第六章 宏观残余应力测定

第六章宏观残余应力的测定一、物体内应力的产生与分类残余应力是一种内应力，内应力是指产生应力的各种因素不复存在时（如外加载荷去除、加工完成、温度已均匀、相变过程中止等），由于形变、体积变化不均匀而存留在构件内部并自身保持平衡的应力。

目前公认的内应力分类方法是1979年由德国的马克劳赫﹒E提出的，他将内应力按其平衡范围分为三类：）：在物体宏观体积内存在并平衡的内应力，此类应力的释放，第一类内应力（σⅠ会使物体的宏观体积或形状发生变化。

第一类内应力又称“宏观应力”或“残余应力”。

宏观应力的衍射效应是使衍射线位移。

图1（书上6-2）是宏观残余应力产生的实例。

一框架与置于其中的梁在焊接前无应力，当将梁的两端焊接在框架上后，梁受热升温，而框架基本上处于室温，梁冷却时，其收缩受框架的限制而受拉伸应力，框架两侧则受中心梁收缩的作用而被压缩，上下横梁则在弯曲应力的作用之下。

图1 宏观残余应力的产生（a）焊接前、b）焊接后））：在数个晶粒的范围内存在并平衡的内应力，其衍射效应主要第二类内应力（σⅡ是引起线形的变化。

在某些情况下，如在经受变形的双相合金中，各相处于不同的应力状态时，这种在晶粒间平衡的应力同时引起衍射线位移。

图2（书上6-3）表明第二类应力的产生，拉伸载荷作用在多晶体材料上，晶粒A、B上的平行线表示它们的滑移面，显然A晶粒处于易滑移方位，当载荷应力超过临界切应力将发生塑性变形，而晶粒B仅发生弹性变形，载荷去除后，晶粒B的变形要恢复，但晶粒A只发生部分恢复，它阻碍B的弹性收缩使其处于被拉伸的状态，A本身则被压缩，这种在晶粒间相互平衡的应力在X射线检测的体积内总是拉压成对的出现，且大小因晶粒间方位差不同而异，故引起衍射线的宽化。

图2 第二类应力的产生）：在若干原子范围内存在并平衡的应力，如各种晶体缺陷（空第三类内应力（σⅢ位、间隙原子、位错等）周围的应力场。

此类应力的存在使衍射强度降低。

通常把第二类和第三类应力称为“微观应力”。

残余应力检测方法残余应力是指在物体内部或表面上存在的一种内部应力状态。

残余应力的存在对材料的性能和使用寿命都有很大的影响，因此对残余应力的检测和分析显得尤为重要。

下面将介绍几种常用的残余应力检测方法。

首先，X射线衍射方法是一种常用的残余应力检测方法。

通过对材料表面或内部进行X射线照射，然后观察X射线的衍射图样，可以得到材料的晶格参数，从而计算出残余应力的大小和方向。

这种方法具有非破坏性、快速、准确的特点，因此在工程实践中得到了广泛的应用。

其次，光弹法也是一种常见的残余应力检测方法。

通过在材料表面或内部施加一定的载荷，观察材料的形变情况，再结合材料的弹性参数，可以计算出残余应力的大小和分布情况。

这种方法适用于各种材料，尤其对于复杂形状和大尺寸的工件也有很好的适用性。

此外，声发射方法也可以用于残余应力的检测。

当材料内部存在应力时，会引起微裂纹的扩展和移动，产生声波信号。

通过对这些声波信号的监测和分析，可以得到材料内部残余应力的信息。

这种方法对于复杂结构和高温环境下的残余应力检测具有独特的优势。

最后，磁性方法也是一种常用的残余应力检测方法。

当材料内部存在应力时，会对材料的磁性产生影响，通过对磁性信号的监测和分析，可以得到材料内部残余应力的信息。

这种方法适用性广泛，可以用于各种金属材料的残余应力检测。

总的来说，残余应力的检测对材料的质量控制和工程结构的安全性具有重要意义。

以上介绍的几种方法都具有各自的特点和适用范围，可以根据具体的情况选择合适的方法进行残余应力的检测和分析。

希望以上内容对残余应力检测方法有所帮助。

残余应力测试与计算残余应力是指在物体内部存在的一种剩余应力，它是在外部应力去除后，物体内部仍然保留的应力状态。

残余应力的产生是由于物体在受力作用下发生了塑性变形，而在外力解除后，由于内部应力的分布不均匀，导致部分应力得不到释放而形成的。

残余应力的测试与计算是研究材料力学性能的重要手段之一。

通过对材料的残余应力进行测试，可以了解材料的内部应力分布情况，进而对材料的使用性能和寿命进行预测和评估。

残余应力测试与计算可以应用于各种材料的研究领域，如金属材料、陶瓷材料、复合材料等。

残余应力的测试方法有多种，常用的有X射线衍射法、中子衍射法、光学法等。

其中，X射线衍射法是最常用的残余应力测试方法之一。

通过测量材料表面或内部的X射线衍射图样，可以计算出材料的残余应力分布情况。

残余应力的计算是通过数学模型和计算方法来估算材料的残余应力分布。

常用的计算方法有有限元方法、解析法等。

有限元方法是一种基于数值计算的方法，通过将材料划分为有限个小区域，建立数学模型，利用计算机进行模拟计算，从而得到材料的残余应力分布情况。

解析法是一种基于解析数学方法的计算方法，通过对材料的力学性质进行分析和推导，得到材料的残余应力分布情况。

残余应力的测试与计算在材料科学和工程领域具有重要的应用价值。

首先，残余应力的测试与计算可以为材料的设计和制造提供重要的参考依据。

通过了解材料的残余应力分布情况，可以对材料的使用性能和寿命进行预测和评估，从而指导材料的设计和制造。

其次，残余应力的测试与计算可以用于材料的质量控制和缺陷检测。

残余应力是材料内部存在的一种应力状态，它与材料的质量和缺陷密切相关。

通过对材料的残余应力进行测试和计算，可以发现材料中的缺陷和问题，并及时采取相应的措施进行修复和改进。

最后，残余应力的测试与计算可以为材料的应用和改进提供理论指导和技术支持。

通过深入研究材料的残余应力分布情况，可以揭示材料的内部机制和性能特点，为材料的应用和改进提供理论指导和技术支持。

残余应力检测方法残余应力，又称剩余应力是指物体经过加工或者是热处理后，承受外力使其发生变形后，因内力不平衡，产生的残留在物体内部的一种应力。

它会影响物体的强度与精度，影响其使用寿命，甚至会引起结构破坏，因此，控制好残余应力，对提高零件质量至关重要。

残余应力检测是检测零件内部残余应力的重要手段，其目的是对零件的残余应力大小、分布及分布形式进行量化分析，以便能更加科学地控制零件性能。

首先，残余应力检测方法可分为有损检测方法和无损检测方法。

有损检测方法是指在检测过程中，将检测部份完全切割开来，用显微镜观察并用物理量计量等方法测定残余应力分布，又称“破坏测试法”，是一种古老而又常用的检测方法，但个别测量结果不能复用，并且检测结果受检测位置的影响较大，容易出现偏差；而无损检测方法是指在检测过程中，不会损坏检测部份，通常采用物理原理或化学原理测定残余应力值，由于检测过程不会损坏检测对象，所以可多次检测，且检测结果比较准确，也不受检测位置的影响。

其次，残余应力检测方法可以分为静恒检测方法和动态检测方法。

静恒检测方法指在检测过程中，检测对象经过加工后长期保持特定的温度，在温度不变的情况下，测定残余应力值，常用的有X射线测试、X射线衍射测试、热变形测试；而动态检测方法指在检测过程中，以时间为态变量，不断测定残余应力随着时间演变的规律，常用的有光栅方式、磁滞后追踪测试方法。

最后，残余应力检测方法也可以根据检测原理分为物理检测方法和化学检测方法。

物理检测方法是指利用某种物理原理进行残应力测试，如热变形检测、压电检测、X射线衍射检测等；而化学检测方法是指利用某种化学反应原理进行残应力测试，如分子压检测等。

残余应力检测方法是零件质量控制的重要方式之一，不仅对控制零件的质量有重要的意义，而且可以提供可靠的参数供智能加工系统控制零件制造过程中的参数。

在残余应力检测中，采用多种检测方法，可以检测出残余应力的种类、大小及分布特征，检测出的残余应力参数可以提供给后续制造过程，用于对针对性的处理方案设计。

实验 宏观残余应力的测定一、 实验目的1．了解X 射线应力测定仪的基本结构特点和主要技术特性；2．掌握0-45°法及sin 2ψ法测定宏观残余应力的方法。

二、 实验原理晶体材料内的宏观残余应力将引起晶面间距有规律的变化，在X 射线衍射实验中，晶面间距的变化就反映为衍射角的改变。

X 射线应力测定就是通过测量衍射角2θ相对于晶面方位的变化率计算材料表面的残余应力。

用X 射线方法测量宏观应力，一般是在平面应力状态的假设下进行的。

即垂直表面的正应力σ33及切应力σ13 ，σ23均为零，这时与主应力成任意φ方向上的应力σφ为：ψ变动平面与试样表面的交线即为所测应力方向。

若所测2θ~ sin 2Ψ关系非线形，说明垂直于表面应力σ33，σ13 或σ23 ≠0。

若试样中存在织构，也将出现非线性。

为获得一系列已知的ψ方向，可选取不同的入射方式，即固定ψ0 法、固定ψ法及侧倾法。

三、X 射线应力测定仪的特点X 射线应力测定仪实际上是一台衍射仪，做为测量宏观应力的专用设备，有如下特点：1． 测角器应力仪的测角器在通常状态下是垂直的，即衍射仪平面垂直于水平面。

它用立柱和横梁支撑，伸出在主机体外，可在一定的范围内升降和转动，还可得到一定的仰角或俯角，以适应测量实际工件的需要。

测角器上装有计数管座，X 射线管座、扫描变速机构、标距杆座及光阑（其构造参见教科书中附图）。

应力仪测角器的衍射几何特点与一般衍射仪有所不同，它是采用平行光束法而非聚焦法。

平行光束法允许试样表面位置有较大的误差而不造成衍射角明显的偏离，这对试样不是装在测角器的标准位置上的情况是很必要的。

为得到适当的平行光束，采用管片垂直于测角仪园的soller 狭缝。

标距杆用于给被测试样定位，保证入射线、计数管轴线相交于试样表面的测点上（见图E5-1）。

在用标距杆定位时，通常使光管处于ψ0 = 30° 处，这时标距杆垂直试样表面，待调节好测量角器高度、倾斜度及试样位置后，再转回0° 位置开始测量。

关于构件的残余应力检测（盲孔法检测）一、前言（1）应力概念通常讲，一个物体，在没有外力和外力矩作用、温度达到平衡、相变已经终止的条件下，其内部仍然存在并自身保持平衡的应力叫做内应力。

按照德国学者马赫劳赫提出的分类方法，内应力分为三类：第Ⅰ类内应力是存在于材料的较大区域（很多晶粒）内，并在整个物体各个截面保持平衡的内应力。

当一个物体的第Ⅰ类内应力平衡和内力矩平衡被破坏时，物体会产生宏观的尺寸变化。

第Ⅱ类内应力是存在于较小范围（一个晶粒或晶粒内部的区域）的内应力。

第Ⅲ类内应力是存在于极小范围（几个原子间距）的内应力。

在工程上通常所说的残余应力就是第Ⅰ类内应力。

到目前为止，第Ⅰ类内应力的测量技术最为完善，它们对材料性能和构件质量的影响也研究得最为透彻。

除了这样的分类方法以外，工程界也习惯于按产生残余应力的工艺过程来归类和命名，例如铸造应力、焊接应力、热处理应力、磨削应力、喷丸应力等等，而且一般指的都是第Ⅰ类内应力。

（2）应力作用机械零部件和大型机械构件中的残余应力对其疲劳强度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性和使用寿命有着十分重要的影响。

适当的、分布合理的残余压应力可能成为提高疲劳强度、提高抗应力腐蚀能力，从而延长零件和构件使用寿命的因素；而不适当的残余应力则会降低疲劳强度，产生应力腐蚀，失去尺寸精度，甚至导致变形、开裂等早期失效事故。

（3）应力的产生在机械制造中，各种工艺过程往往都会产生残余应力。

但是，如果从本质上讲，产生残余应力的原因可以归结为：1.不均匀的塑性变形；2.不均匀的温度变化；3.不均匀的相变（4）应力的调整针对工件的具体服役条件，采取一定的工艺措施，消除或降低对其使用性能不利的残余拉应力，有时还可以引入有益的残余压应力分布，这就是残余应力的调整问题。

通常调整残余应力的方法有：①自然时效把构件置于室外，经气候、温度的反复变化，在反复温度应力作用下，使残余应力松弛、尺寸精度获得稳定。

一般认为，经过一年自然时效的工件，残余应力仅下降2%～10%，但工件的松弛刚度得到了较大地提高，因而工件的尺寸稳定性很好。

残余应力的测试方法
残余应力的测试方法有多种，以下是其中一些常用的方法：
1. X射线衍射法：该方法通过测量材料中的晶格畸变来确定残余应力的大小。

X 射线经过材料时，会发生衍射现象，通过测量衍射角度的变化，可以得到材料的残余应力。

2. 中子衍射法：与X射线衍射法类似，中子衍射法也是通过测量材料中的晶格畸变来确定残余应力的大小。

中子的波长与晶格间距相近，因此能够更加准确地测量晶格畸变。

3. 应变计法：该方法通过在材料表面粘贴应变计，测量材料的应变变化来确定残余应力的大小。

应变计可以是金属薄片或电阻应变计等，当材料受到应力时，应变计会发生形变，通过测量形变的大小，可以计算出材料的残余应力。

4. 隔离层剥离法：该方法通过在材料表面涂覆一层隔离层，剥离隔离层后测量剩余材料的形状变化来确定残余应力的大小。

由于隔离层起到了保护材料表面的作用，剥离后的材料形状发生变化可以反映出残余应力的大小。

5. 孔隙法：该方法通过在材料中制作孔隙，并测量孔隙的尺寸变化来确定残余应力的大小。

材料中的孔隙会受到应力的影响而发生变化，通过测量孔隙的变化，可以计算出材料的残余应力。

这些测试方法各有优缺点，选择合适的方法应根据具体的材料和测试要求来确定。

残余应力检测方法残余应力是指在物体内部或表面存在的应力状态，它是在物体制造、变形或加工过程中产生的，但在外力作用消失后仍然存在的应力。

残余应力的存在对材料的力学性能、耐久性能和稳定性能都有着重要的影响，因此残余应力的检测方法显得尤为重要。

一、X射线法。

X射线法是一种常用的残余应力检测方法，它利用X射线对材料进行透射或衍射，通过分析X射线的衍射角度和强度来确定材料中的残余应力状态。

这种方法具有非破坏性、高精度和广泛适用性的特点，可以对各种材料的残余应力进行准确的检测和分析。

二、光弹法。

光弹法是一种利用光学原理来测定材料内部应力状态的方法，它通过在材料表面或内部施加一定的载荷，观察材料的变形情况，从而推断出材料的残余应力状态。

光弹法具有高灵敏度、高分辨率和实时性好的特点，适用于各种材料的残余应力检测。

三、超声波法。

超声波法是一种利用超声波在材料中传播的速度和衰减情况来测定材料内部应力状态的方法，它通过对超声波的传播特性进行分析，可以准确地测定材料中的残余应力状态。

超声波法具有高灵敏度、高分辨率和实时性好的特点，适用于各种材料的残余应力检测。

四、磁致伸缩法。

磁致伸缩法是一种利用材料在磁场中的应力-应变特性来测定材料内部应力状态的方法，它通过对材料在磁场中的磁致伸缩效应进行测量和分析，可以准确地测定材料中的残余应力状态。

磁致伸缩法具有高灵敏度、高分辨率和实时性好的特点，适用于各种材料的残余应力检测。

五、电子衍射法。

电子衍射法是一种利用电子束在材料中的散射情况来测定材料内部应力状态的方法，它通过对电子的散射角度和强度进行分析，可以准确地测定材料中的残余应力状态。

电子衍射法具有高精度、高分辨率和实时性好的特点，适用于各种材料的残余应力检测。

综上所述，残余应力检测是材料科学领域中的重要课题，不同的残余应力检测方法各有特点，可以根据具体的应用需求选择合适的方法进行检测和分析。

随着科学技术的不断发展，残余应力检测方法也在不断完善和创新，相信在未来会有更多更高效的残余应力检测方法出现，为材料科学研究和工程应用提供更多的支持和帮助。