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目的:X射線衍射宏觀內(nèi)應力檢測?第六章宏觀內(nèi)應力的測定【教學內(nèi)容】1.X射線宏觀應力測定的基本原理。2.宏觀應力的測定方法。【重點掌握內(nèi)容】1.單軸應力測定的原理。2.平面應力測定的原理。3.應力的測定方法。一、引言1、基本概念(1)什么叫殘余應力?材料的內(nèi)應力指當產(chǎn)生應力的各種因素(如外力,溫度等)不復存在時,由于不均勻的塑性變形或相變而使材料內(nèi)部依然存在的并自身保持平衡的應力。(2)殘余應力的分類
第一類應力——宏觀應力在物體較大范圍內(nèi)或許多晶粒范圍內(nèi)存在并保持平衡的應力。所強調(diào)的范圍是區(qū)域性的。如:固態(tài)相變、熱應力、相變應力等。
第二類應力——微觀應力在一個或少數(shù)晶粒范圍內(nèi)存在并保持平衡的內(nèi)應力。強調(diào)的范圍是晶粒內(nèi)部,晶胞之間。如:塑性變形時晶格畸變。
第三類應力——超微觀應力在若干原子范圍存在并保持平衡的內(nèi)應力。例如滑移面附近原子的扭曲。2、研究意義
工件受力作用殘余應力性能在生產(chǎn)應用上:通過應力測定,可以檢查應力消除工藝的效果,檢查表面強化處理工藝的效果,預測零部件疲勞強度的儲備。
X射線應力測定在評價材料強度、控制加工工藝,檢查產(chǎn)品質(zhì)量等方面都具有重要的作用。2、研究意義
其他應力測定方法:電阻應變法、超聲波法、機械引伸儀法、磁測法。
共同點:
都是通過應變的測量達到應力測定的目的。
優(yōu)點:該法屬非破壞性檢驗,可測定表層(極淺層)和局部小區(qū)域的應力等。
不足:其測定準確度尚不十分高。二、宏觀應力測定的原理1、思路:有應力存在應變晶面間距d變化θ變化峰位變化2、衍射峰在應力下的變化情況:第一類應力:第二類應力:第三類應力:衍射峰寬化衍射峰的位移衍射強度減弱二、宏觀應力測定的原理3、測定原理:(1)求應變
測定應力時,感興趣的是沿晶面法線方向的應變,即晶面間距的變化。晶面Nψψψ——晶體受力后,晶面法線轉(zhuǎn)過的方向由布拉格方程微分得:θ0為無應力狀態(tài)下的布拉格角,θψ為各ψ角下的布拉格角。3、測定原理:(2)求應力1)單軸應力狀態(tài)假如,右圖試樣截面積為A,在軸向施加拉力F,其長度將由受力前的L0變?yōu)長f,所產(chǎn)生的應變εZ為:根據(jù)虎克定律,其彈性應力σz為:拉伸過程中,試樣直徑由拉伸前的D0變?yōu)槔旌蟮腄f,徑向應變εX和εY為:此時,微觀上:試樣各晶粒中與軸向平行晶面的面間距d也相應變小,如右圖示。因此,可用晶面間距的相對變化表示徑向應變:從材料力學可知:對各向同性材料,εX、εY和εZ之間滿足:于是有:只要測出z方向上晶面間距的變化Δd,就可算出y方向上應力的大小。而晶面間距的變化是通過測量衍射線的位移Δθ得到的。于是有:
上式為測定單軸應力的基本公式。上述分析表明:1)當試樣中存在宏觀應力時,會使衍射線產(chǎn)生位移,可通過測量衍射線位移測定宏觀內(nèi)應力。2)X-射線測量宏觀內(nèi)應力主要是測量應變,宏觀內(nèi)應力通過虎克定律計算獲得。θθ3、測定原理:(2)求應力2)平面應力狀態(tài)在物體的自由表面上,若任意切割出一單元體。則該單元體受兩個垂直方向σ1和σ2的應力作用。雖然垂直于物體表面的方向上應力值σ3為零,應變ε3并不等于零。而是與平面方向的主應力有關(guān)。根據(jù)彈性力學理論,主應力和主應變之間的關(guān)系通過廣義虎克定律描述:在主應力坐標系中,任一方向的正應力(或正應變)與主應力(或主應變)之間的關(guān)系為:其中,α1、α2、α3為σψ在主應力(或主應變)空間的方向余弦。平面應力狀態(tài)2)平面應力狀態(tài)目的:結(jié)合實際應用,測定沿試樣表面某一方向的宏觀內(nèi)應力σφ基本思路:利用彈性力學理論求出σφ將σφ與晶面間距或衍射角的相對變化相聯(lián)系得出宏觀應力測定的基本公式根據(jù)布拉格方程,引入面間距相對變化表征的應變εψ:θ0為無應力狀態(tài)下的布拉格角,θψ為各ψ角下的布拉格角。代入上式,可得:直線的斜率d應力常數(shù)實際應用中,只要測定上式的M值,即可求得構(gòu)件表面的宏觀殘余應力。3實際測量方法(1)衍射儀法1)法例子:P1001)法注意:1)要安裝一個能獨立轉(zhuǎn)動的樣品架2)要使計數(shù)管能夠沿著測角儀圓的半徑方向移動。以達到聚焦目的。在實際中,這不易做到?,F(xiàn)在一般采用側(cè)傾法,計數(shù)管不動,讓試樣表面繞測角儀水平軸(而不是垂直軸)傾斜不同的ψ角,來實現(xiàn)應力測定。這要求有一個能繞測角儀水平軸轉(zhuǎn)動的特制試樣架。4X-射線宏觀應力測定中的一些問題1)衍射峰位的確定宏觀內(nèi)應力測定的衍射參數(shù)是衍射峰的位移。存在內(nèi)應力樣品的衍射峰一般比較漫散,不易測準其峰位。因此,精確測定峰位十分重要。2)彈性常數(shù)的引用理論上講,每個晶粒是各向異性的,采用各向同性的彈性常數(shù)E和υ會引入誤差。3)表
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