材料現(xiàn)代研究方法章宏觀應(yīng)力測(cè)定PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1 材料現(xiàn)代研究方法章宏觀應(yīng)力測(cè)定材料現(xiàn)代研究方法章宏觀應(yīng)力測(cè)定PPT 課件課件 本章限于介紹宏觀應(yīng)力的測(cè)定本章限于介紹宏觀應(yīng)力的測(cè)定 應(yīng)力測(cè)定的用途：應(yīng)力測(cè)定的用途： 1、檢查表面強(qiáng)化處理工藝、檢查表面強(qiáng)化處理工藝 2、預(yù)測(cè)零件疲勞強(qiáng)度的儲(chǔ)備、預(yù)測(cè)零件疲勞強(qiáng)度的儲(chǔ)備 3、控制切削加工、控制切削加工 4、檢查消除應(yīng)力的工藝效果、檢查消除應(yīng)力的工藝效果 X法測(cè)定內(nèi)應(yīng)力的特點(diǎn)：法測(cè)定內(nèi)應(yīng)力的特點(diǎn)： 1、是無損、是無損(非破壞性非破壞性)的檢驗(yàn)方法的檢驗(yàn)方法 2、可測(cè)定表面層、可測(cè)定表面層(1035 m)的應(yīng)力的應(yīng)力 3、可測(cè)局部小區(qū)域的應(yīng)力、可測(cè)局部小區(qū)域的應(yīng)力 4、可將一、二、三類內(nèi)應(yīng)力分

2、別測(cè)得、可將一、二、三類內(nèi)應(yīng)力分別測(cè)得 5、可測(cè)多相物質(zhì)中各相的應(yīng)力、可測(cè)多相物質(zhì)中各相的應(yīng)力 第1頁(yè)/共21頁(yè) 第二節(jié)第二節(jié) 宏觀應(yīng)力測(cè)定的原理宏觀應(yīng)力測(cè)定的原理 在應(yīng)力作用下某晶面的面間距變化導(dǎo)致衍射線的位在應(yīng)力作用下某晶面的面間距變化導(dǎo)致衍射線的位 移，從而可計(jì)算出應(yīng)力的大小。移，從而可計(jì)算出應(yīng)力的大小。 一般一般X射線測(cè)量應(yīng)力都是表層應(yīng)力，所以基本是平射線測(cè)量應(yīng)力都是表層應(yīng)力，所以基本是平 面應(yīng)力狀態(tài)。面應(yīng)力狀態(tài)。 一、假設(shè)一、假設(shè) 1、應(yīng)力沿深度方向的分布是均勻的。、應(yīng)力沿深度方向的分布是均勻的。 2、表面法線方向正應(yīng)力為零。、表面法線方向正應(yīng)力為零。 3、在與表面平行的平面上切應(yīng)力

3、為零。、在與表面平行的平面上切應(yīng)力為零。 所以為平面狀態(tài)。所以為平面狀態(tài)。 第2頁(yè)/共21頁(yè) 二、在平面應(yīng)力狀態(tài)下任意方向的彈性應(yīng)變二、在平面應(yīng)力狀態(tài)下任意方向的彈性應(yīng)變 1、 2、 3 三個(gè)主應(yīng)力三個(gè)主應(yīng)力 1、 2、 3 三個(gè)主應(yīng)變?nèi)齻€(gè)主應(yīng)變 在平面應(yīng)力狀態(tài)下：在平面應(yīng)力狀態(tài)下： 3= 0 為所求為所求 = 12 1 + 22 2 + 32 3 1 2 3為為 與 與 1 2 3 的夾角余弦。的夾角余弦。 cossin cossin 1 OP OP OP OA 第3頁(yè)/共21頁(yè) sinsin sinsin 2 OP OP OP OB 2 3 sin1 cos cos OP OP OP OE

4、 由廣義虎克定律：由廣義虎克定律： )( 1 )( 1 213211 EE )( 1 )( 1 123122 EE )()( 1 212133 EE 第4頁(yè)/共21頁(yè) )( 1 sinsin)( 1 cossin 12 22 21 22 EE )()sin1( 21 2 E )(sin)sincos( 1 21 22 2 2 1 EE 3 2 32 2 21 2 1 0 3 2 2 1 2 2 02 1 2 2 2 21 2 1 sincos )90(coscos )(sin 1 21 2 EE 第5頁(yè)/共21頁(yè) 三、應(yīng)力計(jì)算公式三、應(yīng)力計(jì)算公式 d0：無應(yīng)變時(shí)的面間距：無應(yīng)變時(shí)的面間距 d

5、：有應(yīng)變時(shí)的面間距 ：有應(yīng)變時(shí)的面間距 0 0 d dd )(sin 1 21 2 0 0 EEd dd 00210 2 )(sin 1 dd E d E d 第6頁(yè)/共21頁(yè) 兩邊對(duì)兩邊對(duì)sin2 求導(dǎo)：求導(dǎo)： 所以：所以： 0 2 1 sin d E d 2 0 sin 1 1 d d E 0 0 sin2 d sin2 d 2 2 0 2 0 sin sin cos sin 1sin sin2 sin2 1 EE 由于由于d0與與d 相差很小 相差很小 所以所以 0 所以 所以 ： 2 0 2 00 sin 2 sin cossin )1(2 E 第7頁(yè)/共21頁(yè) 22 0 sin 2

6、sin 2 180)1(2 Kctg E K：常數(shù)：常數(shù) 0 若若 0 拉應(yīng)力拉應(yīng)力 0 sin 2 2 0 sin 2 2 第8頁(yè)/共21頁(yè) 第三節(jié)第三節(jié) 宏觀應(yīng)力測(cè)定方法宏觀應(yīng)力測(cè)定方法 一、設(shè)備一、設(shè)備 主要多用兩種主要多用兩種 1、衍射儀小樣品、衍射儀小樣品 20mm 主要進(jìn)行理論探討。主要進(jìn)行理論探討。 2、應(yīng)力測(cè)定儀直接在零件上測(cè)定，具有實(shí)際意義、應(yīng)力測(cè)定儀直接在零件上測(cè)定，具有實(shí)際意義(若若 樣品很大，不能鋸成小塊，應(yīng)力要釋放就不能代表樣品很大，不能鋸成小塊，應(yīng)力要釋放就不能代表 原來的應(yīng)力狀態(tài)原來的應(yīng)力狀態(tài)) 二、測(cè)量方法二、測(cè)量方法 1、雙入射法、雙入射法 0450 法法 (

7、1) 衍射儀衍射儀 取取 1 = 0o 2 = 45o 兩角度的兩角度的 從而由二 從而由二 點(diǎn)點(diǎn) 確定確定 即即 sin2 的斜率的斜率 2 sin 2 第9頁(yè)/共21頁(yè) ：是：是(HKL) 法線與表面法法線與表面法 線的夾角。線的夾角。 多晶體試樣肯多晶體試樣肯 定存在與表面定存在與表面 夾角為夾角為 的的 (HKL)。 我們測(cè)我們測(cè) 0o 和和 45o 時(shí)的時(shí)的 。 。 )22( 0sin45sin 22 sin 2 045 1 22 045 2 oo o o KKK oo 0202 1 0sin45sin 1 KK 第10頁(yè)/共21頁(yè) (2) 應(yīng)力測(cè)定儀應(yīng)力測(cè)定儀 專用的應(yīng)力測(cè)定儀，測(cè)

8、角臺(tái)能使入射線在專用的應(yīng)力測(cè)定儀，測(cè)角臺(tái)能使入射線在 0o 45o 范圍內(nèi)傾斜入射，探測(cè)器的范圍內(nèi)傾斜入射，探測(cè)器的 2 掃描范圍可達(dá)掃描范圍可達(dá)145o 165o 。 o入射入射X射線與表面法線間的夾角。射線與表面法線間的夾角。 而而 = o+ = o+90o- :(HKL)法線與入射法線與入射X射線射線 之間的夾角。之間的夾角。 對(duì)于應(yīng)力測(cè)定儀對(duì)于應(yīng)力測(cè)定儀 0o 45o 法法 1 o1+ 0o+ = 2 o2+ 45o+ 所以實(shí)際所以實(shí)際 角并非角并非0o 和和45o 第11頁(yè)/共21頁(yè) )22( sin)45(sin 22 sin 2 )45( 1 22 )45( 2 o o K KK

9、 o 22 1 sin)45(sin 1 o KK 理論的理論的 o 與實(shí)際有應(yīng)變的與實(shí)際有應(yīng)變的 相相 差很小。所以也近似的取差很小。所以也近似的取 = o 而對(duì)于而對(duì)于0o 45o法，為了精確起見，每點(diǎn)測(cè)量法，為了精確起見，每點(diǎn)測(cè)量 2 次得次得 4 點(diǎn)。點(diǎn)。 第12頁(yè)/共21頁(yè) 2、sin2 法法 (1) 衍射儀衍射儀 取取 = 0o、15o、30o、45o 四個(gè)角度四個(gè)角度 。 通常通常0o 和和45o測(cè)兩次而成為六點(diǎn)法，更精確。測(cè)兩次而成為六點(diǎn)法，更精確。 由由 求出斜率求出斜率 (2) 應(yīng)力測(cè)定儀應(yīng)力測(cè)定儀 取取 0 = 0o、15o、30o、45o 四個(gè)角四個(gè)角 度度, = 、1

10、5o+ 、30o + 、45o + 求出斜率求出斜率 2 sin 2 K 2 sin 2 2 sin 2 第13頁(yè)/共21頁(yè) 第四節(jié)第四節(jié) 應(yīng)力測(cè)定中值得注意的問題應(yīng)力測(cè)定中值得注意的問題 一、輻射和衍射晶面的選擇一、輻射和衍射晶面的選擇 2 sin 2 KMK 所以只要測(cè)出所以只要測(cè)出M值值2 有關(guān)有關(guān) ctg d d dd 2 sin cos 2 sin 2 d d tg 當(dāng)當(dāng) 一定一定(由應(yīng)力而產(chǎn)生的由應(yīng)力而產(chǎn)生的d值相對(duì)變化值相對(duì)變化) d d | 即是衍射角的變化越明顯越容易測(cè)出。所以即是衍射角的變化越明顯越容易測(cè)出。所以 選擇選擇 大的線條精確度高。大的線條精確度高。 第14頁(yè)/共

11、21頁(yè) 選擇靶和晶面的原則是得到盡可能高的選擇靶和晶面的原則是得到盡可能高的 2 其次考慮背其次考慮背 底強(qiáng)度。底強(qiáng)度。 如如: 鐵鐵 正火鋼正火鋼 選選 CoK (310)晶面晶面 2 161.8o 淬火鋼淬火鋼 選選 CrK (211)晶面晶面 2 156.4o 二、二、X射線應(yīng)力常數(shù)射線應(yīng)力常數(shù) K 180)1(2 0 ctg E K o: 可以應(yīng)用理論計(jì)算，也可以采用平行于表面的晶面可以應(yīng)用理論計(jì)算，也可以采用平行于表面的晶面 而產(chǎn)生而產(chǎn)生 角。角。 式中的式中的 E， 和工程上使用的機(jī)械彈性常數(shù)有區(qū)別。此處和工程上使用的機(jī)械彈性常數(shù)有區(qū)別。此處 應(yīng)選擇應(yīng)選擇所測(cè)晶面所測(cè)晶面的彈性常數(shù)

12、。而不能直接使用工程手冊(cè)的彈性常數(shù)。而不能直接使用工程手冊(cè) 中的數(shù)據(jù)。中的數(shù)據(jù)。 第15頁(yè)/共21頁(yè) 三、用最小二乘法求三、用最小二乘法求 “ 2 sin2 ”直線的斜率。直線的斜率。 由最小二乘法：由最小二乘法：22 )( ii ybaxy 0)(2 2 ybaxx a y 0)(2 2 ybax b y 0 0 2 ybnxa xyxbxa yDy xxn xnx xxn yxxyn a 2222 )( )( )( 其中：其中： 22 )( )( xxn xnx D 第16頁(yè)/共21頁(yè) 令令 x=sin2 y=2 當(dāng)采用 當(dāng)采用sin2 4點(diǎn)法時(shí)點(diǎn)法時(shí) 應(yīng)用衍射儀應(yīng)用衍射儀 = 0o、15

13、o、30o、45o D0 =-1.3606 D15= -0.9143 D30=0.3048 D45=1.9701 應(yīng)用時(shí)應(yīng)用時(shí) M= D y= D 2 應(yīng)用應(yīng)力測(cè)定儀時(shí)應(yīng)用應(yīng)力測(cè)定儀時(shí) D值隨所選的靶和晶面而不同，值隨所選的靶和晶面而不同， 如如 當(dāng)采用當(dāng)采用 CrK 照射鐵照射鐵 (211)時(shí)時(shí) 11.8 = 11.8o、26.8o、41.8o、56.8o D11.8 =-1.2322 D26.8= -0.5811 D41.8=0.3907 D56.8=1.4226 第17頁(yè)/共21頁(yè) 四、試樣狀態(tài)對(duì)應(yīng)力測(cè)定的影響四、試樣狀態(tài)對(duì)應(yīng)力測(cè)定的影響 1、表面狀態(tài)、表面狀態(tài) 為消除表面污染（表面污垢

14、、氧化皮或涂層等），為消除表面污染（表面污垢、氧化皮或涂層等）， 除非測(cè)量加工影響層的應(yīng)力外，須進(jìn)行：除非測(cè)量加工影響層的應(yīng)力外，須進(jìn)行： (1) 用銼刀或粗砂紙除去氧化皮。用銼刀或粗砂紙除去氧化皮。 (2) 用電解拋光。用電解拋光。 2、晶粒大小的影響、晶粒大小的影響 晶粒過大使參與衍射的晶粒數(shù)目減少，使衍射強(qiáng)度不晶粒過大使參與衍射的晶粒數(shù)目減少，使衍射強(qiáng)度不 穩(wěn)定，穩(wěn)定，一般要求一般要求 D100200 m測(cè)量測(cè)量將將 發(fā)生困難。發(fā)生困難。晶粒過小將使衍射線變寬晶粒過小將使衍射線變寬，使測(cè)定精度下降，使測(cè)定精度下降 。 第18頁(yè)/共21頁(yè) 3、擇尤取向的影響、擇尤取向的影響 有擇尤取向（織構(gòu)）的材料，有擇尤取向（織構(gòu)）的材料， 2 sin2 沒有線沒有線 性關(guān)系，衍射峰強(qiáng)度強(qiáng)烈依賴于試樣表面法線與反射晶性關(guān)系，衍射峰強(qiáng)度強(qiáng)烈依賴于試樣表面法線與反射晶 面法線的夾角面法線的夾角 ，固常規(guī)的入射角已不適用。，固常規(guī)的入射角已不適用。 五、試樣表面應(yīng)力狀態(tài)的確定五、試樣表面應(yīng)力狀態(tài)的確定 在試樣中總有某個(gè)方向，在試樣中總有某個(gè)方向， 只有正應(yīng)力而無切應(yīng)力，只有正應(yīng)力而無切應(yīng)力， 稱為主應(yīng)力，稱為主應(yīng)力， 1、 2。若。若 確定出確定出 1、 2大小及方向大小及方向 即可確定表面應(yīng)力狀態(tài)。即可確定表面應(yīng)力狀態(tài)。 第19頁(yè)/共21