残余应力测定.ppt

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1、内应力及其x射线衍射测定内应力的定义当产生应力的因素不存在时(如外力去除、温度已均匀、相变结束等)，由于材料内部不均匀塑性变形(包括由温度及相变等引起的不均匀体积变化)，致使材料内部依然存在并且自身保持平衡的弹性应力称为残余应力，或内应力。应力的分类及其x射线衍射效应第一类是内应力（宏观应力）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。它能使衍射线产生位移。第二类内应力（微观应力）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（超微观应力）是在若干原子范围存在并保持平衡的内应力。它能使衍射线减弱达维金科夫分

2、类核心依据：各类内应力对晶体x射线衍射现象的影响兼顾：应力场作用范围忽略：三类内应力间关系局限性与问题问题：第二类内应力引起x射线偏移伪宏观应力马赫劳赫的内应力分类定义第Ⅰ类内应力：在较大的材料区域内（多个晶粒范围）内几乎是均匀的。与第一类内应力相关的内力在横贯整个物体的每个截面上处于平衡。与其相关的内力矩相对于每个轴抵消。当存在第一类内应力物体的内力平衡和内力矩平衡被破坏时会产生宏观的尺寸变化。ⅡⅢ第Ⅱ类内应力Ⅲ在材料较小范围内，通常为一个晶粒或晶粒内范围内近乎均匀，与之相联系的内力或内力矩在足够多的晶粒内是平衡的。平衡被破坏时会有尺寸变化。第Ⅲ类内

3、应力在极小的材料范围内也是不均匀的内应力，所谓的极小范围通常为几个原子间距，与之相关的内力或内力矩在小范围内是平衡的，破坏平衡不会产生尺寸变化。内应力系统第Ⅰ类内应力---较大宏观变形不协调的结果，可以看做与外载荷等效。第Ⅱ类内应力---各晶粒或晶粒区域间变形不协调第Ⅲ类内应力---与晶格畸变和位错组态相联系宏观应力测试方法机械测量法:分割全释放法、逐层剥层法、盲孔法、Gunter切铣环槽法、钻阶梯孔法、套取芯棒法、内孔直接贴片法以及释放管孔周应变测量法。物理测量法:X射线衍射法、磁性法、超声波法以及固有应变法。单轴应力测定单轴应力对各向同性的物质只要

4、测出z方向上晶面间距的变化Δd，就可算出y方向上应力的大小。晶面间距的变化是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在同一应力σφ的作用下不同晶粒中不同方向的同一hkl晶面以晶面法线与样品表面法线之间夹角用ψ表示，应变量不同，即晶面间距的变化量不同；晶面平行于应力方向，ψ=0°晶面垂直于应力方向，ψ=90°晶面与应力呈角度ψ在X射线辐照区域内，各小晶粒所承受内应力差别不大，但不同取向晶粒中同族晶面间距则存在一定差异。当材料中存在单向拉应力时，平行于应力方向的(hkl)晶面间距收缩减小(衍射角增大)，同时垂直于应力

5、方向的同族晶面间距拉伸增大(衍射角减小)，其它方向的同族晶面间距及衍射角则处于中间。当材料中存在压应力时，其晶面间距及衍射角的变化与拉应力相反。材料中宏观应力越大，不同方位同族晶面间距或衍射角之差异就越明显，这是测量宏观应力的理论基础。上述规律适用于单向应力、平面应力以及三维应力的情况。对ψ=90°的晶粒，若能测量得到其晶面间距dφ及试样无应力状态下的晶面间距d0，即可计算其应变应力；但dφ需要透射测量才能得到，而以X射线浅薄的穿透深度，对块体样品来说一般难以做到；而d0一般来说也难以确定；对ψ=0°的晶粒，同样也止步于难以得到d0，而无法用其公式来计

6、算应变应力；其他ψ角度的晶粒的应变εψ与ψ=0°的晶粒应变εn配合dψ-dn的值远远小于d0，而dn与d0的相差很小，因此可以近似到分母中；晶面间距的变化量与sin2ψ成正比，只需算出其比例即可算出应力大小。作图测量同一个晶面多个倾转角度（含ψ=0°）的峰位，计算各倾转角度下的晶面间距di，在dψ-sin2ψ坐标上标出(dψ,sin2ψ)各数据点；用一条直线拟合这些数据点，由该直线的斜率及材料的杨氏模量和泊松比即可计算得到应力值σ；若σ=0，即直线水平，则其在dψ轴上的截距即为无应力时的晶面间距d0。平面宏观应力X射线穿透深度对常规无机材料而言，X射线

7、能打入到大概在十几到几十微米左右深，穿透深度很浅；故X射线衍射法得到的结果可视为样品表面薄层的二维平面应力状态，垂直于样品表面方向的应力分量σ3近似为0；图中φ及ψ为空间任意方向OP的两个方位角，εφψ为材料沿OP方向的弹性应变，σx及σy分别为x及y方向正应力。此外，还存在切应力τxy根据弹性力学的理论，应变εφψ可表示为式中E及ν分别是材料的弹性模量及泊松比。如果X射线沿PO方向入射，则εφψ还可表示为垂直于该方向(hkl)晶面间距改变量，根据布拉格方程，这个应变为式中d0及2θ0分别是材料无应力状态下(hkl)晶面间距及衍射角。两个公式都表示应变

8、εφψ，其中前者代表了宏观应力与应变之间关系，后者则是晶面间距的变化。二者将宏观应力(应变)与