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1、材料测试技术第六章第1页，本讲稿共33页6-1 引 言内应力内应力是指产生应力的各种外部因素撤除之后材料内部依然存在、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。第2页，本讲稿共33页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原子尺度范围内不同种类
2、的原子移动、扩散和原子重新排列使晶格产生畸变第3页，本讲稿共33页 构件中的宏观残余应力与其疲劳强度，抗应力腐蚀能力以及尺寸稳定性等有关，并直接影响其使用寿命。如焊接构件中的残余应力会使其变形，因而应当予以消除。而承受往复载荷的曲轴等零件在表面存在适当压应力又会提高其疲劳强度。因此测定残余内应力对控制加工工艺，检查表面强化或消除应力工序的工艺效果有重要的实际意义。测定宏观应力的方法很多，有电阻应变片法，小孔松弛法，超声波法，和X射线衍射法等等。除了超声波法以外，其它方法的共同特点都是测定应力作用下产生的应变，再按弹性定律计算应力。第4页，本讲稿共33页为什么X射线可以测定宏观应力？X射线应力测
3、量法特点：有效的无损检测方法；X射线照射面积可以小到12mm直径，因此可测定小区域的局部应力；只能得到表面(1030m深)应力，但精度受组织因素影响很大。第5页，本讲稿共33页6-2 单轴应力测定原理在拉应力y的作用下应变：应力：X射线不能直接测量y但对均质物质，有（为泊松比）第6页，本讲稿共33页对于多晶体试样，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：因此第7页，本讲稿共33页6-3 平面应力测定原理由于X射线的穿透能力有限，只能测到1030m的深度，此时垂直于表面的应力分量近似为零，即测得的是接近二维平面应力。根据弹性力学原理，在一个受力物体内任
4、一单元体上，应力在各个方向上可分解为正应力和切应力，而且适当调整单元体方位，总可以找到合适的方向，使得各平面上切应力为零，仅存在三个相互垂直的主应力1、2、3。第8页，本讲稿共33页在二维应力下主应力1、2与试样表面平行，表层主应力30，但在1和 2 的作用下，垂直于试样表面的应变3并不为零，当材料各向同性时：3可由平行于表面的某晶面间距d值的变化测量，即第9页，本讲稿共33页求某方向上应力的方法1、测定垂直表面的应变3：2、测定与表面呈 的应变 ：3、由3、计算 ：第10页，本讲稿共33页 将3、代入 得若d0不知，则用dn代替d0，得即第11页，本讲稿共33页 法基本原理法基本原理(6-1
5、3)对（6-13）求偏导:或第12页，本讲稿共33页因为应变 是通过测量2实现的，因此将上述方程化成2形式令第13页，本讲稿共33页K1属于材料晶体学特性参数，同一晶体不同衍射面K1不同，一般通过查表可以得到。测试时使X射线先后从几个不同的角人射，并分别测取各自的2角，因每次反射都是由与试样表面呈不同取的同种(hkl)所产生的2的变化反应了与试样表面处于不同方位上的同种(hkl)晶面的面间距的改变。根据测试结果作2sin2的关系图，将各个测试值连成直线，并用最小二乘法求斜率M，再利用上式求得。当当M 0，表面为压应力。，表面为压应力。则由于K1 0，所以第14页，本讲稿共33页若2 sin2
6、关系失去线性，说明材料的状态偏离应力公式推导的假说条件，即在X射线穿透深度范围内有明显的应力梯度、非平面应力状态(三维应力状态)或材料内存在织构(择优取向)。第15页，本讲稿共33页第16页，本讲稿共33页6-4 试验方法原则上可采用照相法和衍射仪法来测定宏观应力，但照相法效率低、误差大，现在一般不使用，多用衍射法。衍射法通常包括衍射仪法和应力仪法，其中应力仪可对工件进行现场检测。衍射仪法是通用的方法，主要掌握其测量步骤、几何原理和实施方法。第17页，本讲稿共33页衍射仪法测量步骤1、测定0 0时的202、测定为任意角时的2 ；3、用2 sin2 作图，求出直线斜率M；4、求应力常数K1；5、
7、计算 K1M第18页，本讲稿共33页以低碳钢为例，为CrK，0.22909nm1、测定0 0时的20，试样表面法线Ns与反射晶面(hkl)法线Np重合。测铁素体的(211)衍射线，d=0.117nm由得出 0=78.2则计算管在78.25扫描第19页，本讲稿共33页2、测定为任意角时的2 如要实现，将样品台绕测角仪轴旋转，而入射线和计算器固定不动，这样与试样表面成 的(211)符合衍射条件，产生衍射束，其几何关系如图。第20页，本讲稿共33页3、用2 sin2 作图，求出直线斜率M选取 0 ，15，30，45 进行测量，结果如下：用最小二乘法求得斜率M1.965，查P106表并计算得K1=-3
8、18.1MPa/第21页，本讲稿共33页sin2 法：一般测法：一般测4点或点或4点以上的方法叫点以上的方法叫sin2 法，优点法，优点是测量精确，缺点是测量次数较多。是测量精确，缺点是测量次数较多。0 45 法：只测量两个方向的应变，直线的斜率由首尾两法：只测量两个方向的应变，直线的斜率由首尾两点决定。该法只适用晶粒较细小、无织构、微应力不严重的点决定。该法只适用晶粒较细小、无织构、微应力不严重的情况。情况。第22页，本讲稿共33页当用通用型衍射仪时，聚焦几何会发生变化计算管要能够沿测角仪半径移动，以达到聚焦的目的。第23页，本讲稿共33页应力仪法应力仪法适用于大型构件，试样不动，通过改变X
9、射线入射的方向获得不同的方位，0即入射线与试样表面法线的夹角。0+(90-）第24页，本讲稿共33页6-试验精度的保证及测试原理的适用条件 样品制备样品制备 辐射的选择辐射的选择吸收因子和角因子的校正吸收因子和角因子的校正 衍射峰位置的确定衍射峰位置的确定 测试原理的适用条件测试原理的适用条件 第25页，本讲稿共33页样品制备加工切割至合适尺寸，表面磨平；表面深腐蚀去除机加工层；表面清洗、干燥；对于测量因加工、表面处理所引起的表面残余应力，应保留表面状态，不作破坏性处理。第26页，本讲稿共33页辐射的选择辐射的选择反射晶面（hkl）尽量选择角接近90（一般应在75以上）；衍射背底强度较低，衍射
10、峰较尖锐。根据上述原则和试样材料，选择合适的阳极靶和反射晶面（hkl）。第27页，本讲稿共33页吸收因子和角因子的校正当衍射峰宽化和不对称时，需用吸收因子和角因子对峰形进行修正：当0 时，入射线和衍射线在试样中所经历的路程不同，吸收因子不仅与 角角有关，而且与 角角有关，从而造成衍射峰不对称。当衍射峰半高宽大于6且应力较大时，有必要考虑吸收修正因子：当衍射峰半高宽在3.5 4以上时，有必要进行角因子()修正；修正方法：采用抛物线法定峰位，将所选点的强度进行校正，校正强度等于实测强度除以该点处的()R()。第28页，本讲稿共33页衍射峰位置的确定衍射峰位置的确定定峰方法有重心法、切线法、半高宽法
11、半高宽法、中点连接法、三点抛物线法三点抛物线法。1、半高宽法：以峰高1/2处的峰宽的中点作为峰的位置。第29页，本讲稿共33页2、抛物线法式中第30页，本讲稿共33页应力常熟应力常熟K值测定值测定晶体存在各向异性的，而X射线应力测定是基于某一反射面的。因此不能直接应用多晶体的弹性常数计算应力常数K，而需用实验方法测定。已知第31页，本讲稿共33页测试原理的适用条件测试原理的适用条件适用条件：试样材料为多晶体，无择优取向，晶粒也不宜过细；试样表层无应力梯度；多晶体中有时不同的晶体学方向力学性能差别很大，引用应力常数时要注意。第32页，本讲稿共33页本章总结1、为什么X射线可测量宏观应力?2、单轴应力测定原理；3、平面应力测定原理；4、各项的物理意义；5、衍射峰位置的确定。第33页，本讲稿共33页