15-16宏观应力测定解读.ppt

第六章 宏观应力测定 引言 内应力定义： 产生应力的各种外部因素去除之后或在约束条件下，材料内部或构件中存在的并保持平衡的应力 三类内应力： 1）第一类内应力（宏观应力） 2）第二类内应力（微观应力） 3）第三类内应力（超显微应力） 1，应力松驰法：（包括开槽、钻孔、镗孔、光弹涂 层钻孔…） 2，X射线法：（照相法、衍射仪法、应力仪法） 3，利用应力敏感性方法：（超声、硬度、磁性法……） 4，开裂法：（氢致开裂和应力腐蚀开裂） 残余应力测量方法 X射线衍射测应力的优点与缺点 优点： 是一种非破坏的测设方法，优于机械、电阻法、光弹性法。 测量表层(40μm以内)的内应力，研究镀层、渗层、涂层。 可以测定小区域的局部应力。 通过剥层法可以测定研深度变化的应力梯度。 缺点： 测量精度稍低，约为10～30 MPa。 测量精度受晶粒度、试样形状、织构的影响较大。 测试原理 布拉格方程微分： 只要算出晶面间距的衍射线位移量???，根据弹性力学定律可算出该方向上的应力数值。 应力测量的基本原理 据弹性力学知识： 假设某晶粒中的(hkl)晶面正好与拉伸方向垂直，其无应力状态下的晶面间距是d0,在应力作用下变为dn1，则晶面间距的变化为： △d= dn1－ d0 又因为： 所以： 单轴应力测定原理 单轴应力测定原理 由于无法测出与入射线相平行晶面的晶面间距变化，可用垂直于入射线方向晶面的晶面间距变化来推算y方向的应变。 只要测出Z方向反射面的间距变化△d，即可以算出y方向的应力大小。 必须有两个试样，一个无应力试样以求出d0，另一个待测的有应力试样以求出dn。 应力测量的基本原理 应力对X射线衍射线的影响 平面应力测量原理 一般原理： 在一般情况下，材料的应力多是三向应力，即一个单元体积上受三个正应力和六个切应力的作用。由于X射线只能探测到材料10～30μm左右的深度，因此X射线只能研究材料的表面应力，它是二维平面应力，只有两个正应力和四个切应力的作用。通过适当调整单元体的方向，可以使单元体的各平面上切应力为零，仅存三个相互垂直的主应力σ1、σ2、σ3。 受力物体表面的应力 平面应力测量原理 虽然，垂直于试样表面的主应力σ3＝0，但此方向的应变ε3不等于零： 利用X射线测得平行于试样表面的衍射面的面间距的变化，即可测得ε3，进而测出（σ1＋σ2） 平面应力测量原理 在工程中，人们关心的是某个方向上的应力，如与 夹角为φ的方向上的应力 。可按如下程序测定： (1) 首先测与表面平行的(hkl)晶面的应变 测定dn : 方向垂直于表面 Ns:试样表面法线 Np:反射晶面法线 与(hkl)晶面间距的关系： 平面应力测量原理 (2)测定与表面呈任意的Ψ角上的(hkl)晶面的应变 测定dψ dψ为垂直于OA方向的某个晶粒的(hkl)晶面间距，它与(hkl)晶面的应变 关系为： 平面应力测量原理 (3) 由 计算出 。对于各向同性的弹性体是相关的，由弹性力学原理，有： 这是残余应力测定的基础公式 将 带入上式，得： 平面应力测量原理 若已知d0，测定dn ，即可算出 由于测量d0 较困难，因为： 所以可以用dn代替d0，则上式变为： 进一步整理，得： 这是残余应力测试的基本公式，该式与φ与d0无关。 平面应力测量原理 残余应力公式分析 从公式看，要测定试样表面上任意指定位置的一个方向的平面应力 ，需要测定 和dn两个量： dψ：与试样表面成Ψ角的(hkl)衍射面的面间距。 dn: 平行于试样表面的(hkl)衍射面的面间距。 Ψ: 由 和试样表面法线所组成的平面内，与面法线所组成的夹角。 测量方法：1.衍射仪法 2.应力仪法 0-45°法 Ψ＝0°时测出dn， Ψ＝45°时测出dψ 选择多个Ψ值，每选定一个Ψ值进行一次测量，要计算一个d值。为了减少计算过程，可以推导出以衍射角2θ为基础的计算公式（推导过程略）。 K1 M K1属于材料晶体学特性参数，可以查表得到。 M可以通过 的关系图求得， M0，压应力，M0，拉应力 低碳钢的残余应力测定 ψ0=0°的应变测定 采用CrKα测定 (211)线，由布拉格方程可算出θ＝ 78.2°。 当ψ＝0时，(211)晶面平行于试样表面，只要入射 线与试样表面呈θ0＝78.2°，就满足衍射仪所具备 的衍射几何条件。 计数管在78.2°的附近如±5°扫描，得到确切的2θ0＝154.92°。 衍射仪法残余应力测定时的测量几何关系 1入射X射线；2反射晶面 3测角仪圆 4