如σφ。求σφ,除了测定垂直表面的应变ε3外，还要测σ3和σφ构成的平面内某个方向（如OA方向）的应变εψ。1）首先测量与表面平行的晶面(hkl)的应变，即测定与表面平行的晶面的晶面间距的变化。2）测量与表面呈ψ角上相同晶面（hkl）的应变。d0为无应力状态下(hkl)晶

7、面的晶面间距。dn为这个晶粒在σ3方向的晶面间距。d0为无应力状态下(hkl)晶面的晶面间距。dψ为这个晶粒在σψ方向的晶面间距3）由ε3、εψ求σφ。对各向同性和弹性体。由弹性力学原理有：这是宏观应力测定的基础公式。二、测试方法（一）衍射仪法0°~45°法:通过测定两个方向上有晶面间距来求应力σφ，sin2ψ法:测定一系列方向的的d来求σφ。它比上一个方法要准确一些。1、sin2ψ法由式可见，εψ与平面应力(σ1+σ2)的大小有关，还与ψ方向有关。晶粒取向不同，在σФ的作用下，εψ将是不同的。应变εψ可以用衍射晶面间距的相对变化表示，即θ0

8、为无应力时试样（HKL）晶面衍射线的布拉格角，θψ为有应力时，且在试样表面法线与晶面法线之间为ψ角时的布拉格角。在试样的应力状态一定的情况下，ε3不随