材料分析方法课件-7 X射线宏观应力测定

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”。

§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。

第七章宏观应力的测定金属材料中残余应力的大小和分布对机械构件的静态强度、疲劳强度和构件的尺寸稳定性等都有直接影响，测定残余应力对检查焊接、热处理及表面强化处理（喷砂、喷丸、渗氮、渗碳等）的工艺效果，控制切削、磨削等表面加工质量有很大的实际意义。

测定应力的方法很多，其中X射线衍射法具有许多独特的优点，已被广泛应用。

其特点为：① X射线应力测定是一种无损探测方法，它不需破坏构件（或材料）② X射线衍射法测定的应变全部是弹性应变③ 测定的范围可小至2~3mm，因此可测量很小范围的应变④ X射线测得的应力只代表表面应力。

第一节应力的基本概念宏观应力：构件中在相当大的范围内均匀分布的内应力。

构件由于变形，其内部各部分材料之间因相对位置发生改变，引起相邻部分间产生附加相互作用力，称为内力。

单位面积上的内力称为应力，表示某截面微面积DA0处内力的密集程度。

构件在外力作用下具有宏观应力。

宏观（残余）应力：产生应力的作用消除后，仍残留在构件内的、在相当大的范围内分布的内应力。

通常情况下，我们测量的是构件内的宏观残余应力。

构件在制造加工过程中会受到来自各种工艺等因素的作用与影响产生宏观应力，当这些影响因素消失之后，若构件所受到的上述作用与影响不能随之完全消失，而仍有部分作用与影响残留在构件内，这种残留的作用与影响称为残余应力。

第二节应力的分类与分布德国学者E.马赫劳赫(E.Macherauch)1973年的分类第Ⅰ类内应力（sⅠr）：在材料内较大的区域（多个晶粒范围）内几乎是均匀的，与第Ⅰ类内应力相关的内力在横贯整个物体的每个截面上处于平衡。

当存在sⅠr的物体的内力平衡和内力矩平衡遭到破坏时总会产生宏观的尺寸变化。

第Ⅱ类内应力（sⅡr）：在材料内较小的范围(一个晶粒或晶粒内的区域)内近乎均匀。

与sⅡr相联系的内力或内力矩在足够多的晶粒中是平衡的。

当这种平衡遭到破坏时也会出现尺寸变化。

第Ⅲ类内应力（sⅢr）：在材料内极小的区域（几个原子间距）内是不均匀的。

X 射线应力测定技术预备知识一、X 射线的本质与产生1、X 射线的本质1895 年德国物理学家伦琴发现了 X 射线。

1912年德国物理学家劳埃等人成功地观察到 X 射线在晶体中的衍射现象，从而证实了 X 射线在本质上是一种电磁波。

依据电磁波的波长，从 3×10－4m 以上到10－13m 以下，可以把它们分别称为无线电波、红外线、可见光、紫外线、X 射线、γ射线和宇宙射线 等（如图 1 所示）。

X 射线的波长范围在 10－12m ～ 10 － 8m 之间。

用于衍射分析的 X 射线波长通常在0.05nm ～0.25nm 范围，用于金属材料透视的 X 射线 波长为 0.1nm ～0.005 nm ，甚至更短。

实验证明，波长越长的电磁波，其波动性越明 显，波长越短的电磁波，其粒子性越明显。

X 射线 和可见光、紫外线同其它基本粒子一样都同时具有 波动性和粒子性二重特性。

正因为它们的具有波动 性，光的干涉衍射现象才得以圆满解释；也正因为 它们的粒子性，探测器才可以接收到一个个不连续的 图1、电磁波谱光量子。

反映波动性的波长λ、频率υ与反映粒子性 各个区域的上下限难以明确指定，本图中各种电磁波的边界是臆定的的光子能量ε之间存在以下关系： ε＝h υ＝hc/λ 式中 h 为普朗克常数，h ＝6.626×10－34J ·s ；c 为光速，也是 X 射线的传播速度，c ＝2.2998 ×108m/s 。

2、X 射线的产生 研究证明，当高速运动的电子束（即阴极射线）与物体碰撞时，他们的运动便急遽的 被阻止，从而失去所具有的动能，其中一小部分能量变成 X 射线的能量，发生 X 射线，而 大部分能量转变成热能，使物体温度升高。

从原则上讲，所有基本粒子（电子、中子、质子 等）其能量状态发生变化时，均伴随有 X 射线辐射。

通常使用的 X 射线都是从特制的 X 射 线管中产生的。

图 2 是 X 射线管的结构和产生 X 射线示意图。