文档介绍：淬火钢的宏观内应力测定
实验报告
实验目的
1、了解金属材料内应力的分类和对材料性能的影响;
2、掌握X射线衍射法测量金属材料宏观应力的原理和实验方法。
实验内容
测定金属材料宏观内应力。
实验仪器设备与材料
D8 Advance型X射线衍射仪
实验原理
(一)、内应力的产生、分类及其影响
当产生应力的各种因素(如外力、温度变化、加工过程、相变等)不复存在时,在物体内部存在并保持平衡的应力称为内应力。按存在范围的大小,可将内应力分为以下3种:
①第一类内应力:在较大范围内存在并保持平衡着的应力。释放之,体积或形状发生变化。应变均匀分布,这样方位相同的各晶粒中同名HKL面的晶面间距变化就相同,从而导致衍射峰位向同一方向发生漂移。
衍射效应:衍射峰位同一方向漂移。
X射线仪测量的理论基础-漂移值。
②第二类内应力:在数个晶粒范围内存在并保持平衡着的应力。释放之,有时也会引宏观体积或形状发生变化。应变分布不均匀,不同晶粒中,同名HKL面的晶面间距有的增加,有的减少,导致衍射峰位向不同方向发生漂移。
衍射效应:衍射峰漫散宽化。
X射线测量的理论基础-宽化值。
③第三类内应力:在若干个原子范围存在并平衡着的应力。释放之,不会引起宏观体积和形状的改变。原子离开平衡位置,产生点阵畸变。
衍射效应:衍射强度下降。
宏观应力或残余应力对材料和部件的尺寸稳定性、抗应力腐蚀、疲劳强度、静强度、硬度、以及相变和电磁性能均会产生影响。一般认为压应力有益提高构件的疲劳强度;拉应力可促使裂纹开裂、对应力腐蚀和疲劳寿命产生不利影响。
对宏观应力或残余应力研究很有实际意义,对其测量受学术界和工业界的关注。测宏观应力或控残余应力以提高工件或材料的性能和使用寿命在工程上应用极为重要。如航空航天上用的镍高温合金涡轮发动机叶片和铝合金均经喷丸强化处理,提高疲劳寿命; 又如低碳不锈钢经二精炼工艺,提高了抗晶间应力腐蚀性能;另还有小到钟表游丝,大到球灌、船舰、大桥桥梁、铁轨等等均需经相应的去应力工艺处理,充分发挥材料或构件自身潜力。
因此,宏观应力的测定工作在确定工件的最佳工艺、预测工件使用寿命和分析工件失效形式等方面具有十分重要的意义。
(二)、宏观应力的测定原理
X射线穿透深度约10μm,材料表面应力通常处于平面应力状态,法线方向的应力( )为零,测定的是表面应力。
宏观应力引起较大范围内引起均匀变形,产生均匀应变,使不同晶粒中的衍射面HKL的面间距同增或同减。一定应力状态引起的晶格应变和宏观应变是一致的。应变通过X射线法测得的晶面间距变化求得。布拉格方程,d变化,θ变化,以此来度量宏观应变。根据弹性力学的广义虎克定律由宏观应变推知宏观应力(残余应力)。
应力—单位面积上作用力,正值表示拉应力,负表示压应力; 用正交坐标系单位体积元表示,有九个应力组份,可用3X3矩阵表示称为应力张量; 在力矩平衡条件下切应力组份必须相等。体积元完整应力描述只有六个独立变量(三个分正应力和三个切应力)。如右图
图1 六个独立变量示意图
由衍射角位移可测得应变,应力测量基于应变测量和己知材料的弹性常数。选高角衍射线测应变。在试样坐标系中,由倾角ψ和方位角φ表示多晶中有许多不同取向的晶粒中某晶粒晶靣的法线方向(衍射矢量方向),在此方向上测量晶格应变, 并用以度量宏观应变。
已知波长λ,测量宏观量衍射角2θ与微观量的晶面间距d相关。当材料中无应力σ存在时,同一(hkl)晶面产生的衍射峰衍射角2θ应该相等。
应力σ存在时, 位于不同倾角ψ处同一(hkl)产生的衍射峰2θ角变化、面间距变化、宏观应力变化如图2。
图2 不同倾角ψ处的宏观应力
在拉应力状态,晶面方位倾角ψ越大,晶面间距d越大,衍射角2θ就越小;在压应力状态,晶面方位倾角ψ越大,晶面间距d越小,衍射角2θ就越大;不同方位角为φ,倾角为ψ方向应变不同如图3 。
晶面间距d随着晶面方位角Ψ增大而递增或递减,表明材料表面存在拉应力或压应力,递增或递减的急缓程度就反映了应力值的大小变化如图4。
图3 倾角为ψ方向应变示意图
图4 衍射晶面方位角和应力方向平面
X 射线穿透深度小,仅薄表层被照射,处于平面应力状态σ3 =0,在ψ=90°时,根据应力应变基本关系式,由弹性力学可得:
(式1)
表层应力、应变状态
其中,为待测方向的方向余弦,大小分别为:
(式2)
将式2和应力应变关系式代式1,并化简得得:
(式3)
由于考虑的是平面应力,因此
(式4)
将式4代入式3,得(式5)
对两边偏导得:(式6)
因为式中和分别代表待测方向上的衍射面HKL在有和
没有宏观应力时的面间距。
由布拉格方程两边变分推得:则
(式7)
式