材料测试技术第六章2011.ppt

第六章 宏观应力测定,引言 单轴应力测定原理 平面应力测定原理 试验方法 试验精度的保证及测试原理的适用条件,6-1 引 言,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。,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。,为什么X射线可以测定宏观应力？,X射线应力测量法特点： 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。,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）,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,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。,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,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 ：,将3、 代入,得,若d0不知，则用dn代替d0 ，得,即,法基本原理,(6-13),对（6-13）求偏导:,或,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,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M 0，表面为压应力。,则,由于K1 0，所以,若2 sin2 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)。,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。,衍射仪法测量步骤,1、测定0 0时的20 2、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、计算 K1M,以低碳钢为例，为CrK， 0.22909nm,1、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,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。,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=-318.1MPa/ ,sin2 法：一般测4点或4点以上的方法叫sin2 法，优点是测量精确，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。,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。,应力仪法,适用于大型构件，试样不动，通过改变X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-）,6-试验精度的保证及测试原理的适用条件,样品制备 辐射的选择 吸收因子和角因子的校正 衍射峰位置的确定 测试原理的适用条件,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。,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）。,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，吸收因子不仅与角有关，而且与角有关，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()。,衍射峰位置的确定,定峰方法有重心法、切线法、半高宽法、中点连接法、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。,2、抛物线法,式中,应力常熟K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,测试原理的适用条件,适用条件： 试样