X射線應(yīng)力測定分析課件

1、X射線衍射對應(yīng)力測定X射線應(yīng)力測定 金屬材料及其制品在冷、熱加工（如切削、裝配、冷拉、冷軋、噴丸、鑄造、鍛造、熱處理、電鍍等）過程中，常常產(chǎn)生殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力對制品的疲勞強(qiáng)度、抗應(yīng)力腐蝕疲勞、尺寸穩(wěn)定性和使用壽命有著直接的影響。研究和測定材料中的宏觀殘余應(yīng)力有巨大的實際意義，例如可以通過應(yīng)力測定檢查消除應(yīng)力的各種工藝的效果；可以通過應(yīng)力測定間接檢查一些表面處理的效果；可以預(yù)測零件疲勞強(qiáng)度的貯備等等。因此研究和測定材料中的宏觀殘余應(yīng)力在評價材料強(qiáng)度、控制加工工藝、檢驗產(chǎn)品質(zhì)量、分析破壞事故等方面是有力的手段殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力是材料及其制品內(nèi)部存在的一種內(nèi)應(yīng)力，是指產(chǎn)生應(yīng)力的各種因素不存在時，由于

2、不均勻的塑性變形和不均勻的相變的影響，在物體內(nèi)部依然存在并自身保持平衡的應(yīng)力。通常殘余應(yīng)力可分為宏觀應(yīng)力、微觀應(yīng)力和點(diǎn)陣靜畸變應(yīng)力三種，分別稱為第一類應(yīng)力、第二類應(yīng)力和第三類應(yīng)力。X射線應(yīng)力測定測定殘余應(yīng)力的方法有電阻應(yīng)變片法、機(jī)械引伸儀法、小孔松弛法、超聲波、光彈性復(fù)膜法和X射線法等。但是用X射線測定殘余應(yīng)力有以下優(yōu)點(diǎn)：1.X射線法測定表面殘余應(yīng)力為非破壞性試驗方法。2.塑性變形時晶面間距并不變化，也就不會使衍射線位移，因此，X射線法測定的是純彈性應(yīng)變。用其他方法測得的應(yīng)變，實際上是彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變之和，兩者無法分辨。3.X射線法可以測定12mm以內(nèi)的很小范圍內(nèi)的應(yīng)變，而其他方法測定的應(yīng)變

3、，通常為2030mm范圍內(nèi)的平均。4.X射線法測定的是試樣表層大約10m深度內(nèi)的二維應(yīng)力。采用剝層的辦法，可以測定應(yīng)力沿層深的分布。5.可以測量材料中的三類應(yīng)力。X射線法的不足之處X射線法也有許多不足之處：測試設(shè)備費(fèi)用昂貴；受穿透深度所限，只能無破壞地測表面應(yīng)力，若測深層應(yīng)力，也需破壞試樣；當(dāng)被測工件不能給出明銳的衍射線時，測量精確度不高。能給出明銳衍射峰的試樣，其測量誤差約為2107Pa(2kgf/mm2)；試樣晶粒尺寸太大或太小時，測量精度不高；大型零件不能測試；運(yùn)動狀態(tài)中的瞬時應(yīng)力測試也有困難。X射線殘余應(yīng)力測定原理 在諸多測定殘余應(yīng)力的方法中，除超聲波法外，其他方法的共同點(diǎn)都是測定應(yīng)力

4、作用下產(chǎn)生的應(yīng)變，再按虎克定律計算應(yīng)力。X射線殘余應(yīng)力測定方法也是一種間接方法，它是根據(jù)衍射線條的角變化或衍射條形狀或強(qiáng)度的變化來測定材料表層微小區(qū)域的應(yīng)力。單軸應(yīng)力測定原理 在理想的多晶體材料中，晶粒大小適中均勻，取向任意。當(dāng)無應(yīng)力作用時各個晶粒同一（HKL）晶面的間距不變，為d0。當(dāng)受到應(yīng)力作用時，各個晶面間距因其與應(yīng)力軸的夾角和應(yīng)力大小而變化。上述分析可見，在應(yīng)力y作用下與試樣表面垂直的晶面間距do擴(kuò)張為dn。若能測得該晶面間距的擴(kuò)張量d=dn-do，則應(yīng)變y=d/do，根據(jù)彈性力學(xué)原理，應(yīng)力為：y = Ey = Ed/do (1)單軸應(yīng)力測定原理似乎問題可以解決。但從試驗技術(shù)講，X射線

5、殘余應(yīng)力測定尚無法測得這個方位上的晶面間距變化。但由材料力學(xué)可知，從z方向和x方向的變化可以間接推算y方向的應(yīng)變。對于均勻物質(zhì)有 x=z=-y (2)為材料的泊松比。對于多晶體試樣，總有若干個晶粒中的(hkl)晶面與表面平行，晶面法線為N，在應(yīng)力y作用下，這一晶面間距的變化（縮?。┦强蓽y的，如晶面間距在應(yīng)力作用下變?yōu)閐n，則z方向反射面的晶面間距變化d=dn-do，則 z =（dn-do）/do (3)單軸應(yīng)力測定原理將（2）、（2）代入（1）可以算得y。 通過這種方法我們可以測定y方向的應(yīng)力。Z方向的晶面間距的變化可以通過測量衍射線條位移獲得。平面應(yīng)力測定原理一般情況下，材料的應(yīng)力狀態(tài)并非是

6、單軸應(yīng)力那么簡單，在其內(nèi)部單元體通常處于三軸應(yīng)力狀態(tài)。由于X射線只能照射深度10-30m左右的表層，所以X射線法測定的是表面二維的平面應(yīng)力。根據(jù)彈性力學(xué)，在一個受力的物體內(nèi)可以任選一個單元體，應(yīng)力在單元體的各個方向上可以分解為正應(yīng)力和切應(yīng)力。平面應(yīng)力測定原理適當(dāng)調(diào)整單元體的方向，總可以找到一個合適的方位，使單元體的各個平面上切應(yīng)力為零，僅存在三個相互垂直的主應(yīng)力1、2、3。對于平面應(yīng)力來說（見圖4-6），只存在兩個主應(yīng)力1、2與試樣表面平行，垂直于表面的主應(yīng)力3 = 0。但是垂直于表面的主應(yīng)變3不等于零。對各向同性的材料，有：平面應(yīng)力測定原理此時3可由平行于試樣表面的晶面間距d值的變化而測得，

7、即：上式可見，此時測得的是平面內(nèi)兩個主應(yīng)力的和（1+2），但我們需要的是平面上某個方向上的應(yīng)力如圖中與1夾角為的OB方向的應(yīng)力。測定這一方向應(yīng)力的思路是首先測定與試樣表面平行的晶面的應(yīng)變3，再將試樣或入射線旋轉(zhuǎn)角，測定與試樣表面成角晶面的應(yīng)變，通過3和，根據(jù)彈性力學(xué)原理可求出方向的應(yīng)力。下面來推導(dǎo)求算應(yīng)力的表達(dá)式。平面應(yīng)力測定原理當(dāng)切應(yīng)力為零，僅存在三個相互垂直的主應(yīng)力1、2、3時。空間任一方向（圖中的OA方向）的正應(yīng)力為：=a121 +a222+a323 平面應(yīng)力測定原理式中1、2、3為對應(yīng)方向的方向余弦。有： 4同理，任一方向的正應(yīng)變?yōu)椋?= a121+a222+a323 5而描述主應(yīng)力和

8、主應(yīng)變兩者關(guān)系的廣義胡克定律為： 6平面應(yīng)力測定原理將（4）代入（3）有： 7因3=0，由（6）式得： 8當(dāng)=90時，變?yōu)?，由?）式得： 9因 10在3=0的條件下，將（6）式代入（10）式得 11將（8）和（9）式代入（11）式得： 12平面應(yīng)力測定原理由式可見，不僅與3的大小有關(guān)，即與平面應(yīng)力(1+2)的大小有關(guān)，還與方向有關(guān)。晶粒取向不同，在的作用下，將是不同的。應(yīng)變可以用衍射晶面間距的相對變化表示，即 13式中0為無應(yīng)力時試樣（HKL）晶面衍射線的布拉格角，為有應(yīng)力時，且在試樣表面法線與與晶面法線之間為角時的布拉格角。（13）代入（12）得： 14在試樣的應(yīng)力狀態(tài)一定的情況下，3不隨

9、而變，故對sin2求導(dǎo)可得： 15 平面應(yīng)力測定原理上式中的2以弧度為單位。當(dāng)以度為單位時，上式則為 16如令 ， 則 = K1M 17式中K1為應(yīng)力常數(shù)；M為2對sin2的斜率，是計算應(yīng)力的核心因子，是表達(dá)彈性應(yīng)變的參量。應(yīng)力常數(shù)K1，隨被測材料、選用晶面和所用輻射而變化，表4-5中列入了部份材料的K1值。由此可見（17）是虎克定律在X射線應(yīng)力測量中的特殊表達(dá)式，也是殘余應(yīng)力測定的最基本的公式。X射線應(yīng)力測量實驗方法根據(jù)上述原理，用波長為的X射線，先后數(shù)次以不同的射角0照射試樣上，測出相應(yīng)的衍射角2對sin2的斜率，便可算出應(yīng)力。（二）用X射線應(yīng)力儀測定應(yīng)力用X射線應(yīng)力儀可以在現(xiàn)場對工件進(jìn)行

10、實地殘余應(yīng)力檢測。用計算機(jī)控制，可自動打印出峰位、積分寬、半高寬、斜率和應(yīng)力等。應(yīng)力儀法測定應(yīng)力可以有sin2法、-45法、固定法、側(cè)傾法等。 X射線應(yīng)力儀X射線應(yīng)力儀的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-9，其核心部份為測角儀。應(yīng)力儀的測角儀為立式，測角儀上裝有可繞試件轉(zhuǎn)動的X射線管和計數(shù)管（即輻射探測器）。通過0調(diào)節(jié)使X射線管轉(zhuǎn)動，以改變?nèi)肷渚€的方向。從X射線管1發(fā)出的X射線，經(jīng)入射光闌2照到位于試樣臺3的試件4上，衍射線則通過接收光闌5進(jìn)入計數(shù)管6。計數(shù)管在測角儀圓上的掃描速度可以選擇,掃描范圍為110170。舉例：X射線衍射法測定圓鋸片的適張殘余應(yīng)力X方向的應(yīng)力可以用前面推出的公式算出E為彈性模量 u為

11、泊松比 0為無應(yīng)力下材料的衍射角 2為衍射角為被測表面法線與衍射晶面法線間的夾角0為入射X射線與被測表面法線的夾角 實驗設(shè)備 實驗應(yīng)用X射線衍射應(yīng)力測定儀,進(jìn)行應(yīng)力測定.其測定條件如下:X射線管靶材為鉻(Cr),平行光束法,索拉光闌發(fā)散角為1,X射線發(fā)生器管電壓2030kV,管電流510mA.實驗結(jié)果未適張圓鋸片徑向和切向的表面殘余應(yīng)力失穩(wěn)圓鋸片徑向和切向的表面殘余應(yīng)力失穩(wěn)圓鋸片電解研磨20m后徑向和切向的殘余應(yīng)力適張圓鋸片切向殘余應(yīng)力的分布沿圓鋸片厚度方向上切向殘余應(yīng)力的分布結(jié)論1)入射的X射線除在徑向以外的其他方向,在其表層都呈角分離現(xiàn)象.在經(jīng)電解研磨去除2030m鋸片表層后,此現(xiàn)象消失.2)經(jīng)過熱處理和平面磨削處理,未適張?zhí)幚韴A鋸片和已經(jīng)失穩(wěn)的圓鋸片,在鋸片表層無論是在切向和徑向上殘余應(yīng)力都呈壓應(yīng)力.隨電解研磨深度的加強(qiáng),殘余應(yīng)力值有逐漸減小的趨勢.3)適張?zhí)幚砗蟮膱A鋸片,電解研磨去除表層2030m后,切線方向的殘余應(yīng)力在圓鋸片輥壓帶內(nèi)側(cè)表現(xiàn)為壓應(yīng)力,在輥壓帶外側(cè)為拉應(yīng)力.徑向的殘余應(yīng)力在輥壓帶內(nèi)外側(cè)均為壓應(yīng)力.Thank you!1、字體安裝與設(shè)置如果您對PPT模板中的字體風(fēng)格不滿意，可進(jìn)行批量替換，一次性更改各頁面字體。在“開始”選項卡中，點(diǎn)擊“替換”按鈕右側(cè)箭頭，選擇“替換字體”。（如下圖）在圖“替換”下拉列表中選擇要更改字體。（如下圖）在“替換為”下拉列表中