《现代分析测试》15-16 宏观应力测定

1、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(40m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

2、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1030 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

3、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1030m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的主应力1、2、3。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30，但此方向的应变3不等于零：利用X射线测得平行于试样

4、表面的衍射面的面间距的变化，即可测得3，进而测出（12）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角上的(hkl)晶面的应变 测定dd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

5、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：d：与试样表面成角的(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。: 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 0时测出dn， 45时测出d选择多个值，每选定一个值进行一次测量，要计算一个d值。为了减少计算过程，可以推导出以

6、衍射角2为基础的计算公式（推导过程略）。K1MK1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，拉应力低碳钢的残余应力测定0=0的应变测定采用CrK测定 (211)线，由布拉格方程可算出78.2。当0时，(211)晶面平行于试样表面，只要入射线与试样表面呈078.2，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20154.92。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 反射X射线5 计数器 6 反射晶面法线 7 试样表面法线低碳钢的残余应力测定为任意角度的测定一般为画 曲线，取分别为0,15,30,45

7、如测45时，让试样顺时针转动45，而计数器不动，始终保持在2156.4附近。此时记录在这个空间位置上试样内部的(211)晶面反射，得2155.96，而sin2 45=0.72,依次测定15,30的数据。依据以上的数据，得到以下结果：0153045154.92155.35155.91155.9600.0670.250.707用最小二乘法求得斜率M=1.965,查表K1=-318.1MPa/() 故：低碳钢的残余应力测定一般测4点或4点以上的方法，叫 法， 的结果较为精确，缺点是测试次数较多。当晶粒较小，织构少，微观应力不严重时， 直线的斜率可由首位两点确定，即 0和45。这种方法为045法。其公

8、式为：其中应力常数K2与 法的不同，随衍射面不同而不同。应力仪法应力仪可以在现场对工件进行实地残余应力检测。应力仪的测角仪为立式，可以灵活运动。计数管在竖直平面内扫描，试样或工件是固定的。测角台能使入射线在0到45范围内倾斜入射，计数管的2扫描范围可达到145165。应力仪工作过程：从X射线管发出的X 射线经入射光阑照射到试样或工件上，衍射线则通过接受光阑进入计数器。选择几点用 法测量，通过计算机处理数据，得出残余应力值。应力仪宏观应力测定仪的衍射几何0 ：入射线与试样表面法线的夹角。 ：衍射晶面法线与试样表面法线的夹角。第一次使X射线垂直试样表面照射，这时00 ，其应变方向为， 因为 0+在

9、衍射仪中，分别为0,15,30,45，而在应力仪中为0+,15+,30+,45+。采用应力法进行045法测量时，两次所测的应变分量分别为和45，应力计算公式变为：当材料、测试晶面以及入射线波长确定以后，是不变的，所以 是常数。使用应力仪时的X射线照射方式有两种：1）固定0法：入射X射线与试样的相对位置不变，即0不变，通过计数管扫描来接受整个衍射峰。2）固定法：入射X射线方向固定，但试样与计数管以1:2的角速度同方向转动，则在测试工程中不变。应力仪法影响残余应力测量精度的因素 样品表面状态的影响X射线可贯穿的深度较小(十几微米)，对表面状态非常敏感。 晶粒大小的影响晶粒过大使参与衍射的晶粒数目减少，从而使衍射强度不稳定，衍射峰异常，峰值不能准确确定。晶粒过小将使衍射线变宽，从而使测定的精度大大下降。 择优取向的影响对于有择优取向(织构)的材料，其 图没有线性关系，此材料的应力测定尚需进一步探讨。 陶瓷/金属连接残余应力X射线衍射测试试样选用钢和Si3N4陶瓷连接。测量界面Si3N4陶瓷一侧的张应力。对陶瓷/金属连接残