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第六章宏观残余应力的测定
第六章 宏观残余应力的测定 第一节 物体内应力的产生与分类 残余应力:指当产生应力的各因素(外力,温度、相变等)不复存在时,因不均匀塑变或相变,而残留在构件内部,并自身保持平衡的应力。 残余应力:对材料疲劳强度、抗蚀性、磁性等均有影响。 X射线应力测定:在评价材料强度、控制加工工艺,检查产品质量等方面都具有重要的作用。 优点:属非破坏性,可测定表层(极浅层)和局部小区域的应力等。 不足:测定准确度尚不十分高。 1979年,德国马克劳赫.E提出,按其平衡范围可分三类。 第Ⅰ类内应力σⅠ:衍射效应:能使衍射线产生位移。 在物体宏观较大体积或多晶粒范围内存在并保持平衡的应力。此类应力释放,会使物体宏观体积或形状发生变化,称之为“宏观应力”或“残余应力”。 第Ⅱ类应力σⅡ:衍射效应:引起线形变化(峰宽化)。 在一个或少数个晶粒范围内存在并保持平衡的内应力。 第Ⅲ类应力σⅢ:衍射效应:能使衍射线减弱。 在若干原子范围存在并保持平衡的内应力。 第Ⅱ类应力和第Ⅲ类应力称为:“微观应力”。 第二节 x射线宏观应力测定的基本原理 二、宏观应力测定的原理 X射线衍射法:通过测量弹性应变ε,求得应力值σ。 对理想多晶体(晶粒细小均匀、无择优取向): 无应力状态:不同方位的同族{hkl}晶面间距 d 相等; 应力σφ状态:不同晶粒的同族{hkl}晶面间距 d 随晶面方位ψ及应力σ大小发生规律变化。 某方位面间距 d 相对于无应力时的变化(Δd/d), 反映了应力所造成的面法线方向上的弹性应变εφψ 。 应力测定的推导:在平面应力状态条件下进行的。 平面应力状态: 物体表面为自由表面,其法线方向应力为零。 当物体内应力沿垂直于表面方向变化梯度极小,而 X射线穿透深度又很浅(≈10μm),此平面应力假定是合理的。 建立主应力坐标系O-XYZ : XYZ:主应力(σ1,σ2 ,σ3)和主应变(ε1,ε2,ε3)的方向。 O-xyz:待测应力σφ (σx)及与其垂直的σy ,σz的方向。 σz‖σ3‖试样面法线ON; φ:σφ与σ1的夹角; 弹性力学原理:连续、均质、各向同性的物体,其任一方向上的应变εφψ可表达为: 由广义虎克定律: 在平面应力条件下, σz=o, εz =ε3 ,则 测定应力基本关系式: 即为待测应力σφ与应变εφψ随方位ψ变化率的关系式。 须将εφψ用衍射角θ表达,以得测定宏观应力实用公式。 由布拉格方程微分式: 因无应力时,衍射角θ≈θ0, 则 将此式对sin2ψ求导,得 则,在平面应力状态下,宏观应力测定的基本公式。 可见, 2θφψ随 sin2ψ呈线性关系。 应力常数 K: 决定于被测材料的弹性性质(弹性模量E、泊松比ν)、及所选衍射的衍射角θ(即衍射面间距 d 及波长λ)。 应力常数 K值:因晶体具各向异性,不同{khl}面的E、ν值不同,故不能用机械法测定多晶平均弹性常数计算 ,而需用无残余应力试样加己知外应力法测算。 常用材料应力测试常数数据见附录J(P320)。 2θφψ-sin2ψ直线斜率为M:因 K <0(负数),故, 当M >0、应力为负,即压应力; 当M <0,应力为正,即拉应力。 若2θφψ-sin2ψ关系非线性,说明材料状态偏离推导应力公式的假定条件。 如:深度内有应力梯度、非平面应力状态或存在织构。 此时,均需用特殊方法测算残余应力。 第三节 宏观应力测定方法 求试样表面某方向的残余应力σφ: 须在测定方向平面内测出≥2个不同ψ方位衍射角2θφψ ,求出2θφψ-sin2ψ直线斜率M,由测试条件的应力常数K,即得应力值。 为此,须利用一定衍射几何条件确定和改变衍射面方位ψ。 ψ-为衍射面法线(即εφψ)与试样面法线ON夹角。 目前宏观应力测量:衍射仪法(常用), 常用衍射几何方式:同倾法和侧倾法。 常用衍射几何方式有两种:同倾法和侧倾法。 同倾法 同倾法衍射几何特点:测量方向平面和扫描平面重合。 测量方向平面:试样面法向 0N 与待测应力σφ构成平面。 扫描平面:入射线、衍射面法线(ON)及衍射线所在平面。 确定ψ方位的两种方式: 1)固定ψ法; 2)固定ψ0 法。 1、固定ψ法: ① 衍射仪进行常规对称衍射,计数管与试样以2:1角速度转动,则衍射峰对应衍射晶面‖试样面,即ψ =0。 ② 试样绕衍射仪轴单独转动 ψ角,再进行2θ/θ扫描测量,衍射面法线与试样面法线夹角即为转过的ψ角。 固定ψ法:适用于较小尺寸试样。 因衍射仪光源在垂直于衍射仪轴的方向上有一定发散度。 在对称衍射条件( ψ=0 )下,可视为聚焦; 但当ψ≠0时,该几何布置偏离聚焦条件。 因此,使衍射线宽化和
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