应力分析

实验4表面残余应力的测量

913000730018 鲁皓辰一、实验目的

了解金属材料残余应力的种类；

掌握X射线衍射法测量金属材料表面残余应力的原理和实验方法。

二、实验内容

测定金属材料表面残余应力。

三、实验仪器设备与材料

X射线衍射仪

四、实验原理

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。

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(σz )为零,测定的是表面应力。

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 (作为应变规)求得。以应变规来度量宏观应变，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4.1图。

图4.1 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( h k l )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( h k l ) 产生的衍射峰2θ角变化、面间距变化、宏观应力变化如图4.2。

图4.2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4.3。

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4.4。

图4.3倾角为ψ方向应变示意图

图4.4 衍射晶面方位角和应力方向平面

X 射线穿透深度小,表层被照射，处于平面应力状态σ3 =0，在ψ=90度时，根据残余应力分析基本关系式)()sin cos )(1(sin 2122212σσνφσφσνψεψ+-++=E

E 令φσφσφσ=+2

221sin cos ， 则)()1(sin 221σσνσνψεφψ+-+=E E 。 由于主应力之和21σσ+是应力不变量，所以上式的第二项为常量。上式表明，在平径角φσ一定的任意截面内,不同Ψ角方向的晶格应变与方位角Ψ的正弦平方（即ψ2sin ）线性相关，即φψ

σνψεE

+=??1sin 2，直线斜率为φσνE +1。 由于X 射线衍射仪测量出来的衍射角2θ往往用度为单位，在计算应力值时需

换算成弧度，故有180222cot 180cot )(000πθθθπθθεψψψψ?-?-=???-=?=d d ， ψ

θπθνπψθθθνσψψφ20200sin )2(180cot )1(2180sin )22(cot )1(2?????+-=??-???+-=E E ， 其中，设180cot )1(20πθν??+-=E K ，ψ

θψ2sin )2(??=M ， 式中，K ——X 射线应力常数，

M ——在不同Ψ方向测定的衍射线角与ψ2sin 直线关系的斜率。

如果知道了X 射线应力常数K ，又在-45°～+45°范围选择若干个Ψ方向测量衍射线角，作出与ψ2sin 之间的相关直线，并求斜率，就可以计算出φσ值。 试样要求与表面处理：

常规的X 射线应力测试是对无粗晶、射线穿透深度范围内是均匀连续和各向同性、无织构材料有效。对钢材，X 射线穿透μm 至十几μm 的深度，测试是这个深度范围的平均应力。

机加工而在材料表面产生的附加应力层可达100μm ，需要对试样表面进行处理。方法是用电化学或化学腐蚀等手段，去除表面存在附加应力层。要求试样表面必须光滑，没有污垢、油膜及厚氧化层等。

测试机加工、喷丸、表面处理等工艺处理后的表面应力，表面不作任何处理，小心保护原始状态;凡需要修磨的，可以利用现场金相所配置的电动工具，在达到金相检验标准后再作短暂电解抛光。

对于钢铁材料，只为除锈，不伤及金属表面的办法是用稀盐酸腐蚀。测定应力沿层深分布，可用先用机械法快速剥层至一定深度,再电解腐蚀方法进行逐层剥离，然后进行应力测量。应对剥层后应力释放作校正。

五、实验方法和步骤

1．选择Coupled2theta/theta 扫描模式，例如为35°至130°，步长为0.02°。从衍射谱中找到衍射峰位靠后而且较强的峰，确定扫描范围。（注：应力测量应该用高角度的衍射峰，越高越好）。

2．在XRD wizard 中进行测试参数设置：（1）打开XRD wizard 软件，点击New

—〉stress在出现的界面上，如果没有需要改的参数，点击OK即可。（2）在达芬奇界面上，前置Twin选择狭缝光路0.5度；后置Twin选择固定5.8mm开口；探测器可以选择一维固定扫描（fixed scan）或连续扫描，取决于衍射峰的宽度。(3)在detector selection上选择PSD LYNXEYE，PSD electronic window选择Use default。（4）Detector界面设定探测器的能量分辨率，根据材料的要求选择能量窗口，例如Cu靶Fe样品选择0.18下限。（5）Generator 界面设定电压和电流（40kV和40mA）。（6）在Scan type界面上，首先设定测量的角度范围，步长以及每步时间；mode选择Side-inclination测量方式。分别设定chi倾斜范围一般设定Start从0开始，Stop设为45°，即样品的倾斜角度为0-45°，选择Increment为9°，即每隔9°进行一次数据采集；设定phi轴角度，对于非各向异性的应力样品一般设置start为0°，stop为180°，increment为180°，即只在0°及180°进行测试。(7). 设定完毕后将设置测量脚本存为bsml格式。例如存为Fe-211-stress.bsml。在start job 测量界面中调入bsml，设定数据名称，点击start开始应力测试。

3．残余应力分析

残余应力分析软件Leptos S

1) 打开Leptos S > Stress>New Stress or Click Create stress Appear stress object;

2)Import *.raw ;

3) Reduction/Fit (选中分析样品有关的参数): Material，HKL，Wavelength,E,v, S1, 1/2S2, Aux,

4)Correct (对原始衍射谱线进行数据处理,如数据标准处理，寻峰方法选择等);

5)Stress Evaluation;

6)Results>选Stress model: Normal , Normal + Shear , Biaxial , Biaxial+ Shear , Triaxial

7)Result , as save

六、实验注意事项

测量时注意辐射安全，对两点法与多点法的本质差异应有清新认识。

七、实验结果

八、实验思考题

1.简单说明残余应力的分类以及对材料性能的影响。

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有影响。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。