第七章 宏观应力的测定

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。与sⅢr相关的内力或内力矩在小范围（一个晶粒的足够大的部分）是平衡的。当这种平衡破坏时，不会产生尺寸的变化。

在上述定义中，所谓“均匀”意味着在大小和方向上是一定的。

图7-1单相多晶体材料中三类内应力分布示意图

第Ⅰ类内应力可理解为存在于各个晶粒的、数值不等的内应力在很多晶粒范围内的平均值，是较大体积宏观变形不协调的结果。因此，按照连续力学的观点，第Ⅰ类内应力可以看作与外载应力等效的应力。

第Ⅱ类内应力相当于各个晶粒尺度范围（或晶粒区域）的内应力的平均值。它们可归结为各个晶粒或晶粒区域之间变形的不协调性。

第Ⅲ类内应力是局部存在的内应力围绕着各个晶粒的第Ⅱ类内应力值的波动。对晶体材料而言，它与晶格畸变和位错组态相联系。

图中sⅠr是跨越了相当大的材料区域并与相组分无关的第一类内应力，即残余应力。

sⅡr,A和sⅡr,B分别是A相和B相的各个晶粒中的第Ⅱ类内应力。它们相当于A相与B相中的第Ⅱ类内应力sⅢr,A与sⅢr,B在各个晶粒（或晶粒区域）尺度范围的平均值。

图7-2双相材料中各类应力的示意图

用机械方法可以测得试件某一区域第Ⅰ类内应力的大小。

采用X射线衍射方法测量时，测得的是X射线束照射体积内相A和相B特有的平均内应力sr,A和sr,B。它们的数值第Ⅰ类内应力sⅠr与在X射线束照射体积内参与衍射的那些晶粒中的第Ⅱ类内应力平均值和。即：

第一类内应力为宏观内应力，表现为使X衍射线位移；它在宏观体积内存在并平衡,它的释放将使宏观尺寸产生变化。

第二类内应力，主要表现在使衍射线宽化，有的也产生衍射线位移。它在一些晶粒范围内存在并平衡。它的释放也将引起宏观尺寸的变化。

笫三类内应力，主要影响衍射强度。它在原子范围内平衡存在，如晶体缺陷周围的应力场。

这三种应力中有关第Ⅰ类内应力（宏观应力）的测量技术最为完善，它们对材料性能的影响也研究得最为透彻。一般提到（残余）应力时，只要不特别说明，均是指第Ⅰ类（宏观）内应力。它与疲劳强度、抗应力腐蚀及尺寸稳定性密切相关，从而影响其使用寿命。测定残余应力对于控制加工工艺及质量有重要实际意义。

英、美文献中常把第Ⅰ类内应力称为“宏观应力”(Macrostress)，而把第Ⅱ类和第Ⅲ类内应力称为“微观应力”（Microstress）。

在我国，工程上通常所说的残余应力就是第Ⅰ类内应力。我国科技文献中把第Ⅱ类内应力称为“微观应力、微观结构应力”，而第Ⅲ类内应力的名称尚未统一，可称为“晶格畸变应力”、“超微观应力”、“晶内亚结构应力”等。

由于工程上所有重要的生产方法、加工工艺甚至装配过程等都会在材料或机件内部产生独特的残余应力状态，所以工程界也习惯于以产生残余应力的工艺过程来归类和命名。

例如：铸造残余应力、焊接残余应力、热处理残余应力、磨削残余应力、喷九残余应力等。这些名称一般情况下也是指第Ⅰ类内应力。

第三节残余应力

3.1 残余应力的分类

3.2 残余应力的产生原因

（一）宏观残余成力

（1）不均匀塑性变形产生的残余应力

这是构件在加工过程中最常出现的残余应力。当施加外载时，若构件的一部分区域发生不均匀塑性变形，则在卸载后，该部分就产生残余应力；同时，由于残余应力必需在整个构件内达到自相平衡，致使构件中不发生塑性变形的哪一部分区域也产生残余应力。

（2）热影响产生的残余应力

构件在热加工过程中常出现这种残余应力，这种残余应力是由于构件在热加工中的不均匀塑性交形与不均匀的体积变化而产生的。

热影响产生的不均匀塑性变形（热应力）

当构件在加热、冷却过程中由于高温下材科的屈服强度较低，在热的作用下，易于产生塑性变形。并且由于构件的几何形状复杂等等因素，在加热、冷却过程中构件各部分的热传导状态不同，构件的温度场不均匀，致使构件内各部分的弹性模量、热膨胀系数等等各不相同，从而构件内部所产生的塑性变形也是不均匀的。

l 相变或沉淀析出引起的体积变化（相变应力）

冷却时构件各部分的瞬时冷却程度不均匀，冷却速度也不同，因而各部分的瞬时相变程度不均匀，即有的部位相变已完全结束，而有的部位相变尚未开始，从而引起构件各部分的体积变化不均匀。钢材淬火时，一方面由于钢件内各部分不均匀膨胀而产生热应力，当平衡温度消除热应力之后，钢件内因残留永久不均匀的塑性变形与体积变形而产生残余应力；另一方面还伴有相变应力作用的情况，随着相变而引起的相变区域的体积变化，往往比热应力引起的体积变化为大，由此不均匀体积