16宏观残余应力的测定

1、第六章第六章宏观残余应力的测定宏观残余应力的测定 6.1 6.1 物体内应力的产生与分类物体内应力的产生与分类 u内应力内应力是指产生应力的各种因素不存在时，是指产生应力的各种因素不存在时，由于形变、体积变化不均匀而存留在构件内由于形变、体积变化不均匀而存留在构件内部并自身保持平衡的应力。通常分为三类：部并自身保持平衡的应力。通常分为三类：q第一类内应力；第一类内应力；q第二类内应力；第二类内应力；q第三类内应力。第三类内应力。u第一类内应力第一类内应力又称又称宏观应力宏观应力，在工程上常把，在工程上常把宏观应力称为宏观应力称为残余应力残余应力。类型类型名称名称平衡范围平衡范围衍射效应衍射效应

2、产生原因产生原因第一第一类内类内应力应力宏观内宏观内应力应力在物体内部相当大在物体内部相当大（众多晶粒）范围（众多晶粒）范围内内使谱线位移使谱线位移热处理、表面处热处理、表面处理、机加工等理、机加工等第二第二类内类内应力应力微观内微观内应力应力晶粒、亚晶粒内部晶粒、亚晶粒内部使使谱线宽化谱线宽化或衍射强度或衍射强度降低降低晶格的弹性弯曲、晶格的弹性弯曲、扭转或均匀压缩、扭转或均匀压缩、拉伸拉伸第三第三类内类内应力应力超微观超微观内应力内应力位错线附近、析出位错线附近、析出相周围、晶界附近、相周围、晶界附近、复合材料界面等若复合材料界面等若干个原子尺度范围干个原子尺度范围内内不同种类的原子不同种

3、类的原子移动、扩散和原移动、扩散和原子重新排列使晶子重新排列使晶格产生畸变格产生畸变u残余残余应力测定方法应力测定方法测定宏观应力的方法可分为两类：测定宏观应力的方法可分为两类：一类是一类是应力松弛法应力松弛法，即用钻孔、开槽或剥层等，即用钻孔、开槽或剥层等方法使应力松弛，用电阻应变片测量变形以计方法使应力松弛，用电阻应变片测量变形以计算残余应力。这是一种破坏性的测试；算残余应力。这是一种破坏性的测试；另一类是另一类是无损法无损法，即利用应力敏感性的方法，即利用应力敏感性的方法，如超声、磁性、中子衍射、如超声、磁性、中子衍射、x射线衍射射线衍射等等。ux射线应力测定的特点射线应力测定的特点和不

4、足之处和不足之处用用x射线测定残余应力有以下射线测定残余应力有以下特点特点：是非破坏性试验方法。是非破坏性试验方法。测定的是弹性应变。测定的是弹性应变。可以测定可以测定12mm以内的很小范围内的应变。以内的很小范围内的应变。测定的是试样表层大约测定的是试样表层大约10m深度内的二维应深度内的二维应力。力。可以测量材料中的三类应力。可以测量材料中的三类应力。x射线法的射线法的不足之处不足之处：测试设备费用昂贵；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；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，

5、测量精确当被测工件不能给出明锐的衍射线时，测量精确度不高。度不高。试样晶粒尺寸太大或太小时，测量精度不高；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；大型零件不能测试； 运动状态中的瞬时应力测试也有困难。运动状态中的瞬时应力测试也有困难。6.2 x射线宏观应力测定的基本原理射线宏观应力测定的基本原理通过测定弹性应变量推算应力（通过测定弹性应变量推算应力（=e=e）。）。通过晶面间距的变化来表征应变（通过晶面间距的变化来表征应变（=e=e=e=ed/dd/d0 0）晶面间距的变化与衍射角晶面间距的变化与衍射角2的变化有关。的变化有关。 根据根据 2dsin= 2dsin= d/d=

6、-cotd/d=-cot因此，只要知道试样表面上某个衍射方向上某个晶面因此，只要知道试样表面上某个衍射方向上某个晶面的衍射线位移量的衍射线位移量，即可计算出晶面间距的变化量，即可计算出晶面间距的变化量d/d，进一步通过胡克定律计算出该方向上的应力，进一步通过胡克定律计算出该方向上的应力数值。数值。在拉应力在拉应力 y的作用下，正好与拉的作用下，正好与拉伸方向垂直的试样中某晶粒的伸方向垂直的试样中某晶粒的（hkl）晶面，其晶面间距将由）晶面，其晶面间距将由d0扩张为扩张为dn，则其应变为：，则其应变为：根据弹性力学原理，其应力：根据弹性力学原理，其应力：000dddddnyu单轴应力测定原理单轴

7、应力测定原理0ddeeyy只要求出只要求出d/d，即可求出，即可求出y。而。而 通过通过x射线衍射射线衍射, 求出该晶面对应衍射线位移求出该晶面对应衍射线位移即可。即可。/cosd d 直接测定直接测定 y是很困难的，但对于均质材料：是很困难的，但对于均质材料： 为泊松比。对于多晶体试样，总可以找到若干个晶为泊松比。对于多晶体试样，总可以找到若干个晶粒的（粒的（hkl）晶面与试样表面平行，这些晶面的晶面）晶面与试样表面平行，这些晶面的晶面间距变化是可测的：间距变化是可测的：因此因此yzx00dddnz00dddeenyyu平面应力测定原理平面应力测定原理平面应力平面应力(双轴应力双轴应力):

8、指在二维方向上存在的应力。指在二维方向上存在的应力。（由于（由于x射线只照射到表面射线只照射到表面1030m左右的深左右的深 度，因此度，因此x射线只能测出二维平面应力。）射线只能测出二维平面应力。）对于理想的多晶体，当受到一定的宏观应力的作用对于理想的多晶体，当受到一定的宏观应力的作用时，不同晶粒的同族晶面间距随晶面方位及应力大时，不同晶粒的同族晶面间距随晶面方位及应力大小发生有规律的变化，如图所示。小发生有规律的变化，如图所示。由弹性力学原理有：由弹性力学原理有：这是宏观应力测定的基础公式。这是宏观应力测定的基础公式。 5.3 宏观应力测定方法宏观应力测定方法宏观残余应力的测定方法宏观残余

9、应力的测定方法1、同倾法、同倾法2、侧倾法、侧倾法u同倾法同倾法同倾法的衍射几同倾法的衍射几何特点是测量方何特点是测量方向平面与扫描平向平面与扫描平面重合。面重合。u侧倾法侧倾法侧倾法的衍射几何侧倾法的衍射几何特点是测量方向平特点是测量方向平面与扫描平面垂直。面与扫描平面垂直。5.4 x射线宏观应力测定中的一些问题射线宏观应力测定中的一些问题u衍射峰的确定衍射峰的确定衍射线位移是测定宏观应力的依据，因而衍衍射线位移是测定宏观应力的依据，因而衍射峰位置（射峰位置（2）的准确测定直接决定应力测）的准确测定直接决定应力测量的精度，常用定峰方法是量的精度，常用定峰方法是半高宽法半高宽法和和抛物抛物线法

10、线法。半高宽法半高宽法如图所示，适合峰形较明锐的衍射谱。如图所示，适合峰形较明锐的衍射谱。抛物线法抛物线法对于峰形漫散的衍射谱，将峰顶部位假定为抛物线对于峰形漫散的衍射谱，将峰顶部位假定为抛物线用测量的强度数据拟合，求最大强度用测量的强度数据拟合，求最大强度ip对应的衍射角对应的衍射角2p 衍射峰位置。衍射峰位置。求最大强度，对上式求导为零，得求最大强度，对上式求导为零，得分为：分为：三点抛物线法三点抛物线法和和抛物线拟合法抛物线拟合法2210)2(2aaai2122aap)(2)3(2221babap三点抛物线法三点抛物线法u应力常数应力常数k的确定的确定由于晶体材料的各向异性，在确定应力常数由于晶体材料的各向异性，在确定应力常数k时，所用的时，所用的e不能采用宏观机械方法测量不能采用宏观机械方法测量的多晶平均弹性模量进行计算，不同（的多晶平均弹性模量进行计算，不同（h k l）面的弹性性质不同，因此需测定与选用晶面面的弹性性质不同，因此需测定与选用晶面相应的弹性性质。相应的弹性性质。u影响宏观应力测量精度的因素影响宏观应力测量精度的因素衍射面的选定衍射面的选定 原则