第6章宏观残余应力的测定

残余应力检测方法主要包括盲孔法、磁测法和X射线法
盲孔法残余应力检测
盲孔法残余应力检测法就是在工件的被测部位贴上应变花（计），通过在应变花（计）中心打一个Φ2mm左右的小盲孔引起残余应力的释放，同时，由残余应力测试仪将这种释放量测出并通过计算得出该部位的残余应力大小和方向。

盲孔法残余应力检测的步骤如下：1、在工件上选定残余应力测量点，一般是选择工件上残余应力值最大的点或工件在使用过程中承力最大的点；2、将被测点表面打磨到粗糙度Ra0.8左右；3、用炳酮或酒精将打磨面清洗干净；4、用快凝胶将应变花（计）粘贴在被测点；5、快凝胶凝固后，将应变计上的应变片的引线与残余应力检测仪的测量线通过接线端子连接起来；6、将残余应力检测仪修正调零；7、用专用装置在应变花（计）中心打一个Φ2mm、深约2.5mm的盲孔；8、打完孔15分钟后，用检测仪测量打孔后释放的应变量，同时自动计算出残余应力值的大小和应力方向。

磁测法残余应力检测
磁测法残余应力检测法主要是通过磁测法来测定铁磁材料在内应力的作用下磁导率发生的变化确定残余应力的大小和方向。

众所周知，铁磁材料具有磁畴结构，其磁化方向为易磁化轴向方向，同时具有磁致伸缩性效应，且磁致伸缩系数是各向异性的，在磁场作用下，应力产生磁各向异性。

磁导率作为张量与应力张量相似。

本仪器通过精密传感器和高精度的测量电路，将磁导率变化转变为电信号，输出电流（或电压）值来反映应力值的变化，并通过装有特定残余应力计算机软件的计算机计算，得出残余应力的大小、方向和应力的变化趋势。

宏观残余应力的概念
宏观残余应力是指在多个晶体尺度范围内存在的应力，相对于微观应力而言。

宏观残余应力通常是由于材料在加工过程中受到了不均匀的变形、温度变化、相变等因素的影响而形成的。

在这些过程中，材料的晶格结构和晶体取向发生了变化，导致了内部应力的产生。

宏观残余应力可以通过X射线衍射谱、超声波、弹性波等方法进行测量。

在X射线衍射谱中，宏观残余应力会引起峰位偏移，因为晶面间距与应力状态之间存在一定的关系。

当存在压应力时，晶面间距会变小，因此衍射峰会向高度度偏移；而当存在拉应力时，晶面间距会变大，衍射峰会向低高度度偏移。

宏观残余应力在材料的力学性能和疲劳寿命方面具有重要的影响。

它可以影响材料的硬度、强度、韧性、塑性等力学性能。

同时，宏观残余应力还可以引起材料的裂纹扩展、断裂、变形等疲劳行为。

因此，在材料设计和加工过程中，需要对宏观残余应力进行控制和管理，以保证材料的性能和寿命。

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”。

对于构件的节余应力检测（盲孔法检测）一、序言（1）应力观点往常讲，一个物体，在没有外力和外力矩作用、温度达到均衡、相变已经终止的条件下，其内部仍旧存在并自己保持均衡的应力叫做内应力。

依据德国学者马赫劳赫提出的分类方法，内应力分为三类：第Ⅰ类内应力是存在于资料的较大地区（好多晶粒）内，并在整个物体各个截面保持均衡的内应力。

当一个物体的第Ⅰ类内应力均衡和内力矩均衡被损坏时，物领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地区）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。

在工程上往常所说的节余应力就是第Ⅰ类内应力。

到当前为止，第Ⅰ类内应力的丈量技术最为完美，它们对资料性能和构件质量的影响也研究得最为透辟。

除了这样的分类方法之外，工程界也习惯于按产生节余应力的工艺过程来归类和命名，比如锻造应力、焊策应力、热办理应力、磨削应力、喷丸应力等等，并且一般指的都是第Ⅰ类内应力。

（2）应力作用机械零零件和大型机械构件中的节余应力对其疲惫强度、抗应力腐化能力、尺寸稳固性和使用寿命有着十分重要的影响。

适合的、散布合理的节余压应力可能成为提升疲惫强度、提升抗应力腐化能力，进而延伸零件和构件使用寿命的要素；而不适合的节余应力则会降低疲惫强度，产生应力腐化，失掉尺寸精度，甚至致使变形、开裂等初期无效事故。

（3）应力的产生在机械制造中，各样工艺过程常常都会产生节余应力。

可是，假如从本质上讲，产生节余应力的原由能够归纳为：1.不平均的塑性变形；2.不平均的温度变化；3.不平均的相变（4）应力的调整针对工件的详细服役条件，采纳必定的工艺举措，除去或降低对其使用性能不利的节余拉应力，有时还能够引入有利的节余压应力散布，这就是节余应力的调整问题。

往常调整节余应力的方法有：①自然时效把构件置于室外，经天气、温度的频频变化，在频频温度应力作用下，使节余应力废弛、尺寸精度获取稳固。

一般以为，经过一年自然时效的工件，节余应力仅降落 2%～10%，但工件的废弛刚度获取了较大地提升，因此工件的尺寸稳固性很好。

机电工程学院电子课堂本栏目内容仅供教学参考，未得到作者同意不得用于其它目的第一章 X射线衍射分析§1-6宏观残余应力的测定残余应力的概念：残余应力是指当产生应力的各种因素不复存在时，由于形变，相变，温度或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。

按照应力平衡的范围分为三类：第一类内应力，在物体宏观体积范围内存在并平衡的应力，此类应力的释放将使物体的宏观尺寸发生变化。

这种应力又称为宏观应力。

材料加工变形（拔丝，轧制），热加工（铸造，焊接，热处理）等均会产生宏观内应力。

第二类内应力，在一些晶粒的范围内存在并平衡的应力。

第三类内应力，在若干原子范围内存在并平衡的应力。

通常把第二和第三两类内应力合称为“微观应力”。

下图是三类内应力的示意图，分别用sl,sll,slll表示。

构件中的宏观残余应力与其疲劳强度，抗应力腐蚀能力以及尺寸稳定性等有关，并直接影响其使用寿命。

如焊接构件中的残余应力会使其变形，因而应当予以消除。

而承受往复载荷的曲轴等零件在表面存在适当压应力又会提高其疲劳强度。

因此测定残余内应力对控制加工工艺，检查表面强化或消除应力工序的工艺效果有重要的实际意义。

测定宏观应力的方法很多，有电阻应变片法，小孔松弛法，超声波法，和X射线衍射法等等。

除了超声波法以外，其它方法的共同特点都是测定应力作用下产生的应变，再按弹性定律计算应力。

X射线衍射法具有无损，快速，可以测量小区域应力等特点，不足之处在于仅能测量二维应力，测量精度不十分高，在测定构件动态过程中的应力有一些困难。

1-4-1 X射线宏观应力测定的基本原理测量思路：金属材料一般都是多晶体，在单位体积中含有数量极大的，取向任意的晶粒，因此，从空间任意方向都能观察到任一选定的{hkl}晶面。

在无应力存在时，各晶（如下图所示）。

粒的同一{hkl}晶面族的面间距都为d当存在有平行于表面的张引力（如σφ）作用于该多晶体时，各个晶粒的晶面间距将发生程度不同的变化，与表面平行的{hkl)（ψ=0o）晶面间距会因泊松比而缩小，而与应力方向垂直的同一{hkl)（ψ=90o）晶面间距将被拉长。

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。