宏观应力的测定

用X射线粉末衍射法测定材料部件的宏观应力①衍射法测定材料部件中宏观应力的原理是什么？②衍射法测定宏观应力的方法有哪些？③衍射法测定宏观应力的特点？¾宏观内应力是指当产生应力的因素去除后，在物体内部相当大的范围内均匀分布的残余内应力。¾宏观应力是比较普遍存在的；金属部件在铸造、热处理、焊接及冷加工等操作中会产生宏观应力，在安装或使用中在外力作用下也会产生应力。¾宏观应力的存在使材料的强度、疲劳性能、尺寸稳定性、甚至耐腐蚀破裂性能等均受到不小的影响。¾宏观应力对材料的使用性能有很大影响。负面影响：如海水的应力腐蚀等；正面影响：如压应力可以提高疲劳寿命等。1.X射线衍射测定宏观应力的原理¾宏观应力使部件内部的晶面间距发生改变，X射线衍射可以很好的测定材料的晶面间距，所以材料内的宏观应力可以借X射线衍射方法来做测定。¾X射线衍射测定应力的原理就是：先用X衍射测定应变，再利用应力-应变关系计算应力。¾按照布拉格定律可知，在一定波长辐射发生衍射的条件下，d的变化导致衍射角θ的变化。测定θ的变化即可算得宏观应变，因而可进一步算得到应力大小。¾用X射线衍射方法测定宏观应力的原理较简单，但如何使精确度提高，且适用于复杂部件的需要等，则是颇为复杂的问题。1.X射线衍射测定宏观应力的原理1.X射线衍射测定宏观应力的原理¾如一个四方棱柱体沿Z方向受到σz拉应力的作用，则应变为εz=σz/E¾在此同时，与Z成直角的X及Y方向将分别发生收缩应变εx及εy，-εx=εy=υεz=υσz/E;式中υ为泊松比，负号代表收缩。¾在多轴应力的作用下沿X，Y，Z三个方向的应变将等于各自方向拉伸应变及其它两垂直方向收缩应变的叠加，即：()()()111xxyzyyzxzzxyEEEεσυσσεσυσσεσυσσ⎡⎤⎢⎥⎣⎦⎡⎤⎣⎦⎡⎤⎢⎥⎣⎦=−+=−+=−+1.X射线衍射测定宏观应力的原理1.X射线衍射测定宏观应力的原理α1，α2，α3分别为σφψ与主应力的方向余弦，ψ为σφψ与试样表面(XY面)法向的夹角。X射线测定表面应力¾X射线穿入金属的深度甚小，用X射线方法所测应力的范围仅限于试样表面很薄的一层。试样表面为自由表面，垂直于表面层的应力为零，即σ3=0，则有()1121Eεσυσ=−()2211Eεσυσ=−()312Eυεσσ=−+()()()112322313312111EEEεσυσσεσυσσεσυσσ⎡⎤⎣⎦⎡⎤⎣⎦⎡⎤⎣⎦=−+=−+=−+1.X射线衍射测定宏观应力的原理()1121Eεσυσ=−()2211Eεσυσ=−()312Eυεσσ=−[phone]φψεαεαεαε=+++()2121sinEEϕφψυυσψσσε+=−+此式表明，当σφ值不变时，沿ON方向的εφψ值与sin2ψ成直线关系。N1.X射线衍射测定宏观应力的原理1.X射线衍射测定宏观应力的原理式中d0为无应力状态下的晶面间距；d为有弹性应变时的晶面间距。1.X射线衍射测定宏观应力的原理N:试样表面法向；N1:晶面法向a:ψ=0°b:ψ=90°c:ψdψ=0dψdψ=90°ψ1.X射线衍射测定宏观应力的原理¾在一定的应力和弹性应变状态下，衍射角θ越大，弹性应变引起的衍射线位移也越大。在2θ角测量准确度相同时，应用这类谱线进行应力测定时，可以得到较高的准确度。1.X射线衍射测定宏观应力的原理¾所以，在应力测定中往往选用大θ角谱线以提高其准确度，一般选用θ角大于70º。¾正是从这点考虑，专供应力测定用的X射线应力测定仪的计数管扫描范围应设在高θ角区内，相当于2θ角的140º～170º之间。1.X射线衍射测定宏观应力的原理1.X射线衍射测定宏观应力的原理N1.X射线衍射测定宏观应力的原理η=90°-θ晶面法线，应变εψN:试样表面法向；n1:晶面法向ψ:晶面法向与试样表面法向间夹角1.X射线衍射测定宏观应力的原理2/sin2KMψϕψθσ=∂=∂σφ=KMθ0：无应力时的衍射半角X射线衍射方法测定金属部件中宏观应力具有如下几个优点：¾(1)不用破坏金属部件即可进行测量，也无需制作无应力的样品作比较;¾(2)可以测得部件上小面积和极薄层内的宏观应力，与剥层方法相结合，还可测量宏观应力在不同深度上的梯度变化。¾(3)测量结果的可靠性较高。特点用X射线测定宏观应力的方法也有其不利的一面•测得的应力系部件表面一薄层内的应力值。X射线的穿透深度，一般来说在金属中不大于0.025mm。•对于所测部件内的晶粒尺寸，要求不宜过大。晶粒过大，衍射谱线中出现斑点，影响数据的精确度。•用X射线测定应力的另一不便之处为设备比较笨重。2.衍射仪测定应力的特点¾为了获得高θ角的谱线，需要选择具有适当波长的X射线辐射。¾对于BCC结构的钢铁材料，通常选用CrKα特征谱线和(211)晶面，对应的布拉格角约为78.2º。¾有的试样中高角度谱线的相对强度较低，宽度很大；有的实验条件下谱线强度受吸收因子及劳伦茨偏振因子的影响较大，这些谱线的2θ位置均难以测准。在此情况下，也可以采用稍低的θ角加以计算。1.X射线衍射测定宏观应力的原理•宏观内应力的测定可以用X射线衍射照相法、衍射仪法和应力测定仪法。照相法由于效率低，误差大，很难准确地确定衍射线的位置，因此实际上已很少使用。X射线应力测定仪法¾X射线应力测定仪适用于较大的整体部件和现场设备构件的应力测定整台设备重量只有一百几十公斤，测角头可作到几公斤到十几公斤重。2.衍射仪测定应力的方法试样侧倾法对具有凸凹不平的复杂形状的试样，例如齿轮的齿根、角焊缝等，如果还让试样表面绕测角仪轴转动，就会给较大Ψ角衍射线的测量造成困难。在这种情况下，可以利用侧倾法。平行光束法采用平行光束法时，试样较易安放，对试样形状要求也不甚严格。这一点对于实际部件的应力测量有着重要意义。例如轴类部件，其表面有曲度，在X射线所照射的范围内总有一部分面积偏离理想位置。有些部件尺寸大，或形状复杂，难于准确放置试样。采用平行光束法均可使这些问题适当解决。衍射仪法2.衍射仪测定应力的方法3.X衍射测定应力例-13.X衍射测定应力例-12残余应力的测试试验2.1应力测试设备及条件对焊接试样进行残余应力测试，采用日本理学(Rigaku)Multiflex型x射线衍射应力测定仪。在单向应力测量时，就是将一平行X射线垂直投影到试件表面，利用接近于平行试件表面的晶面作为反射面，用测量仪测衍射角2θ，根据布拉格定律计算出晶面间距d，进而求出应力。3.X衍射测定应力例-1¾在测试时入射角分别采用了0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°进行扫描，其测试条件参数见表1和表2。3.X衍射测定应力例-13.X衍射测定应力例-1