X射线衍射法残余应力测试
目录
1.概述 (2)
1.1 X射线残余应力测试技术和测量装置的进展 (2)
a.测试技术的进展 (3)
b.测量装置的进展 (4)
1.2测试标准 (5)
2、测定原理及方法： (6)
2.1二维残余应力 (6)
2.1.1原理 (6)
2.1.2方法 (9)
2.2三维残余应力 (15)
2.2.1沿深度分布的应力测定一剥层法 (16)
2.2.2 X射线积分法(RIM) (17)
2.2.3 多波长法 (20)
3、X射线残余应力测定法的优、缺点 (21)
4、一些应用 (22)
参考文献： (23)
X射线衍射法残余应力测试
原理、计算公式、测试方法的优缺点、目前主要应用领域。
1.概述
X射线法是利用X射线入射到物质时的衍射现象测定残余应力的方法。包括X射线照相法、X射线衍射仪法和X射线应力仪法。
1.1 X射线残余应力测试技术和测量装置的进展
早在1936年，Glocker等就建立了关于x射线应力测定的理论。但是当时由于使用照相法，需要用标准物质粉末涂敷在被测试样表面以标定试样至底片的距离，当试样经热处理或加工硬化谱线比较漫散时，标准谱线与待测谱线可能重叠，测量精度很低，因此，这种方法未受到重视，直到二十世纪四十年代末还有人认为淬火钢的应力测定是不可能的。只有在使用衍射仪后，X射线应力测定才重新引起人们的重视，并在生产中日渐获得广泛应用。美国SAE在巡回试样测定的基础上，于1960年对X射线应力测定技术进行了全面的讨论。日本于1961年在材料学会下成立了X射线应力测定分会，并在1973年颁布了X射线应力测定标准方法。
a.测试技术的进展
在二十世纪五十年代，X 射线应力测定多采用0°~ 45°法(又称两次曝光法)，这种方法在d ψ?与sin 2ψ有较好的线性关系时误差不大，但当试件由于各种原因，d ψ?与sin 2ψ偏离离直线关系时，0°~ 45°法就会产生很大误差。为了解决这个问题，德国E.Macherauch 在1961年提出了X 射线应力测定的sin 2ψ法，使x 射线应力测定的实际应用向前迈进了一大步。与此同时，经典的聚焦法也被准聚焦法和平行光束法所取代。其中，平行光束法允许试样位置在一定范围内变化，这就为在生产现场应用X 射线应力测定技术创造了有利条件。该方法的缺点是衍射线的强度低、分辨率差，对低强度而又较漫散的谱线，测量精度不高。准聚焦法介于平行光束法和聚焦法之间，既有较高的强度和分辨率，又有一定的试样设置的宽容度，在衍射仪上用准聚焦法测定应力时，试样设置不当引起的误差可以从a hkl 与2cos sin θθ
直线之斜率求得，所利用的关系为:200cos sin hkl a a d d a R δθθ
-?==?，式中，δ为试样表面对测角仪中心的偏离量，R 为测角仪半径，a 0为试样的精确点阵常数，a hkl 为由各(hkl )面的测量值计算出的点阵常数。
上述0°~ 45°法和sin 2ψ法就是通常所称的常规法(或称同倾法)，这些测试方法在测定工件特殊部位(如齿轮根部、角焊缝处)的残余应力时往往比较困难。近年来发展起来的侧倾法很好地解决了这一难题，受到普遍重视。这种方法既可以选用高2θ角、也可选用低2θ角范围内的衍射线进行测定，同时衍射强度的吸收因子与侧倾角ψ无关，并
且不随2θ角而变或随2θ角只作很小变化，故线形不会因吸收而产生畸变，能提高测量精度，因而获得了广泛应用。可以在附有侧倾法机构的应力仪上进行侧倾法测量，也可以利用侧倾附件在普通衍射仪或应力仪上进行这种测量。
自1976年以来，日本在应用连续X射线测量应力方面也做了不少尝试。不同能量的X射线穿透材料的能力也不同，利用连续X射线照射试样，借助X射线能谱仪测定衍射线中具有不同能量的各种成分的峰值位移，可以探知应力沿深度的分布。
此外，利用不同波长X射线在工件内部穿透深度不同的特点，从而获得应力沿深度分布的多波长法近年来也得到了一定的应用。b.测量装置的进展
理想的X射线应力测量装置应兼有照相机应力测量头的轻便、衍射仪应力测量的精确和位敏探测器的高速度等特点。早期的各种照相法测应力的相机，因其测试手续麻烦，费时费工，因此未能得到充分发展和广泛使用。二十世纪五十年代以后，X射线衍射仪迅速发展起来，应力测定工作就在衍射仪上进行。用X射线衍射仪测定残余应力时需要一定的特制附件，与相机比较，虽然手续有所简化，数据也相应准确了，但只能用于试样和小工件，对中等和大型工件则无能为力。而残余应力的研究完全用试样是无法解决许多生产实际问题，所以用衍射仪测定残余应力也有一定的局限性。为了解决这些问题，日本学者做了大量的工作，他们将衍射仪的索拉光栏改为平行光束光
栏，并对衍射仪的测角仪进行改进，从而使其成为能满足要求的专用X射线应力测定仪。
目前，X射线应力测量装置正向设备轻便紧凑、测量快速、精确度高及用途多样的方向发展。美国丹佛大学的D.Steffen和C.Rund研制的应力仪具有一定的代表性，整台仪器重仅135kg，而测角头只有4.5kg，采用这种应力仪在铝合金、不锈钢和马氏体钢上进行的实测证明，X射线数据累积所需的时间不超过一分钟，最短只需15秒。美国西北大学的James和Cohen研制的PARS应力仪的测角头(带位敏正比探测器)重约9kg。测角仪经改进后可用通电磁铁固定，为大型构件，如球罐、管道等作现场测量。二十世纪九十年代初，美国AST 公司开发的X2001型X射线应力分析仪采用独特的测角仪设计，在经过改进的ψ几何系统的入射线两侧对称安装了两个位敏探测器，定峰时采用互相关法，保证了很高的准确性和重复性，提高了测量精度和测量速度，在几秒钟内就能完成一次测量，且总重量仅74kg。这种应力仪通过编程可以进行-45°~ +60°的ψ侧倾，2θ角范围达到97.6°~ 169.40°，并增加了-180°~ +180读的旋转，可以测定材料表面的三维残余应力及梯度。
1.2测试标准
自1971年美国汽车工程师学会发布第一个X射线衍射残余应力测定行业标准SAE J784a-1971“Residential Stress Measurement by X-Ray Diffraction”和1973年日本材料学会颁布第一个X射线残余应
力测定国家标准JSMS-SD-10-1973 “Standard Method for X-ray Stress Measurement”以来，作为一种无损检测技术，X射线衍射法测定残余应力得到了越来越广泛的应用，技术手段也日益成熟。为反映最新的技术进步和成熟的测定方法，欧盟标准委员会(CEN)于2008年月4日批准了新的X射线衍射残余应力测定标准EN15305-2008“Non-destructive Testing: Test Method for Residual Stress Analysis by X-ray Diffraction”该标准于2009年2月底在所有欧盟成员国正式实施。相呼应的，美国试验材料学会(ASTM)也于2010年7月发布了最新的X射线衍射残余应力测定标准ASTM E915-2010“Standard Test Method for Verifying the Alignment of X-Ray Diffraction Instrumentation for Residual Stress Measurement”。
2、测定原理及方法：
2.1二维残余应力
2.1.1原理
对无织构的多晶体金属材料来说，在单位体积中含有数量极大的、取向任意的晶粒，在无应力存在时，各晶粒的同一{HKL}晶面族的晶面间距都为d0。假定有图所示的、平行于试样表面的拉应力σ?作用于该多晶体时，显而易见，与表面平行的{HKL}晶面(即ψ=0的晶面)的晶面间距，会因泊松比而缩小，而与应力方向垂直的同一{HKL}
晶面(即ψ=90°的晶面)的晶面间距被拉长。在上述两种取向之间的同一{HKL}晶面间距，将随ψ角的不同而不同。即是说，随晶粒取向的不同，ψ将从0连续变到90°，晶面间距的改变量Δd将从某一负值连续变到某一正值。这在宏观上即表现出该多晶体在σ?的作用下将产生一定的应变，且应力σ?越大，Δd的变化也越大。
对一般金属材料，X射线的穿透深度很浅，仅10μm左右，它所记录的仅仅是工件表面的应力。由于垂直于表面的应力分量为零，所以它所处理的总是二维平面应力。测定这类应力的典型方法即sin2ψ
法。在图2.2确定的坐标体系中，空间任一方向的正应力为:
222112233ψφσασασασ=++
式中，1α、2α、3α是ψφσ对应方向的方向余弦即
:
123sin cos sin sin cos αψφ
αψφ
αψ====
同理，任一方向的正应变为：
222112233ψφεαεαεαε=++
而描述主应力和主应变两者关系的广义Hooke 定律为:
[][][]112321333121()E
12()E
1()E εσνσσεσνσσεσνσσ=
-+=-+=-+ 式中，E 、ν分别是材料的弹性模量和泊松比。注意到30σ=，故实际测得的应力是图2.2中的σψ，即被测工件(各向同性材料)的表面应力。由Bragg 定律2d sin θ=兄可以得出应变与衍射线角位移的关系，即：
0000
cot ()d d d d d ψφψφψφεθθθ-?===-- 式中，d 0和θ0。分别为无应力时晶面(HKL )的面间距和Bragg 角;d ψ?和θψ?分别是有应力时法向位于(ψ、?)方向的(HKL )晶面的面间距和Bragg 角; εψ?是(ψ、?)方向的应变，而ψ和?分别为衍射晶面法线对选定坐标的旋转角和倾斜角(见图 2.2)。因此，由上述五式经过变换即可得到:
02E (2)cot 2(1)180(sin )
φπθσθυψ?=-+? 令10E K cot 2(1)180πθυ=-+ ，2(2)M=(sin )
θψ??，则：1K M φσ= 式中K 1为应力常数;M 为2θ对sin 2ψ的斜率。此即残余应力测定的基本公式。
2.1.2方法
根据上述原理，用波长为兄的X 射线先后数次以不同的入射角θ照射试样，测出相应的衍射角2θ，求出2θ对sin 2ψ的斜率，便可算出应力外。完成上述测定，有X 射线照相法、X 射线衍射仪法和X 射线应力仪法。照相法效率低、误差大，尤其在衍射线条十分漫散时更为突出，且一般只能测定小试样的应力；衍射仪法和应力仪法是目前主要的残余应力测试方法，前者一般适用于小试样的应力测定，而后者则大小试样均适用，且更宜于现场测试，应用最为广泛。
○1X 射线照相法
如图2.3所示将一束经过光阑准直的单色X 射线垂直投射到试样表面(试样表面涂有标准物质粉末，以校正试样与底片间的距离)，采用背射针孔照相法，利用接近平行于试样表面的晶面作为反射面得到衍射线环。当试样受到沿z 方向的拉伸时(即试样受单轴应力)，这些平行或接近平行于试样表面的晶面间距将会缩小，由此可以测出垂直于试样表面方向(y 方向)的应变，如果d 0和d 1为这个反射晶面族在受
到应力作用前后的晶面间距，则:10
2020(1)sin cos[(90)]R =R-D=R cos[(90)]
y z z d d E E E d d d E v d φεσεννσψψθψθ-==-=-?-=?++-'--
100
z d d d ε-= 这样就可以求出在z 方向上的应力σz
100
y z z d d E E E d εσενν-==-=-? 对于二维应力，则还需在正X 射线束背射照相之后，采用斜射X 射线束背射照相法(见图2.4)，即X 射线束以与试样表面成班ψ0的角度照射到试样表面，此时，按图2.2，有:
200
d d d ψφε-=
式中，d 0及d 2分别为斜射X 射线束方向的晶面族(与正X 射线照相所得衍射线环同一指数)受力作用前后的晶面间距，而σ?，等于:
2121
(1)sin d d E v d φσψ-=?+ 式中，d 1是正X 射线束方向的晶面族受应力作用后的晶面间距。 可见，采用两次照相法，精确测定出d 1和d 2，即可按2121
(1)sin d d E v d φσψ-=?+式计算出σ? 。
○2X 射线衍射仪法
如图2.5(a)所示，根据多晶衍射仪的设计原理，参与衍射的晶面始终平行于试样表面。因此，当衍射仪在正常状态工作时，试样表面法线和衍射晶面法线平行，此时ψ=0°。为了测出不同ψ值时同一{HKL }面族的2θ值，在X 射线管和探测器位置不变的情况下，让试
样表面法线转动ψ角。但此时位于测角仪上的探测器己经不在聚焦圆上，如图2.5(b)所示。因此必须将探测器沿衍射线移动距离D ，可以证明：
cos[(90)]
R =R-D=R cos[(90)]ψθψθ+-'--
式中，R ’为探测器移动后离试样表面的距离。测定时，常使ψ=0°和ψ=45°，即应用固定班法进行宏观残余测定。
○3X 射线应力仪法
X 射线应力仪的核心部分为测角仪，其上装有可绕试样转动的X 射线管和探测器。通过改变ψ使X 射线管转动，以改变入射线的方向。目前，广泛使用的测角仪有两种，即Ω测角仪和ψ测角仪，其衍射几何分别见图2.6(a)、(b)。
(1) Ω测角仪(常规法)
Sin 2ψ尹法是常规法中的经典方法，从1K M φσ=可以看出，只要测出M 即可计算出应力。为此，当以不同的角度ψ入射时，测出相应的2θ，此时ψ与2θ共面。用测定的2θ与sin 2ψ作图，两者应有图
2.7所示的线性关系。求出直线的斜率M 后，乘以已知的应力常数K 1，就能求出指定方向的应力σ?。应该注意，ψ角所在的平面与试样表面的交线，就是所测应力的方向。常选ψ角为0°、15°、30°和45°，相应测出的2θ并非刚好位于一条直线上，此时可用最小二乘法进行数据处理。
如果在选择ψ角时只取0°和45°，就得到0°- 45°法。此时
450122104522222K sin (45)sin (0)
K (22)sin (45)sin K 2φθθσηηθθηη
θ
-=+-+=--+-=? 式中，1222K K sin (45)sin ηη
=-+- ，045222θθθ?=-。且K2为正值，故当Δ2θ为正值时，σ?为正，即为拉应力；当Δ2θ为负值时，σ?
为
负，即为压应力。
(2)ψ测角仪(侧倾法)
ψ测角仪与Ω测角仪有很大不同，从图2.6(a)、(b)可以看出，在Ω测角仪中，ψ和2θ角位于同一平面内，即试样表面法线、衍射晶面法线、入射线、衍射线和待测应力方向五者共面，而在ψ测角仪中，ψ和2θ角分别位于互相垂直的两平面内，此时试样表面法线、衍射晶面法线、待测应力方向三者共面，而入射线、衍射线和衍射晶面法线则位于另一平面。因此，为了测定ON方向的应力，必须测定法线位于NOZ平面内的晶面的2θ，此时入射线和衍射线都与OL成(90°-θ)
角。为了在不同ψ角进行测定，应倾转T 轴，即X 射线管和探测器同步侧倾，应力计算公式仍为1K M φσ=。与Ω测角仪相比，ψ测角仪弥补了Ω测角仪在较大入射角度上探测不到衍射信息的缺点，可以在较大的倾角ψ下进行测量，因此适合于测定工件特殊部位(如齿轮根部、角焊缝处)的残余应力。
以上分析表明，X 射线残余应力常规测定方法仅适用于平面应力状态，只有在X 射线穿透深度很小的情况下适用，即因为穿透深度很浅，层内的应力沿深度均匀分布。因该层处于自由表面上，其法线方向上的正应力为零，与表面平行的剪应力也为零。在这种情况下，εψ?-sin 2ψ呈线性关系。但在实际测试中，常出现非线性现象，且应力值也难以计算，这说明常规X 射线应力测试的一些基本假设条件已不满足。
二十世纪七十年代初，人们发现在X 射线有效穿透深度内存在较大应力梯度时，在+ψ或-ψ方向εψ? -sin 2ψ树呈分裂形状。作为权宜之计的解决方法是采用高ψ部分进行线性拟合。七十年代末，Dolle 等指出，由于应力梯度效应，须在三维应力状态下重新建立应力-应变关系。
2.2三维残余应力
事实上，材料或其制品内部存在的残余应力在更多情况下是三维应力状态，且沿深度为连续分布。因此，如何测定残余应力及其沿深
度分布一直是X射线残余应力测定的重点研究对象。
2.2.1沿深度分布的应力测定一剥层法
剥层法是应用较早的一种测定材料及其制品内部残余应力沿深度分布的方法，即通过切削或腐蚀使材料内部逐层露出，以测量各层的残余应力。不过这里所测得的残余应力并不等于剥层以前该处的应力，因为被剥除部分的残余应力的释放，将导致剩余部分的残余应力重新分布，因此对释放应力所造成的影响可以通过弹性理论的计算加以修正。可以用于圆筒试样，通过图解法积分来求残余应力。
为了得到大型轴对称构件沿深度方向的三维残余应力的分布规律，主要面临以下问题：1）测试深度问题：由于X射线对材料的透射深度较浅，测定的表面层深度仅为10~35um，因此测试构件的内应力需选择采用X射线剥层法，逐层剥离后测量构件表面的残余应力。以往应用X射线剥层法测试轴内部残余应力多为二维应力的研究，沿深度方向三维残余应力的研究较少。2）应力释放问题:由于剥除层的应力释放，对剩余圆柱表面的真实应力造成影响，需用弹性力学的修正理论对测得的表面二维应力进行修正，从而可得到包括径向在内的实际三维残余应力分布3）轴向应力问题：X射线剥层法对测试的环向和径向应力修正的基础上，考虑了轴向应力的影响，推导了轴向应力修正公式。
2.2.2 X射线积分法(RIM)
根据连续介质力学理论可知，在一受力作用的物体内，任一点的应变可以用位于该点的一小体积元的应变描述，此体积元的应变可以用一个由二阶张量组成的应变矩阵表示为:
图2.8即描述了这一小体积元的变形情况及应变分量εij，其中第一个下标i代表产生应变的方向，第二个下标j代表产生应变的面的法向。
对于各向同性材料，在平衡条件下平衡条件下
任一方向的应变可表示为
此为三维残余应力测定的基本公式，只要求出εij，然后根据应力-应变关系即可求出σij。
常规X射线残余应力测定方法是基于2θ-sin2ψ之间的线性关系，因此测得的是工件表层的平均二维应力。在实际的工件中，常常存在图2.9所示的不均匀应变和应力，在深度比较浅的范围内，可以认为深度z处的应变为:
用于测定残余应力的X射线束具有一定的宽度和一定的穿透深度，因此，探测器搜集到的是工件被照体积范围内的信息，探测到的应变是被照体积应变的计权平均<ε>，可用数学积分式表达如下:
式中，τ为X射线在被测工件中的穿透深度;ε(x，y，z)是某一点(x，y，z)处的应变。显然，求出了ε(x，y，z)，就求出了该点(x，y，z)处的残余应变或残余应力及其在工件中的分布。这里因涉及到残余应变的积分，故称为X射线积分法(RID边即X-Ray-Integral-Method)。可以看出，由于未知物理量ε(x，y，z)在积分号内，因此，这一求解过程是一反演问题，如何求出ε(x，y，z)即成为应力计算的核心。
为求解ε(x，y，z)，将RIM法基本公式中的ε(x，y，z)与
应变矩阵εij联系起来，通过数学处理将X射线照射体积元内的应变矩阵εij在工件深度z方向上按Taylor级数展开，当X射线有效穿透深度比较小时，可以认为深度与应力变化呈线性关系，因此，Taylor级数展开式只保留到一次即:
相应的
式中，ε0ij和σ0ij分别是被测工件表面的应变和应力; εzij和σzij分别是距被测工件表面深度z处的应变梯度和应力梯度。
这样，将
代入
，并与式
联立，求解应力的问题便转化为求解线性方程组的问题。从上述三式可以看出，该线性方程组共有12个未知量，因此，在无应力晶面间距d0未知的情况下，至少要测出13组ψ、?必对应的dψ?，以求解线性方程组。计算出ε后，根据应力一应变关系即可求出σ。
2.2.3 多波长法
多波长法是利用不同特征X射线在材料中穿透深度的差别而获得不同深度的衍射信息，从而测定出不同深度的加权平均应力，据此推算真实应力及随深度的分布。
表面残余应力测试方法
表面残余应力测试方法 由于X射线的穿透深度极浅，对于钛合金仅为5μm，所以X射线法是一种二维平面残余应力测试方法。现在暂定选择钛靶，它与钛合金的晶面匹配较好。（110）晶面 一、试样的表面处理 X射线法测定的是试件的表面应力，所以试件的表面状况对测量结果也有很大的影响。试件表面不应有油污、氧化皮或锈蚀等；测试点附近不应被碰、擦、刮伤等。 （1）一般可以使用有机溶剂（汽油）洗去表面的油泥和脏污。 （2）去除氧化皮可以使用稀盐酸等化学试剂（根据试样选择合适浓度，如Q235钢用10％的硝酸酒精溶液浸蚀5min）。 （3）然后依据测试目的和测试点表面实际情况，正确进行下一步的表面处理。如果测量的是切削、磨削、喷丸、光整、化铣、激光冲击等工艺之后的表面应力，以及其它表面处理后引起的表面残余应力，则绝不应破坏原有表面不能进行任何处理，因上述处理会引起应力分布的变化，达不到测量的目的。必须小心保护待测试样的原始表面，也不能进行任何磕碰、加工、电化学或化学腐蚀等影响表面应力的操作。对于粗糙的表面层，因凸出部分释放应力，影响应力的准确测量，故对表面粗糙的试样，应用砂纸磨平，再用电解抛光去除加工层，然后才能测定。 （5）若被测件的表面过于粗糙，将使测得的应力值偏低。为了提高试件的表面光洁度，又不产生附加产力，比较好的办法是电解抛光法。该法还可用于去除表面加工层或进行试件表层剥除。 （6）若单纯为了进行表层剥除，亦可以用更为简单的化学腐蚀法，较好的腐蚀剂是浓度为40％的(90％H202+10％HF)的水溶液。但化学腐蚀后的表面光洁度不如电解抛光。为此可在每次腐蚀前用金相砂纸打磨试件表面，但必须注意打磨的影响层在以后的腐蚀过程中应全部除去。 二、确定测量材料的物相，选定衍射晶面。 被测量的衍射线的选择从所研究的材料的衍射线谱中选择哪一条(hkl)面干涉线以及相应地使用什么波长的X射线是应力测定时首先要决定的。当然事先要知道现有仪器提供的前提条件：一是仪器配置了哪几种靶材的x射线管，它决定了有哪几个波长的辐射可以选用；二是测角仪的2θ范围。一般选用尽可能高的衍射角，使得⊿θ的增大可以准确测得。 在一定的应力状态下具有一定数值的晶格应变εφ,ψ对布拉格角θ0值越大的线条造成的衍射线角位移d(2θ)φ.ψ必也越大，因此测量的准确度越高。同时，在调整衍射仪时不可避免的机械调节误差对高角线条的角位置2θ的影响相对地也比较小。正因为如此X射线应力测定通常在2θ>90°的背反射区进行，并尽量选择多重性因子较高的衔射线。举例来说，对铁基材料常选用Cr靶的Ka线，α—Fe的(211)晶面的衍射线。 若已知X射线管阳极材料和Ka线波长，利用布拉格方程可计算出各条衍射线的2θ值，从中选择出高角线条。可以从《材料中残余应力的X射线衍射分析和作用》的附录中查得常用重要的金属材料和部分陶瓷材料在Cu，Co，Fe，Cr四种Kal线照射下的高角度衍射线。由于非立方晶系材料受波长较短的X射线照射时出现较多的衍射线，因此最好选择那些弧立的、不与其它线条有叠合的高角衍射线作为测量对象。
钻孔崩落应力测量方法简介
钻孔崩落应力测量方法简介 一．孔壁崩落的力学机制 根据弹性理论，在单项水平应力σ作用下的一个无限大矩形平板中,其内部为一均匀应力场。这时的应力分布状态为: 式中，θ由σ方向逆时针量取，σ r 、σ θ 和τ rθ 分别为径向，切向和剪切应力。 当在矩形板中心钻了一个半径为α的圆孔后，势必扰动原来的应力场，寻致应力的重新分布。这时，在圆孔附近的应力分布由基尔希方程给出： 而当γ=α时，也就是说，孔壁上的应力分布为: 由方程(3)可以看出,当时,即在与σ垂直的孔径的两个端点上,切向应力σ θ 有最大值3σ，当θ＝0和π时，即在平行于σ的孔径的两个端点上，切向应力仅有极小值为-σ。 由上述可见，应力的集中，仅仅是在与σ正交的直径的孔壁上，切向应力取得最大值。而随着径向的延伸(即r逐渐增大)，在与σ垂直的方向(即)上，切向应力变化为：
显然，切向应力σ θ 随着径向的延伸而迅速减小。当半径(r)等于几个钻孔半径时，切向应力就近似地等于施加应力(σ)。如当r＝1.3α时，σ θ ＝1.82lσ，而当r＝4α时，σ θ 就仅为1.0372σ。 地壳中的岩石，一般都是处在各向不等载荷的压应力作用下。对于一个沿直铅孔来说，它的横载面往往都是处于两项水平主应力σ 1 和σ 2 (σ 1 >σ 2 )的压缩之下。根据叠加原理，这时孔壁上(即r＝α处)的应力分布状态为： 由上式可见，当时，即在与最小水平主应力平行的钻孔直径的两个端点(M和N)，切向应力σ θ 达到最大值(σ θ ＝3σ 1 -σ 2 )；而当θ＝0和π时，即在与最大水平主应力平行的直径的两个端点(P和Q)，切向应力σ θ 达到最小值(σ θ ＝3σ 2 -σ 1 图2)。根据脆性破裂理论，当作用在M和N点处的切向应力，达到或超过该点处的破裂强度时，就会使孔壁岩石崩落，形成崩落椭圆孔段，其长轴方向与最小水平主应力方向平行。 二．钻孔崩落椭圆的形成条件 在不同地质时期形成的各种岩石，都具有一定的强度，因而在地壳应力场的作用下，能够发生弹性变形，并可以在孔壁附近引起应力集中。 钻孔崩落椭圆的形成，必须满足一定的地应力场条件，即最大水平主应力与最小水平主应力不相等。如果钻孔处于各项均匀的地应力场中(即σ 1 =σ 2 )，这时沿钻孔圆周的切向应力σ θ ≈2σ 1 ，假定岩石也是各项均匀的话，则不会产生优势方向的孔壁崩落现象。 大量的地壳应力测量资料表明，在地壳中各项应力都存在着明显差异，而且两项水平主应力值及其差值(σ 1 -σ 2 )，大都是随深度呈线性增加的。因此，一般来说，形成钻孔孔壁崩落的地应力场条件是普遍存在的。
【X射线衍射】15：X射线衍射仪测量残余应力的原理方法和实验
X射线衍射方法测量残余应力的原理与软件使用方法 Huangjw 2006.6.22 什么是残余应力？ 外力撤除后在材料内部残留的应力就是残余应力。但是，习惯上将残余应力分为微观应力和宏观应力。两种应力在X射线衍射谱中的表现是不相同的。微观应力是指晶粒内部残留的应力，它的存在，使衍射峰变宽。这种变宽通常与因为晶粒细化引起的衍射峰变宽混杂在一起，两者形成卷积。通过测量衍射峰的宽化，并采用近似函数法或傅立叶变换方法来求得微观应力的大小。宏观应力是指存在于多个晶体尺度范围内的应力，相对于微观应力存在的范围而视为宏观上存在的应力。一般情况下，残余应力的术语就是指在宏观上存在的这种应力。宏观残余应力（以下称残余应力）在X射线衍射谱上的表现是使峰位漂移。当存在压应力时，晶面间距变小，因此，衍射峰向高度度偏移，反之，当存在拉应力时，晶面间的距离被拉大，导致衍射峰位向低角度位移。通过测量样品衍峰的位移情况，可以求得残余应力。 X射线衍射法测量残余应力的发展 X射线衍射法是一种无损性的测试方法，因此，对于测试脆性和不透明材料的残余应力是最常用的方法。20世纪初，人们就已经开始利用X射线来测定晶体的应力。后来日本成功设计出的X射线应力测定仪，对于残余应力测试技术的发展作了巨大贡献。1961年德国的E.Mchearauch提出了X射线应力测定的sin2ψ法，使应力测定的实际应用向前推进了一大步。
X 射线衍射法测量残余应力的基本原理 Ｘ射线衍射测量残余内应力的基本原理是以测量衍射线位移作为原始数据，所测得的结果实际上是残余应变，而残余应力是通过虎克定律由残余应变计算得到的。 其基本原理是：当试样中存在残余应力时，晶面间距将发生变化，发生布拉格衍射时，产生的衍射峰也将随之移动，而且移动距离的大小与应力大小相关。用波长λ的X射线，先后数次以不同的入射角照射到试样上，测出相应的衍射角2θ，求出2θ对sin 2ψ的斜率M，便可算出应力σψ。 Ｘ射线衍射方法主要是测试沿试样表面某一方向上的内应力σφ。为此需利用弹 性力学理论求出σφ的表达式。由于Ｘ射线对试样的穿入能力有限，只能探测试 样的表层应力，这种表层应力分布可视为二维应力状态，其垂直试样的主应力σ3≈0(该方向的主应变ε3≠0)。由此，可求得与试样表面法向成Ψ角的应变εΨ的表达式为： )(sin 1212σσυψσυεψψ+?+=E E 式中1σ、2σ为沿试样表面的主应力，E，υ是试样的弹性模量和泊松比。 εψ的量值可以用衍射晶面间距的相对变化来表示，且与衍射峰位移联系起来，即： )(cot 00θθθεψψ??=?=d d 式中0θ为无应力试样衍射峰的布拉格角，ψθ为有应力试样衍射峰位的布拉格角。 于是将上式代入并求偏导，可得： ) (sin )2(180cot )1(220ψθπθυσφ??+? =E 令
残余应力检测方法概述
第1 页 共 2页 残余应力检测方法概述 目前国际上普遍使用的残余应力检测方法种类十分繁多，为便于分类，人们往往根据测试过程中被测样品的破坏与否将测试方法分为：应力松弛法（样品将被破坏）和无损检测法（样品不被破坏）两类。以下我们简单归纳了现阶段较为常用的一些残余应力检测方法。 一、常见的残余应力检测方法： 1. 应力松弛法 (1) 盲孔法 该方法最早由Mather 于1934年提出，其基本原理就是通过孔附近的应变变化，用弹性力学来分析小孔位置的应力，孔的位置和尺寸会影响最终的应力数值。由于这类设备操作起来非常简单，近年来被广泛使用。 (2) 切条法 Ralakoutsky 在1888年提出了采用该方法测量材料的残余应力。在使用这种方法时需要沿特定方向将试件切出一条，然后通过测量试件切割位置的应变来计算残余应力。 (3) 剥层法 该方法是通过物理或化学的方法去除试件的 一层并测量其去除后的曲率，根据测定的试件表面曲率变化就能计算出残余应力。该方法常用于形状简单的试件，且测试过程快捷。 2. 无损检测方法 (1) X 射线衍射法 X 射线方法是根据测量试件的晶体面间距变化来确定试件的应变，进而通过弹性力学方程推导计算得到残余应力，目前最被广泛使用的是Machearauch 于1961提出的sin2ψ方法。日本最早研制成功了基于该方法的X 射线残余应力分析仪，为该方法的推广做出了巨大的贡献。 (2) 中子衍射法。 中子衍射方法的原理和X 射线方法本质上是一样的，都是根据材料的晶体面间距变化来求得应变，并根据弹性力学方程计算残余应力。但中子散射能量更高，可以穿透的深度更大，当然中子衍射的成本也是最昂贵的。 (3) 超声波法。 该方法的物理和实验依据是S.Oka 于1940年发现的声双折射现象，通过测定声折射所导致的声速和频谱变化反推出作用在试件上的应力。试件的晶体颗粒及取向会影响数据的准确度，尽管超声波方法也属无损检测方法，但其仍需进一步完善。 二、最新的残余应力检测方法 cos α方法早在1978年就由S.Taira 等人提出， 但真正应用于残余应力测试设备中还是近几年的事情。日本Pulstec 公司于2012年研制出了世界上首款基于cos α方法的X 射线残余应力分析仪，图1是设备图片（型号：μ-x360n ）。
X射线衍射方法测量残余应力的原理与方法
X射线衍射方法测量残余应力的原理与方法-STRESS X射线衍射方法测量残余应力的原理与方法 什么是残余应力？ 外力撤除后在材料内部残留的应力就是残余应力。但是，习惯上将残余应力分为微观应力和宏观应力。两种应力在X射线衍射谱中的表现是不相同的。微观应力是指晶粒内部残留的应力，它的存在，使衍射峰变宽。这种变宽通常与因为晶粒细化引起的衍射峰变宽混杂在一起，两者形成卷积。通过测量衍射峰的宽化，并采用近似函数法或傅立叶变换方法来求得微观应力的大小。宏观应力是指存在于多个晶体尺度范围内的应力，相对于微观应力存在的范围而视为宏观上存在的应力。一般情况下，残余应力的术语就是指在宏观上存在的这种应力。宏观残余应力（以下称残余应力）在X射线衍射谱上的表现是使峰位漂移。当存在压应力时，晶面间距变小，因此，衍射峰向高度度偏移，反之，当存在拉应力时，晶面间的距离被拉大，导致衍射峰位向低角度位移。通过测量样品衍峰的位移情况，可以求得残余应力。 X射线衍射法测量残余应力的发展 X射线衍射法是一种无损性的测试方法，因此，对于测试脆性和不透明材料的残余应力是最常用的方法。20世纪初，人们就已经开始利用X射线来测定晶体的应力。后来日本成功设计出的X射线应力测定仪，对于残余应力测试技术的发展作了巨大贡献。1961年德国的
E.Mchearauch提出了X射线应力测定的sin2ψ法，使应力测定的实际应用向前推进了一大步。 X射线衍射法测量残余应力的基本原理 Ｘ射线衍射测量残余内应力的基本原理是以测量衍射线位移作为原始数据，所测得的结果实际上是残余应变，而残余应力是通过虎克定律由残余应变计算得到的。 其基本原理是：当试样中存在残余应力时，晶面间距将发生变化，发生布拉格衍射时，产生的衍射峰也将随之移动，而且移动距离的大小与应力大小相关。用波长λ的X射线，先后数次以不同的入射角照射到试样上，测出相应的衍射角2θ，求出2θ对sin2ψ的斜率M，便可算出应力σψ。 Ｘ射线衍射方法主要是测试沿试样表面某一方向上的内应力σφ。为此需利用弹性力学理论求出σφ的表达式。由于Ｘ射线对试样的穿入能力有限，只能探测试样的表层应力，这种表层应力分布可视为二维应力状态，其垂直试样的主应力σ3≈0(该方向的主应变ε3≠0)。由此，可求得与试样表面法向成Ψ角的应变εΨ的表达式为： εψ的量值可以用衍射晶面间距的相对变化来表示，且与衍射峰位移联系起来，即： 式中θ0为无应力试样衍射峰的布拉格角，θψ为有应力试样衍射峰位的布拉格角。 于是将上式代入并求偏导，可得：
残余应力及如何测量
为什么会有残余应力 金属材料在产生应力的条件消失后，为什么有部分的应力会残留在物体内？为什么这些应力不会随外作用力一起消失？ 金属材料在外力作用下发生塑性变形后会有残余应力出现!而只发生弹性变形时却不会产生残余应力. 原因：金属在外力作用下的变形是不均匀的,有的部位变形量大,而有的部位小,它们相互之间又是互相牵连在一起的整体,这样在变形量不同的各部位之间就出现了一定的弹性应力-----当外力去除后这部分力仍然存在,就是所谓的残余应力.根据它们存在的范围可分为:宏观应力\微观应力和晶格畸变应力.注意它们是在一定范围存在的弹性应力. 残余应力不只是金属有，非金属也存在，比如混凝土构件。残余应力的根源在于卸载后受力物体变形的不完全可逆性。 金属残留在物体内的应力是由分子间力的取向不同导致的。外力撤销后，外力所造成的残余变形导致了残余应力。通常用热处理、时效处理来消除残余应力。因为材料受外力作用后，金属的组织产生晶格变形，并不会随外力消失而恢复。所以会产生残余应力。组织产生晶格变形了，自身储存了一些能量但级别又克服不了别的晶格的能量。所以就回有残余应力。 我们真正关心的是零件加工后的质量。由于毛坯制造过程中会造成较大的残余应力，而这些零件毛坯中处于“平衡”状态的残余应力在加工之前不引起毛坯明显变形。当零件加工之后，原来毛坯中残余应力的“平衡状态”被打破，应力释放出来，会造成零件很快变形而失去应有的加工精度。减小毛坯中因制造而残留在毛坯内部残余应力对零件加工质量的影响，通常要进行消除应力的热处理，对要求精度高的零件要在粗加工后进行人工时效处理，加快残余应力的重新分布面引起的变形过程，然后再精加工。不仅对细长轴，而且包括所有要经过冷校直的零件(如型钢、导轨)，应当注意残余应力对零件加工精度的影响。影响高精度零件质量的残余应力主要是在加工过程中产生的。在切削过程中的残余应力由机械应力和热应力两种外因引起。机械应力塑性变形是切削力使零件表层金属产生塑性变形，切削完成后又受到里层未变形金属牵制而残留拉应力(里层金属产生残余压应力)。第三变形区内后刀面与已加工表面的挤压与摩擦又使表面金属产生残余压应力(里层金属产生残余拉应力)。如果第一变形区内应力造成的残余应
残余应力测试
2.测试方法 目前常用的残余应力测试方法主要有三种：一是盲孔法，二是X射线衍射法，三是磁弹性法。 盲孔法需在工件表面测量部位钻φ1.5~2mm深2mm的小孔（粘贴专用应变花），通过测读释放应变确定残余应力的大小，所测应力为孔深范围内的平均应力，同一测点无法重复测量比较； X射线衍射法可以做到无损测试，但由于X射线穿透力有限，一般只能测出几个微米范围内平均应力； 磁弹性法是近几年发展较快应用比较成熟的一种残余应力测试方法，具有方便、无损、快速、准确的特点。 对采用盲孔法和X射线衍射法检测残余应力，施工强度大，测量精度难以保证。尤其盲孔法不能对同一位置进行重复性测量，测量数据的符合性差。因此，三峡发电机组转子圆盘支架焊缝残余应力的测试采用了磁弹法技术。 残余应力的测量方法 残余应力的测量方法可以分为有损和无损两大类。 有损测试方法就是应力释放法，也可以称为机械的方法；无损方法就是物理的方法。 机械方法目前用得最多的是钻孔法（盲孔法），其次还有针对一定对象的环芯法。 物理方法中用得最多的是X射线衍射法，其他主要物理方法还有中子衍射法、磁性 法和超声法。 X射线衍射法依据X射线衍射原理，即布拉格定律。布拉格定律把宏观上可以准确测 定的衍射角同材料中的晶面间距建立确定的关系。材料中的应力所对应的弹性应变必然表征 为晶面间距的相对变化。当材料中有应力σ存在时，其晶面间距d 必然随晶面与应力相对 取向的不同而有所变化，按照布拉格定律，衍射角2θ也会相应改变。因此有可能通过测量 衍射角2θ随晶面取向不同而发生的变化来求得应力σ。从这里可以看出X射线衍射法测定 应力的原理是成熟的，经过半个多世纪的历程，在国内外，测量方法的研究深入而广泛，测 试技术和设备已经比较完善，不但可以在实验室进行研究，可且可以应用到各种实际工件， 包括大型工件的现场测量。
塑料应力测试方法及判定标准
塑料应力测试方法及判定 标准 This model paper was revised by the Standardization Office on December 10, 2020
三：常用塑料： 1. PA、PVC、PMMA、PC、POM、PE、PP、ABS、PS、EVA以及一些混合物。 2. 常用塑料特征、性能： 2．（尼龙）：8026上盖、532支撑体、049D内芯等。 ①原色为乳白、微褐，燃烧缓慢，离火后慢熄，火焰呈上黄下蓝，熔融滴落，起泡，有特殊的羊皮或指甲烧焦气味。 ②较好的物理、机械性能， ③应力测试：正丙烷、乙无开裂、裂纹。 2．：聚氯乙烯 ①原色为无色透明，难燃离火即灭，火焰上黄下绿，白烟，燃烧变软有刺激性酸味。紫外线下，使PVC产生浅蓝、紫白的莹光。软的PVC发蓝或蓝白的荧光。②根据增剂的不同分为硬质和软质，硬质PVC采用分子量小的树脂，不含5%的曾剂，机械强度好，耐腐蚀、耐阳光、耐燃烧，软质PVC采用分子量较大的树脂，加入30%-70%增剂制成柔韧性好，抗化学药品性强。 2．：有机玻璃、压克力①原色为无色透明、易燃、离火后继续燃烧，火焰上黄下浅蓝，熔融滴落，加热到 120°C可自由弯曲，不自浊，冒出特有的压克力臭，易熔于丙酮、苯。②高透明性耐光折射率高，用丙酮、氯仿等溶剂自体粘结，制品成型收缩率，料粒的吸湿性可导致制品起泡。③应力测试：乙醇或异丙醇，十秒无开裂、裂痕。 2．：聚甲醛 ①原色为浅黄或白色，慢燃，离火后继续燃烧，火焰上黄下蓝，熔融滴落，强烈鱼腥臭。 ②较强机械性能，缺点不耐酸，强碱和不耐日光紫外线的辐射，长期在大气中暴晒会老化，粘合性差。 ③应力测试：12-18%盐酸溶液浸泡2H，无变形、裂纹。 2．：聚乙烯①原色为半透明——腊色，易燃，火焰上黄下蓝，边熔边滴落，有石腊气味，常温下不熔于溶剂，加热时可溶于丙酮、苯、甲醛。②根据加工方法，可分为高密度PE和低密度PE 高密度PE为半透明腊状固体，质地坚韧，不透水性，耐磨性，抗化学药品性较好。缺点：受热后因应力消失而发生尺寸减少，柔韧性、耐剧冷热差。低密度PE为无色无味无毒的固体，低温仍能保持柔曲特性，抗水性，化学稳定性较强。③应力测试：硬脂酸钠或肥皂水，无变形、裂纹、断裂。 2．：丙烯腈、丁乙烯和苯乙烯三种单体的三元共聚物①原色为乳白或白色，不透明，燃烧缓慢，离火后继续燃烧，火焰呈黄色，黑烟，软化烧焦，溶于丙酮、苯、甲苯。②丙烯腈具有拉伸强度、热稳定性、化学稳定性，丁二烯具有韧性、抗冲击能力以及低温性能，苯乙烯具有良好的光泽性、刚性和加工性；调节三者之间比例，可调节高冲击型、中冲击型、通用型、特殊耐热型ABS。缺点：耐热性不够高，易老化，不耐燃不透明。③应力测试：95%以上醋酸浸泡30秒，无变形、裂纹、断裂。 2．：聚丙烯①原色为半透明腊色，易燃，离火燃烧，火焰上黄下蓝，有少量黑烟，熔融滴落，发出石油气味。②密度cm3，是密度最小的塑料之一，熔点
残余应力
残余应力 定义 构件在制造过程中，将受到来自各种工艺等因素的作用与影响；当这些因素消失之后，若构件所受到的上述作用与影响不能随之而完全消失，仍有部分作用与影响残留在构件内，则这种残留的作用与影响称为残留应力或残余应力。 残余应力是当物体没有外部因素作用时，在物体内部保持平衡而存在的应力。 凡是没有外部作用，物体内部保持自相平衡的应力，称为物体的固有应力，或称为初应力，亦称为内应力。 残余应力是一种固有应力。 残余应力的测试仪器 残余应力分析仪 其原理是基于著名的布拉格方程2dsinθ=nλ：即一定波长的X射线照射到晶体材料上，相邻两个原子面衍射时的X射线光程差正好是波长的整数倍。通过测量衍射角变化Δθ从而得到晶格间距变化Δd，根据胡克定律和弹性力学原理，计算出材料的残余应力。 应力方程 根据弹性力学理论, 在宏观各向同性晶体材料上角度υ和ψ（见图1）方向的应变可以用如下方程表述：
（图1） 正应力和剪切应力 应力分量συ和τυ为方向Sυ上正应力和剪切应力： 含剪切应力的应力方程和曲线 如果在垂直于试样表面上的平面上有剪应力存在（τ13≠0和/或 τ23≠0），则ευψ与sin2ψ的函数关系是一个椭圆曲线，在ψ> 0和ψ<0是图形显示为“ψ分叉”（见图3）。如果σ33不等于零, 则sin2ψ斜率与συ-σ33成正比。在这种情况下，方程（4a）变为： （图3） 残余应力测量方法 1.[1]盲孔法残余应力测量
它的原理是在平衡状态下的原始应力场上钻孔，以去除一部分具有应力的金属，而使圆孔附近部分金属内的应力得到松弛，钻孔破坏了原来的应力平衡状态而使应力重新分布，并呈现新的应力平衡，从而使圆孔附近的金属发生位移或应变，通过高灵敏度的应变仪，测量钻孔后的应变量，就可以计算原应力场的应力值。 残余应力检测仪主要采用盲孔法进行各种材料和结构的残余应力分析和研究，还可作为在静力强度研究中测量结构及材料任意点变形的应力分析仪器。如果配用相应的传感器，也可以测量力、压力、扭矩、位移和温度等物理量。它以计算机为中央微处理机，采用高精度测量放大器、数据采集和处理器，测量中无需调零，可直接测出残余应力值的大小及方向，实现了残余应力测量的自动化。 2.磁测法残余应力测量 HK21B型磁测法残余应力检测主要采用盲孔法进行各种材料和结构的 残余应力分析和研究，还可作为在静力强度研究中测量结构及材料任意点变形的应力分析仪器。如果配用相应的传感器，也可以测量力、压力、扭矩、位移和温度等物理量。它以计算机为中央微处理机，采用高精度测量放大器、数据采集和处理器，测量中无需调零，可直接测出残余应力值的大小及方向，实现了残余应力测量的自动化。 残余应力测试步骤 [2]ASM3.0测残余应力的步骤如下： 1、将应变花按应变计粘贴通用方法准确粘贴在试样测量点上焊好测量导线。粘贴前试样表面应打磨，但在打磨时不能破坏原有残余应力场。 2、连接应变仪。将工作片和补偿片分别连接在应变仪的端口上（也可以用待测的应变花作为补偿片），检查各应变片电阻。 3、安装钻具： 将带观察镜的钻具放在试样表面上，必要时开明灯，在观察镜里观察，初步对准应变花中心位置。 然后在钻具支腿与试样接触处滴胶水，胶水固化后拧紧钻具支腿上的锁帽，将钻具固定于试样表面。 再松开锁紧压调X 一Y 方向的四个调节螺钉3 （必须先松后紧），使观察镜的十字线中心在转动观观察时始终与应变花中心保持重合。 最后，锁紧压盖，应变仪重新调零。 4、钻孔： 取下观察镜，将专用端面铣刀的钻杆擦干净，滴上润滑油，（需用缝纫机油，不可使用一般机油），插入钻具的套筒内，用手轻轻转动，划去
薄膜应力测试方法
薄膜的残余应力 一、薄膜应力分析 图一、薄膜应变状态与应力 薄膜沉积在基体以后，薄膜处于应变状态，若以薄膜应力造成基体弯曲形变的方向来区分，可将应力分为拉应力(tensile stress)和压应力 (compressive stress)，如图一所示。拉应力是当膜受力向外伸张，基板向内压缩、膜表面下凹，薄膜因为有拉应力的作用，薄膜本身产生收缩的趋势，如果膜层的拉应力超过薄膜的弹性限度，则薄膜就会破裂甚至剥离基体而翘起。压应力则呈相反的状况，膜表面产生外凸的现象，在压应力的作用下，薄膜有向表面扩张的趋势。如果压应力到极限时，则会使薄膜向基板内侧卷曲，导致膜层起泡。数学上表示方法为拉应力—正号、亚应力—负号。 造成薄膜应力的主要来源有外应力 (external stress)、热应力 (thermal stress) 及內应力 (intrinsic stress)，其中，外应力是由外力作用施加于薄膜所引起的。热应力是因为基体与膜的热膨胀系数相差太大而引起，此情形发生于制备薄膜時基板的温度，冷卻至室温取出而产生。內应力则是薄膜本身与基体材料的特性引起的，主要取决于薄膜的微观结构和分子沉积缺陷等因素，所以薄膜彼此的界面及薄膜与基体边界之相互作用就相當重要，這完全控制于制备的参数与技术上，此为应力的主要成因。 二、薄膜应力测量方法
测量薄膜内应力的方法大致可分为机械法、干涉法和衍射法三大类。前两者为测量基体受应力作用后弯曲的程度，称为曲率法；后者为测量薄膜晶格常数的畸变。 （一）曲率法 假设薄膜应力均匀，即可以测量薄膜蒸镀前后基体弯曲量的差值，求得实际薄膜应力的估计值，其中膜应力与基体上测量位置的半径平方值、膜厚及泊松比(Poisson's ratio) 成反比；与基体杨氏模量 (Es，Young's modulus)、基体厚度的平方及蒸鍍前后基体曲率（1/R）的相对差值成正比。利用这些可测量得到的数值，可以求得薄膜残余应力的值。 1、悬臂梁法 薄膜沉积在基体上，基体受到薄膜应力的作用发生弯曲。当薄膜的应力为拉应力时，基体表面成为凹面，若为压应力，基板的表面变为凸面。于是可以将一基体的一端固定，另一端悬空，形成机械式悬臂梁，如图二所示。测量原理为将激光照在自由端上的一点，并在沉积薄膜后再以相同方法测量一次，得到反射光的偏移量，进而求得薄膜的残余应力。 图二、悬臂梁法示意图 2、牛顿环法 本法是利用基体在镀膜后，薄膜产生的弯曲面与一参考平面，产生干涉条纹的牛顿环，利用测量到的牛顿环间距与条纹数，推算基体的曲率半径R，其中R 与牛顿环直径之平方差成正比，并与波长的4倍、牛頓环条纹数的差成反比，將所求得的R帶入牛顿环应力公式，可求出残余应力值 (如图三)。 图三、牛頓环法示意图 3、干涉仪相位移式应力测量法
应力测量方法的历史
应力测试方法的概述 在几乎所有的机械设备中, 都有金属构件承受负载。这些构件内部应力的大小及其变化是造成失效( 如疲劳等) 的主要原因。金属构件内部应力的大小变化除了与其受力情况有关外, 还与其加工过程, 形变及周围的温度有关。为了维护、检查这些和延长使用寿命, 长期以来人们很关注应力的检测。应力的测量方法也很多, 如盲孔法、x 射线法、磁力法、超声方法等。由于超声波所固有的特性, 如穿透能力强、仪器设备简单、测量速度快、低成本等, 利用超声波无损测量材料表面和内部的应力状况的潜力是显而易见的。目前应力超声波测量的主要理论有: 1 声速与应力关系的Hu g h e s 和ke lly 理论 超声波测量应力方法是基于声弹性效应, 其理论基本假设为: ( 1 ) 固体连续性假设; ( 2 ) 声波的小扰动叠加在物体静态有限变形上; ( 3 ) 物体是超弹性的、均匀的; ( 4 ) 物体在变形中可视为等温或等熵过程。1949 年Hughes 利用超声波测量晶体的三阶弹性常数, 以此为基础, 随后超声波应力测量技术得到了较大的发展。1953 年Hughes 和Kelly 利用Lame 常数λ和μ, 以及Murnaghan 常数l 、m 和n提出了各向同性材料的声弹性理论表达式, 建立了超声波在材料中传播速度与应力之间的关系。 设固体不存在机械耗散过程，可得质点的运动方程为： （1） 式中 是固体的单位体积中的势能, η是拉格朗日坐标下的应变矩阵, ai, xk( i , k =1 , 2 , 3 ) 是拉格朗日坐标和位移坐标。这一方程是研究声波在固体中传播的基础。利用( 1 ) 式, Hughes 和kelly 从理论上研究了各向同性中的波速与附加静压力或常应力的关系, 这些关系也是后来人们测量固体应力的理论基础。 选自变量为拉格朗日变量a , b , c , 质点位移用u , v, w 把表示, 由力学定律方程( 1 ) 可以写成
塑料内应力检测方法和内应力消除方法的
塑料内应力检测方法和内应力消除方法的 文档编制序号：[KK8UY-LL9IO69-TTO6M3-MTOL89-FTT688]
塑料内应力检测方法和内应力消除方法的资料 最近公司产品客户投诉有不明原因的开裂现象，个人怀疑是内应力集中所致。以下资料中遗憾的是没有PP和PVC及PE塑料注射成形零件由于结构设计，模具设计和工艺的局限性，在注塑和冷却过程中总会同时伴有压力和拉力的产生，而较高的残余应力（表面拉力）将会导致零件过早失效。为了有效规避零部件产生这种失效，更合理的设计和工艺是必需的。同时，快速而有效的检测在研发和生产过程中可以帮助我们及时发现缺陷，并可避免问题的扩散。目前评估塑料注射成形零件表面及附近区域残余应力的方法之一是溶剂沉浸测试法。沉浸后，高应力集中区域会有相应的裂纹产生，以此我们就可以快速有效地对设计和工艺进行评估和改进。以下部分是主要树脂生产商GE和Bayer推荐的适合于各自主要产品的溶剂测试法。我们需要在供应商品质控制流程中加入该检测结果。GEP Lexan/Cycoloy系列塑料Lexan 系列（PC）：常用于手机镜片，导光板，机壳。Cycoloy系列（PC+ABS）：常用于手机机壳。对于用Lexan和Cycoloy系列塑料成形的零件，内应力的检查都可以采用以下方法：1．醋酸沉浸法：（1）将零件完全浸入24摄氏度的冰醋酸中30秒；（2）取出后立即清洗，后晾干检查表面；（3）仔细观察外观，若有细小致密的裂纹，说明此处有应力存在，裂纹越多，应力越大;（4）重复上述操作，在冰醋酸中浸2分钟，再检查零件，若有深入塑料的裂纹，说明此处有很高的内应力，裂纹越严重，内应力越大。2．甲乙酮 + 丙酮沉浸法：将零件完全浸入21摄氏度的1：1的甲乙酮 + 丙酮的混合液中，取出后立即甩干，依上法检查，有应力的零件应在60-75摄氏度下加热2-4小时以清除应力，也可在25%的丙酮中浸
残余应力检测
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。但由于时效时间过长，一般不采用。 ②热时效 热时效是传统的时效方法，利用热处理中的退火技术，将工件加热到500～650℃进行较长时间的保温后再缓慢冷却至室温。在热作用下通过原子扩散及塑性变形使内应力消除。从理论上讲采用热时效，只要退火温度和时间适宜，应力
残余应力测定方法(精)
第二章残余应力测定方法 残余应力的测定方法大致可分为机械测量法和物理测量法两类。 物理测量法包括X射线法、磁性法、和超声波法等。它们分别利用晶体的X射线衍射现象.材料在应力作用下的磁性变化和超声效应来求得残余应力的量值。它们是无损的测量方法。其中X射线法使用较多，比较成熟，被认为是物理测量法中较为精确的一种测量方法。磁弹性法和超声波法均是新方法，尚不成熟，但普遍地认为是有发展前途的两种测试方法。物理法的测试设备复杂.昂贵.精度不高。特别是应用于现场实测时，都有一定的局限性和困难。 机械方法包括切割法、套环法和钻孔法（下面主要介绍）等，它是把被测点的应力给予释放，并采用电阻应变计测量技术测出释放应变而计算出原有残余应力。残余应力的释放方法是通过机械切割分离或钻一盲孔等方法，因此它是一种破坏性或半破坏性的测量方法，但它具有简单、准确等特点。 从两类方法的测试功能来说，机械方法以测试宏观残余应力为目的，而物理方法则测试宏观应力与微观应力的综合值。因此两种方法测试的结果一般来说是有区别的。 一、分离法测量残余应力 切割法和套环法都是将被测点与其邻近部分分开以释放残余应力，因此统称分离法。它是测量残余应力的一种最简单的方法，多用于测量表面残余应力或沿厚度方向应力变化较小的构件上的残余应力。 （一）、切割法：在欲测部位划线：划出20mm×20mm的方格将测点围在正中。在方格内一定方向上贴应变计和应变花，再将应变计与应变仪相连，通电调平。然后用铣床或手锯慢速切割方格线，使被测点与周围部分分离开。切割后，再测应变计得到的释放应变。它与构件原有应变量值相同、符号相反，因此计算应力时，应将所得值乘以负号。 释放后的残余应力计算方法如下： 1、如果已知构件的残余应力为单向应力状态，只要在主应力方向贴一个应变片（如图3.1）即可。分割后得释放应变ε，由虎克定律可知其残余应力为：σ=-Eε（1） 2、如果构件上残余应力方向已知，则在测点处沿主应力方向粘贴两个应变片1和2（如图3.2所示）。分割构件后测出ε1和ε2，计算残余主应力为： 3、如图被测点残余主应力方向未知，则需贴三向应变花（如图3.3所示）。连接应变仪调平后，沿虚线切割开，观察应变仪，直到切割处温度下降到常温时，测出再按（3）公式计算出主应力及其方向来。 （二）、套环法：在一些大型构件上，切割法有时难于进行，这时可采用套环法进行分离。其原理及贴片
残余应力测量钻孔应变释放法-钢铁标准网
《金属材料残余应力测定钻孔应变法》 国家标准编制说明 1、工作简况 1.1 任务来源 根据全国钢标准化技术委员会《钢标委 [2011]29号文件》“关于转发国家标准化管理委员会2011年第二批国家标准制修订项目计划的通知”所下达的国家标准修订计划，《金属材料残余应力测定钻孔应变法》标准列入国家标准修订计划，计划编号为20111035-T-605。该标准由武汉钢铁（集团）公司、中国科学院金属研究所和上海出入境检验检疫局、武汉理工大学、武昌造船厂等单位共同负责起草。 2.2 起草过程 残余应力的存在往往对构件（特别是焊接产品）的使用带来重大影响，如加速疲劳断裂，促进应力腐蚀开裂等，了解残余应力大小和分布的主要方法就是应力的测定。可以把现有的残余应力测量方法分成三大类： 无损的物性法这一类方法利用材料在应力作用下物理性能发生变化的特点来测定残余应力。例如X 射线衍射法和中子衍射法利用材料的晶格常数在应力作用下发生变化形成不同的衍射峰来测定残余应力；磁性法利用材料在应力诱导下产生磁致伸缩效应或Baukhausen噪声来测定残余应力。这类方法的特点是非破坏性和对材料组织结构的过分依赖。 破坏或半破坏性的应力释放法利用切割或钻（套）孔使构件中的残余应力得到全部或部分释放，根据释放应变和释放方法求出相应的残余应力大小。此类方法多数利用电阻应变片作为测量敏感元件，测定精度较高。例如全释放应变法将构件彻底切割破坏，使应力得以全部释放，对于应力梯度不大的情况，可以获得十分精确的结果；盲孔法属于半破坏性方法，它要在构件表面钻一盲孔（一般Φ1.5?2.0mm），在工程上应用较广。这类方法的特点是破坏性和不受材料组织结构控制，对大应力梯度场的测量有误差。 无损的（压痕）应力叠加法此类方法和应力释放法相反，采用特定压头压入材料表面，通过压痕获得附加应力场，再根据附加应力场诱导的位移场变化信息来获得残余应力，包括硬度法、纳米压痕法和压痕应变法。但硬度法和纳米压痕法目前只能定性测量，而压痕应变法是其中最具现场应用价值的方法，该方法的特点是非破坏性、方便性和准确性。 小孔法是德国人Mather于1934年最早提出的，此后，特别是五十年代以后，许多国家的研究者对此进行了大量的研究。到目前为止，小孔法已在美国、欧洲等许多国家采用，在我国也有许多生产和研究单位采用。美国ASTM于1981年正式颁布了E837-81标准《小孔法测量残余应力标准试
塑料应力测试方法及判定标准
三：常用塑料： 1. PA、PVC、PMMA、PC、POM、PE、PP、ABS、PS、EVA以及一些混合物。 2. 常用塑料特征、性能： 2．1.PA（尼龙）：8026上盖、532支撑体、049D内芯等。 ①原色为乳白、微褐，燃烧缓慢，离火后慢熄，火焰呈上黄下蓝，熔融滴落，起泡，有特殊的羊皮或指甲烧焦气味。 ②较好的物理、机械性能， ③应力测试：正丙烷、乙无开裂、裂纹。 2．2.PVC：聚氯乙烯 ①原色为无色透明，难燃离火即灭，火焰上黄下绿，白烟，燃烧变软有刺激性酸味。紫外线下，使PVC产生浅蓝、紫白的莹光。软的PVC发蓝或蓝白的荧光。②根据增剂的不同分为硬质和软质，硬质PVC采用分子量小的树脂，不含5%的曾剂，机械强度好，耐腐蚀、耐阳光、耐燃烧，软质PVC采用分子量较大的树脂，加入30%-70%增剂制成柔韧性好，抗化学药品性强。 2．3.PMMA：有机玻璃、压克力①原色为无色透明、易燃、离火后继续燃烧，火焰上黄下浅蓝，熔融滴落，加热到120°C可自由弯曲，不自浊，冒出特有的压克力臭，易熔于丙酮、苯。②高透明性耐光折射率高，用丙酮、氯仿等溶剂自体粘结，制品成型收缩率0.1-0.8%，料粒的吸湿性可导致制品起泡。③应力测试：乙醇或异丙醇，十秒无开裂、裂痕。
2．4.POM：聚甲醛 ①原色为浅黄或白色，慢燃，离火后继续燃烧，火焰上黄下蓝，熔融滴落，强烈鱼腥臭。 ②较强机械性能，缺点不耐酸，强碱和不耐日光紫外线的辐射，长期在大气中暴晒会老化，粘合性差。 ③应力测试：12-18%盐酸溶液浸泡2H，无变形、裂纹。 2．5.PE：聚乙烯①原色为半透明——腊色，易燃，火焰上黄下蓝，边熔边滴落，有石腊气味，常温下不熔于溶剂，加热时可溶于丙酮、苯、甲醛。②根据加工方法，可分为高密度PE和低密度PE 高密度PE为半透明腊状固体，质地坚韧，不透水性，耐磨性，抗化学药品性较好。缺点：受热后因应力消失而发生尺寸减少，柔韧性、耐剧冷热差。低密度PE为无色无味无毒的固体，低温仍能保持柔曲特性，抗水性，化学稳定性较强。③应力测试：硬脂酸钠或肥皂水，无变形、裂纹、断裂。 2．6.ABS：丙烯腈、丁乙烯和苯乙烯三种单体的三元共聚物①原色为乳白或白色，不透明，燃烧缓慢，离火后继续燃烧，火焰呈黄色，黑烟，软化烧焦，溶于丙酮、苯、甲苯。 ②丙烯腈具有拉伸强度、热稳定性、化学稳定性，丁二烯具有韧性、抗冲击能力以及低温性能，苯乙烯具有良好的光泽性、刚性和加工性；调节三者之间比例，可调节高冲击型、中冲击型、通用型、特殊耐热型ABS。缺点：耐热性不够高，易老化，不耐燃不透明。③应力测试：95%以上醋酸浸泡30秒，无变形、裂纹、断裂。 2．7.PP：聚丙烯①原色为半透明腊色，易燃，离火燃烧，火焰上黄下蓝，有少量黑烟，熔融滴落，发出石油气味。②密度0.9m/cm3，是密度最小的塑料之一，熔
X射线应力测定方法
§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。在上述两种取向之间的同一{hkl)晶面间距将随y 角的不同而不同。即是说，随晶粒取向的不同，将从0度连续变到90度，而面间距的改变将从某一负值连续变到某一正值。应力越大，?d的变化越快。 为求出σφ的大小，显然，只要测出ψ=90o时的?d就能通过胡克定律 σ =E?ε =E(hkl)?(?d/d0)计算出来。然而，由于ψ=90o时的X衍射线方向无法直接测到（衍射线指向样品内部），因此可以考虑其它角度时的?d变化情况（如下图所示）。 显然，只要知道了y-?d的变化规律，可以得到ψ=90o时的?d值，从而计算出σφ的数值。下面从力学角度建立y-?d的关联性。