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X射线衍射对应力测定 X射线应力测定 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巨大的实际意义,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在评价材料强度、控制加工工艺、检验产品质量、分析破坏事故等方面是有力的手段 残余应力 残余应力是材料及其制品内部存在的一种内应力,是指产生应力的各种因素不存在时,由于不均匀的塑性变形和不均匀的相变的影响,在物体内部依然存在并自身保持平衡的应力。通常残余应力可分为宏观应力、微观应力和点阵静畸变应力三种,分别称为第一类应力、第二类应力和第三类应力。 X射线应力测定 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。但是用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。 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,而其他方法测定的应变,通常为20~30mm范围内的平均。 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射线时,测量精确度不高。能给出明锐衍射峰的试样,其测量误差约为±2×107Pa(±2kgf/mm2);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。 X射线残余应力测定原理 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。 单轴应力测定原理 在理想的多晶体材料中,晶粒大小适中均匀,取向任意。当无应力作用时各个晶粒同一(HKL)晶面的间距不变,为d0。当受到应力作用时,各个晶面间距因其与应力轴的夹角和应力大小而变化。上述分析可见,在应力σy作用下与试样表面垂直的晶面间距do扩张为dn。若能测得该晶面间距的扩张量Δd=dn-do,则应变εy=Δd/do,根据弹性力学原理,应力为: σy = Eεy = EΔd/do (1) 单轴应力测定原理 似乎问题可以解决。但从试验技术讲,X射线残余应力测定尚无法测得这个方位上的晶面间距变化。但由材料力学可知,从z方向和x方向的变化可以间接推算y方向的应变。对于均匀物质有 εx=εz=-νεy (2) ν为材料的泊松比。对于多晶体试样,总有若干个晶粒中的(hkl)晶面与表面平行,晶面法线为N,在应力σy作用下,这一晶面间距的变化(缩小)是可测的,如晶面间距在应力作用下变为dn,则z方向反射面的晶面间距变化Δd=dn-do,则 εz =(dn-do)/do (3) 单轴应力测定原理 将(2)、(2)代入(1)可以算得σy。 通过这种方法我们可以测定y方向的应力。Z方向的晶面间距的变化可以通过测量衍射线条位移Δθ获得。 平面应力测定原理 一般情况下,材料的应力状态并非是单轴应力那么简单,在其内部单元体通常处于三轴应力状态。由于X射线只能照射深度10-30μm左右的表层,所以X射线法测定的是表面二维的平面应力。 根据弹性力学,在一个受力的物体内可以任选一个单元体,应力在单元体的各个方向上可以分解为正应力和切应力。 平面应力测定原理 适当调整单元体的方向,总可以找到一个合适的方位,使单元体的各个平面上切应力为零,仅存在三个相互垂直的主应力σ1、σ2、σ3。对于平面应力来说(见图4-6),只存在两个主应力σ1、σ2与试样表面平行,垂直于表面的主应力σ3 = 0。但是垂直于表面的主应变ε3不等于零。对各向同性的材料,有: 平面应力测定原理 此时ε3可由平行于试样表面的晶面间距d值的变化而测得,即: 上式可见,此时测得的是平面内两个主应力的和(σ1+σ2),但我们需要的是平面上某个方向上的应力如图中与σ1夹角为φ的
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