材料微结构分析原理与方法：10 X射线宏观应力分析

1、第7章 X射线宏观应力分析Stress Analysis7.1 基本原理 材料的内应力系指当产生应力的因素消失时（如外力已去除、温度已达均匀、相变已停止），由于不均匀的塑性变形或相变使得材料内部依然存在并自身保持平衡的应力。2022/7/261 宏观应力（第一类应力） 在物体较大范围内存在并保持平衡的应力。衍射线产生位移 微观应力（第二类应力） 在晶粒范围内存在并保持平衡的内应力。衍射峰宽化 超微观应力（第三类应力） 在若干原子范围存在并保持平衡的内应力。 衍射线减弱 7.1.1 残余应力的分类7.1 基本原理2022/7/262X射线法测定残余应力的优点是非破坏性检验方法；可测定表层（10-

2、35m）的应力；可测局部小区域的应力；可测量纯粹的宏观残余应力；可测定复相合金中各个相的应力。7.1 基本原理2022/7/263特别提示：X-射线法是通过测定弹性应变来求得宏观应力值的思路：无应力时，同族晶面的面间距在不同方位是相同的；有宏观应力时，同族晶面的面间距在不同方位是有规律变化的；建立待测应力与空间方位上的应变的关系式，就解决问题的关键。7.1.2 测量原理7.1 基本原理2022/7/264应力测试原理单轴应力FLrn入射线底片试样底片rn衍射环1800 -2平面应力yX12当3=0时得K 应力常数， M （2-sin2）直线的斜率令7.2 宏观应力测定7.2.1 基本公式202

3、2/7/2610045法测定0和45两个方向上的的某（HKL）晶面的衍射角2如何获得 M （即 2 sin2直线的斜率）？sin2法测定0 45内几个方向上的某（HKL）晶面的衍射角23 3 OA , B0.5sin20.10.20.4153045200M250.3斜率M 0，为正值，拉应力斜率M 0，为负值，压应力7.2 宏观应力测定2022/7/2611M在测定方向平面内，至少测定两个不同方向上的衍射角2，求出2sin2直线的斜率要求利用衍射几何保证获得所需方向的衍射角2侧倾法同倾法7.2 宏观应力测定7.2.2 测量方法2022/7/26122扫描NN*xNN * （HKL）2扫描同倾法

4、侧倾法测量方向平面（N-N*）与X射线扫描平面重合测量方向平面（N-N*）与X射线扫描平面垂直7.2 宏观应力测定2022/7/2613在理论上的20附近做-2 联动扫描将样品单独从0位置上顺势针转动=45，探测器仍在理论2 0 附近做-2联动扫描方位角的含义为HKL晶面法线与样品表面法线的夹角入射X射线衍射晶面法线样品表面法线0探测器20 = 0HKL晶面NN*0探测器20 = 45HKL晶面NN*衍射晶面法线样品表面法线 45同倾法（1）固定法 X射线衍射仪法7.2 宏观应力测定2022/7/26142扫描NN*x上述方法，由于直接测定了衍射晶面的方位，故一般称之为 特点：第一次测试时（=

5、0），入射线与反射线相对样品表面呈对称分布理想聚焦；第二次入射时（ 如=45 ），入射线与反射线呈对不称分布，衍射几何偏离衍射仪聚焦条件，使得衍射线性宽化和不对称，影响了衍射角测试精度。矫正方法：（1）小的发散狭缝；（2）平行光束（使用索拉狭缝）xNN*固定 法7.2 宏观应力测定2022/7/2615 （2）固定0法 X-射线应力仪法对于大型工件，难以在衍射仪上测定。该方法就是适应大型工件而建立的，专门用于大型工件残余应力的测定X射线应力仪。特点：测试时入射光源和工件均固定不动，计数管单独扫描。0是入射线与样品法线的夹角，由于测定时固定0不动，故称固定0法 。2扫描NN*x07.2 宏观应力

6、测定2022/7/2616 特点： 第一次测试时0=0, 此时 = 0+ = = 90 - , 入射线与反射线相对样品呈不对称分布； 第二次入射时0=45, 此时 = 0+ = 45+ =45 + 90 - =135- , 入射线与反射线相对样品呈对不称分布xNN*HKL衍射线0=0 xNN*HKL衍射线0=45入射线0=457.2 宏观应力测定2022/7/2617无论是固定法还是固定0法，选取晶面方位角的方式均可采用：（1）0-45法（2）sin2法注意一下几点：（1）两种方法方位角的差异。（2）过去一般选0、15、30、45现在选0、25、35、45sin23 3 OA , B0.50.

7、10.20.30.4153045200M257.2 宏观应力测定2022/7/2618倾侧法NN * （HKL）2扫描ACBMN测量方向平面（N-N*）与X射线扫描平面垂直（1）适合于复杂表面的工件（2）对称入射，线形精度较高（3）变化范围理论上接近907.2 宏观应力测定2022/7/2619入射X射线衍射晶面法线样品表面法线0探测器20 = 0HKL晶面NN*专用样品架：可是进行（1）绕衍射仪轴独立旋转；（2）样品绕水平轴旋转7.2 宏观应力测定对衍射仪的要求2022/7/26207.2 宏观应力测定2022/7/2621（1）关于靶材的选择 如测钢铁材料（Fe），应选24 25 26 2

8、7 28 29 Cr Mn Fe Co Ni Cu（2）衍射晶面的的选择 尽量选择高角衍射线条 如测定-Fe，选（211）晶面 Cr靶（K=0.2291nm），=78.04（3）定峰方法 半高宽；抛物线法7.3 宏观应力测定中的一些问题2022/7/2622（5）应力常数 K因为X射线应力测定中所涉及的是反映某一特定晶面（HKL）应力-应变关系的E和，因此上式不应使用材料的宏观（工程）E 和。严格计算应采用特定衍射晶面的E 和。（4）表面状态在不同角下，测量出试样某(HKL)晶面的2值，由即可计算出该晶面的X射线应力常数。 7.3 宏观应力测定中的一些问题2022/7/26237.4 衍射峰位确定方法（1）顶峰法