残余应力讲座

1、残余应力讲座残余应力讲座 残余应力的测试、分析与应用 2011.6.21材料研究中心材料研究中心-物理电镜组物理电镜组第一节第一节 基础知识回顾1.1、什么是残余应力？、什么是残余应力？无外力、外力矩而内部自平衡的力。无外力、外力矩而内部自平衡的力。1.2、残余应力的分类、残余应力的分类以应力作用的尺度来划分，传统学派将其划分为三类，第一类残余应力在较大范围内（很多晶粒范围）维持力和力矩平衡；第二类残余应力在几个晶粒之间维持平衡关系；第三类残余应力作用的尺度只在原子尺度了。注意：注意：1、应力只能连续变化，不可以跳跃2、工程上所指的残余应力为第一类残余应力，和材料性能结合最密切。1.3残余应力

2、矩阵残余应力矩阵1.4、衍射的布拉格定律、衍射的布拉格定律1.4、多晶体的衍射锥、多晶体的衍射锥1.5、衍射峰的拟合、衍射峰的拟合第二节第二节 残余应力测试与计算原理2.1、测量的假设条件、测量的假设条件X射线测量残余应力是把射线测量残余应力是把晶面间距之间的应变与宏观的应变晶面间距之间的应变与宏观的应变等同起来等同起来！材料是各项同性的！材料是各项同性的！2.2、应力计算原理、应力计算原理+2.3、计算的假设条件、计算的假设条件+垂直表面主应力=0！且无切应力！2.4、主应力的计算方法、主应力的计算方法我们的仪器无法测量测试中主方向的选择？2.5、主应力方向的计算、主应力方向的计算2.6、测

3、量注意事项、测量注意事项1、 应力测试的几何要求必须准确对焦。应力测试的几何要求必须准确对焦。2、 明确测试材料，选择不同的靶材和衍射角明确测试材料，选择不同的靶材和衍射角2。3、 明确应力梯度大小，是否是织构样品。明确应力梯度大小，是否是织构样品。4、表面状态良好，无划痕、氧化皮、锈、油等。、表面状态良好，无划痕、氧化皮、锈、油等。5、 复杂部件的测试，选用不同的准直狭缝。复杂部件的测试，选用不同的准直狭缝。2.7、应力分析注意事项、应力分析注意事项2、 应力场是连续变化的！应力场是连续变化的！1、 应力是个矩阵！不能单从一个方向考虑。应力是个矩阵！不能单从一个方向考虑。3、 应力场会由于热

4、作用和尺寸效应调整。应力场会由于热作用和尺寸效应调整。4、手工磨削应力必须去除，、手工磨削应力必须去除，-400Mpa5、 剥层测试的喷丸应力，不是真实应力！剥层测试的喷丸应力，不是真实应力！第三节第三节 残余应力与材料性能的关系3.1、引入残余应力的方法、引入残余应力的方法表面高频淬火处理工艺表面高频淬火处理工艺表面化学处理工艺（渗碳、渗氮、离子渗金属等）表面化学处理工艺（渗碳、渗氮、离子渗金属等）表面喷丸表面喷丸表面滚压形变处理表面滚压形变处理表面激光处理表面激光处理表面复合强化表面复合强化3.2 应力腐蚀应力腐蚀应力腐蚀开裂（SCC）产生的条件：特定的环境介质（Cl-，OH-等）、大于临

5、界应力的拉应力，大量统计表明，由于残余拉应力而引起的不锈钢应力腐蚀事故约占总的事故数的80%，应力腐蚀破坏事故已占不锈钢整个湿态腐蚀破坏事故的首位。1、特定的腐蚀介质2、大于临界应力的拉应力（工作应力或残余应力）3、断裂速度大于无应力下的腐蚀破坏速度有研究表明在存在较大残余拉应力的情况下，即使不施加外力也可能发生应力腐蚀开裂！3.2 应力腐蚀应力腐蚀从残余应力的角度来预防金属材料的应力腐蚀消除残余拉应力。（如去应力退火）向材料表层引入残余压应力。（如喷丸）最终都是为了使构件的工作应力和残余应力叠加后，实际应力低于临界应力，从而避免应力腐蚀。3.2 应力腐蚀应力腐蚀3.2 应力腐蚀应力腐蚀3.2

6、 应力腐蚀应力腐蚀3.3 对疲劳强度的影响对疲劳强度的影响据统计，在各类零部件的失效中有80%以上属于疲劳破坏！残余应力对改善低周疲劳抗力一般不会显示出多大的作用，提高疲劳强度是指高周疲劳。注意： 喷丸等表面残余应力的引入同时伴有表面形貌、材料特性和组织结构等方面的变化，难以分离残余应力的单独作用！3.4 喷丸应力测量喷丸应力测量10%高氯酸+90%酒精3.4 喷丸应力测量喷丸应力测量喷丸应力特别注意的是：喷丸应力并非越大越好！从力的平衡角度来说，有压应力存在，就会有拉应力存在维持体系平衡，在喷丸的次表层存在压应力最大值，但同时也会萌生微裂纹。剥层法测出的应力分布曲线并非真的应力状态，是应力释

7、放后的应力状态！3.4 喷丸应力测量喷丸应力测量3.4 喷丸应力测量喷丸应力测量较正公式是复杂的！其准确性也值的商榷！第四节第四节 先进残余应力测试方法4.1 中子衍射中子衍射AlTiFeCu中子衍射10017811同步辐射(40Kev，0.3)6.51.00.350.23SWXRD(0.2 )153.41.30.8Cu-K0.0740.0110.0040.022中子及各种不同X射线对常见材料强度衰减66%的穿透深度(mm)4.1 中子衍射中子衍射4.1 中子衍射中子衍射4.2、SWXRD测量残余应力测量残余应力Powerful SWXRD谢谢大家！报告中的数据多半来源于物理组各位同事的辛苦测试，向辛苦工作的各位同事表达谢意！三种残余应力三种残余应力BACK残余应力非线性关系残余应力非线性关系BACK马氏体不锈钢靶材、衍射晶面选择马氏体不锈钢靶材、衍射晶面选择BACK 准确对焦准确对焦BACK仪器自动或手动对焦针长度 高频淬火样电解抛光高频淬火样电解抛光BACK5mm70mm应力云图5%高氯酸+95%酒精+5ml/200ml甘油电流密度3050A/dm2不同的准直器不同