第6章宏观残余应力的测定课件.ppt

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1、1,第一篇 材料X射线衍射分析,第一章 X射线物理学基础第二章 X射线衍射方向第三章 X射线衍射强度第四章 多晶体分析方法第五章 物相分析及点阵参数精确测定第六章 宏观残余应力的测定第七章 多晶体织构的测定,2,第六章 残余应力的测定,本章主要内容第一节 物体内应力的产生与分类第二节 X射线残余应力测定的基本原理第三节 宏观应力测定方法第四节 X射线宏观应力测定中的一些问题,3,残余应力是一种内应力内应力指产生应力的各种因素不复存在时，由于形变、体积变化不均匀而残留在构件内部并自身保持平衡的应力产生应力的各种因素不复存在指，外加载荷去除、加工完成、温度已均匀、相变过程中止等目前公认的内应力分类

2、方法是由德国的E.马克劳赫于1979年提出的，将内应力按其平衡的范围分为三类，即第类内应力、第类内应力和第类内应力,第一节 物体内应力的产生与分类,4,一、内应力的分类1)第类内应力()指在物体宏观体积内存在并平衡的内应力。当其被释放后，物体的宏观体积或形状将会变化2)第类内应力()指在数个晶粒范围内存在并平衡的内应力。这种平衡被破坏时也会出现尺寸变化3)第类内应力()指在若干个原子范围内存在并平衡的内应力。如各种晶体缺陷(空位、间隙原子、位错等)，这种平衡被破坏时不会产生尺寸的变化,第一节 物体内应力的产生与分类,5,二、内应力的分布 如图6-1所示，第类内应力是存在于各个晶粒的内应力在很多

3、晶粒范围内的平均值，是较大体积宏观变形不协调的 结果 第类内应力是晶粒尺度范围内 应力的平均值，为各个晶粒或晶 粒区域之间变形不协调的结果 第类内应力是晶粒内局部内应 力相对第类内应力值的波动，它与晶体缺陷形成的应变场有关,图6-1 内应力分布示意图,第一节 物体内应力的产生与分类,6,三、内应力的衍射效应1)第类内应力又称宏观应力或残余应力，其衍射效应使衍射线位移2)第类内应力又称微观应力。其衍射效应主要引起衍射线线形变化3)第类内应力又称晶格畸变应力或超微观应力等，名称尚未同一，其衍射效应使衍射强度降低4)第类内应力是十分重要的中间环节，通过它才能将第类内应力和第类内应力联系起来，构成一个

4、完整的内应力系统,第一节 物体内应力的产生与分类,7,四、内应力的产生1)宏观应力 图6-2是产生宏观应力的实例，框架和中间梁在焊接前无 应力；梁的两端焊接在 框架上后，中间梁受拉 应力，两侧框架受压应 力，上下梁受弯曲应力 可见，残余应力是材料 内部宏观区域内平衡均 匀分布的应力,图6-2 宏观应力的产生 a)焊接前 b)焊接后,第一节 物体内应力的产生与分类,8,四、内应力的产生2)微观应力 由图6-3可示意说明了第类内应力的产生。在单向拉伸载荷作用下，由于A晶粒处于易滑移取向，当载荷超过临界切应力时将发生塑性变形；而B晶粒仅发生弹性变形。载荷去除后，B 晶粒变形要恢复，而A晶粒仅部分恢复

5、，使B晶粒受拉应力，晶粒A 受压应力，而形成晶粒间相互平衡的应力,图6-3 第类内应力的产生,第一节 物体内应力的产生与分类,9,五、内应力的检测 残余应力是一种弹性应力，它与构件的疲劳性能、耐应力腐蚀能力和尺寸稳定性等密切相关，残余应力检测对于工艺控制、失效分析等具有重要意义，主要方法有1)应力松弛法 即用钻孔、开槽或薄层等方法使应力松驰，用电阻应变片测量变形以计算残余应力，属于破坏性测试2)无损法 即用应力敏感性的方法，如超声、磁性、中子衍射、X射线衍射等。3)X射线衍射法 属于无损法，具有快速、准确可靠、测量区域小等优点，且能区分和测定三种不同的类别的内应力,第一节 物体内应力的产生与分

6、类,10,一、基本原理 用X射线衍射法测定残余应力，首先测定应变，再借助材料的弹性特征参量确定应力对于理想的多晶体，在无应力状态下，不同方位的同族晶面间距相等；当承受一定宏观应力 时，同族晶面间距随晶面 方位及应力大小发生有 规律的变化，如图6-4所 示，随晶面法线相对于 试样表面法线的夹角 增大，晶面间距d 增大,第二节 X射线宏观应力测定的基本原理,图6-4 应力与不同方位同族晶面间距的关系,11,一、基本原理 沿方位方位，某晶面间距d 相对于无应力(d0)时的变化(d-d0)/d0=d/d0，反映了由应力引起的晶面法线方向的弹性应变=d/d0显然，晶面间距随方位的变化率与作用应力之间存在

7、一定的函数关系因此，建立待测残余应力 与空间某方位上的应变 之间的关系，是解决应力测量的问题的关键物体自由表面的法线方向应力为零，当物体内应力沿垂直于表面方向的变化梯度极小，而 X射线穿透深度又很小，测量区域近似满足平面应力状态,第二节 X射线宏观应力测定的基本原理,12,二、测定宏观应力的坐标系 在平面应力状态下，建立坐标系如图6-5。图中O-XYZ是主应力坐标系，为主应力(1,2,3)和主应变(1,2,3)方向；O-xyz为待测应力(x)及y 和z 的方向；3和z与试样法线ON平 行；是 与1间的夹角 ON与 决定的平面称测量方向 平面，是此平面上某方向的应 变，它与ON间夹角称为方位角

8、即 是衍射晶面法线ON与试样表 面法线ON间的夹角,图6-5 测定宏观应力的坐标系,第二节 X射线宏观应力测定的基本原理,13,三、应力测定公式 根据弹性力学原理，对于一个连续、均质、各向同性的物体，在平面应力状态下，z=0，z=3，按图6-5所示的坐标系，可以导出任一方向ON的应变为(6-7)将 对sin2 求导(6-8)即(6-9)式(6-9)中，E为弹性模量，为泊松比；表明在平面应力状态下，与sin2 呈线性关系,第二节 X射线宏观应力测定的基本原理,14,四、应力常数K 由布拉格方程的微分式，d/d=-cot0，为常数时，0 为无应力是的衍射角，=(2-20)/2，则=-(2-20)c

9、ot0/2，对sin2 求导，并代入式(6-9)可得更实用的公式，式(6-9)中变换为衍射角的形式，即(6-11)再将2 的单位由“弧度”换成“度”，则有(6-12),第二节 X射线宏观应力测定的基本原理,15,四、应力常数K 式(6-12)表明，在平面应力状态下，2 随 sin2 呈线性关系，见图6-6。令式(6-12)中(6-13a)(6-13b)则(6-13c)K称应力常数，它决定于待测材料 的弹性性质及所选衍射晶面的衍射 角(由晶面间距 d 和波长 决定),图6-6 2-sin2 线性关系,K,M=,第二节 X射线宏观应力测定的基本原理,16,四、应力常数K M 是2-sin2 直线的

10、斜率。由于 K 是负值，若当M 0时，应力为负，即压应力；当M 0时，应力为正，即拉应力若 2-sin2 关系失去线性，说明材料偏离平面应力状态，三种非平面应力状态 的影响见图6-7 在样品测试范围存在 应力梯度、存在三维 应力状态或存在织构 等情况下，需采用特 殊的方法测算其残余 应力,图6-7 非线性2-sin2 关系a)存在应力梯度 b)存在三维应力 c)存在织构,第二节 X射线宏观应力测定的基本原理,17,四、应力常数K表中给出了几种材料的应力测试数据，供参考,几种材料的应力测试数据,第二节 X射线宏观应力测定的基本原理,18,由前述的测定原理可知，欲测定试样表面某确定方向的残余应力=

11、KM，需按如下步骤进行1)在测定方向平面内至少测出两个不同方位的衍射角2 2)求出2-sin2直线的斜率M3)根据测试条件取应力常数K4)将M和K代入式(6-13)计算残余应力要确定和改变衍射晶面的方位，需利用某种衍射几何方式实现。目前残余应力多在衍射仪或应力仪上测量，常用的衍射几何方式有两种，同倾法和侧倾法,第三节 宏观应力测定方法,19,一、同倾法 同倾法的衍射几何特点是测量方向平面和扫描平面相重合，如图6-8a所示。测量方向平面是 ON、x 所在的平面；扫描平面是入射线、衍射晶面法线(ON、方向)和衍射线所在平面。同倾法确定 的方式有两种,图6-8 同倾法(a)和侧倾法(b)衍射几何特点

12、,第三节 宏观应力测定方法,20,一、同倾法1)固定 法 当ON与ON重合时，即=0，计数管和试样以2:1的角速度转动，此时衍射晶面与试样表面平行，见图6-9a；样品绕衍射仪轴转动角，ON与ON间夹角为，见图7-9b 通过衍射几何条件设置直接 确定和改变衍射面方位 的 方法称固定 法 此法适用于较小尺寸的试样 在衍射仪上测定其宏观残余 应力,图6-9 固定 法 a)=0 b)=45,第三节 宏观应力测定方法,21,一、同倾法2)固定0 法 0 是入射线与试样表面法线ON间的夹角。固定0法待测试样不动，通过改变X射线的入射方向获得不同的 方位，如 图6-10所示 按图中所示的衍射几何条 件，由0

13、和 计算=0+(90-)此法适用于机械零件或大 型构件，多在专用的应力 测定仪上使用,图6-10 固定0 法 a)0=0 b)0=45,第三节 宏观应力测定方法,22,一、同倾法3)晶面方位角 的选取 同倾法(固定 或0)选取晶面方位角的方式有两种a.0-45法(两点法)或0 选取0和45进行测定，由两个数 据求2-sin2直线的斜率M此法适用于已知2-sin2具有良好的线性关系或对测量精度要求不高的场合对于固定 的0-45法，sin2=sin2 45-sin2 0=0.5，则应力计算公式简化为=2K2,第三节 宏观应力测定方法,23,一、同倾法3)晶面方位角 的选取b.sin2法 2 测量必

14、然存在偶然误差，故两点法会影响测 量精度。为此取几个(n4)方位测量，再用作图法或最小 二乘法求出2-sin2直线的最佳斜率M，根据式(6-13b)得到直线方程 2 i=2=0+Msin2i(6-15)斜率M 满足偏差 vi 最小(见图6-11)，按最小二乘法原则，其M值为(6-17),第三节 宏观应力测定方法,24,一、同倾法3)晶面方位角 的选取 目前，sin2 法中4个方位角i和0i按如下方法选取，固定 法i常取0、25、35、45；固定0法可根据0值估算 合适的0i 用计算机处理数据，可以取更多 的测点，以提高M的精度,图6-11 确定2-sin2 直线最佳斜率,第三节 宏观应力测定方

15、法,25,二、侧倾法 同倾法中，或0 的变化受 的限制，的变化范围为0(见图6-9)；0的变化范围为0(2-90)(见图6-9)由于测定衍射峰的全形需一定的扫描范围，且计数管无法接收到平行于试样表面的衍射线。当工件形状复杂，如需测定 转角处的切向应 力，方位角的变 化将受到工件形 状的限制，见图 6-12。由此而产 生侧倾法,图6-12 工件转角处的应力测定,第三节 宏观应力测定方法,26,二、侧倾法 与同倾法相比(比较图6-8a和b)，侧倾法具有如下特点侧倾法的测量方向平面与扫描平面垂直 角的变化不受衍射角的限制，只决定于待测试件的空间形状。对于平面试样，的变化范围理论上接近90侧倾法确定

16、方位的方式属于固定 法选取方位角的方式仍可采用两点法和sin2 侧倾法具有可测量复杂形状工件表面残余应力、且测量精度高等优点。在专用的X射线应力仪上普遍配备了用于大型复杂工件或构件应力测定的侧倾装置,第三节 宏观应力测定方法,27,二、侧倾法 如图6-13所示，侧倾 装置有两个轴，试样架可 绕水平轴转动，以实现方 位角 改变；试样架与计 数管绕垂直轴(衍射仪轴)作-2 联动扫描，以测 定衍射角,图6-13 侧倾装置示意图,第三节 宏观应力测定方法,28,二、侧倾法 例：用侧倾法的sin2 法测定碳/铝复合丝覆铝层轴向应力的数据列于表6-1，用CuK辐射，测定铝422面将表中数据代入式(6-17

17、)，得M=-0.3752，M 代入式(6-13c)得，=KM=65.2 MPa。K的确定将在后面介绍,表6-1 sin2法应力测定数据,第三节 宏观应力测定方法,29,一、定峰法 宏观应力的测定精度取决于2 角准确测量，相邻 方位的2 变化仅在0.1甚至是0.01的数量级。峰位的准确测量可采用以下定峰法(一)半高宽及1/8高宽法 若 K1和K2线重合，采用半高宽法定峰，图6-14a；若K1和K2 线分离，用K1线1/8 高宽定峰，图6-14b 此法适用于峰形较为 明锐的情况,图6-14 峰宽定峰a)半高宽法 b)1/8高宽法,第四节 X射线宏观应力测定中的一些问题,30,一、定峰法(二)抛物线

18、法 当峰形较漫散时，半高宽法容易引起较大误差，可用抛物线法定峰，如图6-15所示。即将峰顶部位假定为抛物线，设抛物线方程为，I=a0+a1(2)+a2(2)2(6-18)式中I为对应2 的强度；a0、a1、a2为常数。强度 最大值IP对应的衍射角 2P应满足dI/d(2)=0，即 a1+2a2(2P)=0，得 2P=-a1/2a2(6-19)2P即为峰位,图6-15 抛物线定峰a)三点抛物线法 b)抛物线拟合法,第四节 X射线宏观应力测定中的一些问题,31,第四节 X射线宏观应力测定中的一些问题,四、定峰法(二)抛物线法1)三点抛物线法 如图6-15a，在强度大于 85%IP 的峰顶处取三点，

19、且使二个2 相等，将测试值I1、I2、I3及对应2 代入式(6-18)，得(6-20)求解常数a1、a2，再代入式(6-19)，求得其峰位2P为(6-21),32,第四节 X射线宏观应力测定中的一些问题,一、定峰法(二)抛物线法2)抛物线拟合法 为提高定峰精度，可取多点(n5)，用曲线拟合法确定峰位，如图6-15b。设各点 2i 处的强度最佳值为Ii，满足式(6-18)，若强度实测值为Ii，各点实测值与最佳值只差vi的平方和为按最小二乘法原则，求解常数a1、a2，代入式(6-19)，可求得其峰位2P为,33,一、定峰法(二)抛物线法3)强度修正 用抛物线法定峰时，需长时间定时计数或大计数定数计

20、数，以获取准确的强度值，且还需用下式进行修正 I=I/LPA(同倾法)I=I/LP(侧倾法)式中，I为修正后的强度值；I为实测值；LP为角因数；A为吸收因子(A=1-tan cos),第四节 X射线宏观应力测定中的一些问题,(6-23),34,二、应力常数 K 的确定 晶体具有各向异性，用某确定的晶面应变计算弹性应力时，需测定选用晶面的弹性性质。方法如下：用与被测材料相同的板材制成无残余应力的等强梁，将等强梁在衍射仪或应力仪上施加已知且可改变的单向拉伸应力。在单向拉伸条件下，根据式(6-8)有(6-24)M 是 随sin2 变化的斜率，即(6-25)式(6-25)表明，M 随 也呈线性变化，见

21、图6-16,第四节 X射线宏观应力测定中的一些问题,35,二、应力常数 K 的确定 将式(6-25)对求导(6-26)对等强梁上施加不同 应力，在测量方向平 面内测定不同方位的 应变，代入以上3式,可计算出X射线弹性 常数,图6-16 X射线弹性常数的测定a)不同应力下-sin2 关系 b)M-关系,第四节 X射线宏观应力测定中的一些问题,36,二、应力常数K的确定 在单向拉伸条件下，根据式(6-7)有(6-27)当=0时，(6-28)=0 与 也呈线性关系，见图6-17，斜率S1称弹性常数(6-29)由对应hkl晶面的弹性常数，X射线 波长及hkl晶面无应力时的衍射角 0，可计算应力常数 K

22、,图6-17=0-直线图,第四节 X射线宏观应力测定中的一些问题,历史岳麓版第13课交通与通讯的变化资料,精品课件欢迎使用,自读教材填要点,一、铁路，更多的铁路 1地位 铁路是 建设的重点，便于国计民生，成为国民经济发展的动脉。2出现 1881年，中国自建的第一条铁路唐山 至胥各庄铁路建成通车。1888年，宫廷专用铁路落成。,交通运输,开平,3发展(1)原因：甲午战争以后列强激烈争夺在华铁路的。修路成为中国人 的强烈愿望。(2)成果：1909年 建成通车；民国以后，各条商路修筑权收归国有。4制约因素 政潮迭起，军阀混战，社会经济凋敝，铁路建设始终未入正轨。,修筑权,救亡图存,京张铁路,二、水运

23、与航空 1水运(1)1872年,正式成立，标志着中国新式航运业的诞生。(2)1900年前后，民间兴办的各种轮船航运公司近百家，几乎都是在列强排挤中艰难求生。2航空(1)起步：1918年，附设在福建马尾造船厂的海军飞机工程处开始研制。(2)发展：1918年，北洋政府在交通部下设“”；此后十年间，航空事业获得较快发展。,轮船招商局,水上飞机,筹办航空事宜,处,三、从驿传到邮政 1邮政(1)初办邮政：1896年成立“大清邮政局”，此后又设，邮传正式脱离海关。(2)进一步发展：1913年，北洋政府宣布裁撤全部驿站；1920年，中国首次参加。,邮传部,万国邮联大会,2电讯(1)开端：1877年，福建巡抚

24、在 架设第一条电报线，成为中国自办电报的开端。(2)特点：进程曲折，发展缓慢，直到20世纪30年代情况才发生变化。3交通通讯变化的影响(1)新式交通促进了经济发展，改变了人们的通讯手段和，转变了人们的思想观念。(2)交通近代化使中国同世界的联系大大增强，使异地传输更为便捷。(3)促进了中国的经济与社会发展，也使人们的生活。,台湾,出行,方式,多姿多彩,合作探究提认知,电视剧闯关东讲述了济南章丘朱家峪人朱开山一家，从清末到九一八事变爆发闯关东的前尘往事。下图是朱开山一家从山东辗转逃亡到东北途中可能用到的四种交通工具。,依据材料概括晚清中国交通方式的特点，并分析其成因。提示：特点：新旧交通工具并存

25、(或：传统的帆船、独轮车，近代的小火轮、火车同时使用)。原因：近代西方列强的侵略加剧了中国的贫困，阻碍社会发展；西方工业文明的冲击与示范；中国民族工业的兴起与发展；政府及各阶层人士的提倡与推动。,串点成面握全局,一、近代交通业发展的原因、特点及影响 1原因(1)先进的中国人为救国救民，积极兴办近代交通业，促进中国社会发展。(2)列强侵华的需要。为扩大在华利益，加强控制、镇压中国人民的反抗，控制和操纵中国交通建设。(3)工业革命的成果传入中国，为近代交通业的发展提供了物质条件。,2特点(1)近代中国交通业逐渐开始近代化的进程，铁路、水运和航空都获得了一定程度的发展。(2)近代中国交通业受到西方列

26、强的控制和操纵。(3)地域之间的发展不平衡。3影响(1)积极影响：促进了经济发展，改变了人们的出行方式，一定程度上转变了人们的思想观念；加强了中国与世界各地的联系，丰富了人们的生活。(2)消极影响：有利于西方列强的政治侵略和经济掠夺。,1李鸿章1872年在上海创办轮船招商局，“前10年盈和，成为长江上重要商局，招商局和英商太古、怡和三家呈鼎立之势”。这说明该企业的创办()A打破了外商对中国航运业的垄断B阻止了外国对中国的经济侵略C标志着中国近代化的起步D使李鸿章转变为民族资本家,解析：李鸿章是地主阶级的代表，并未转化为民族资本家；洋务运动标志着中国近代化的开端，但不是具体以某个企业的创办为标志

27、；洋务运动中民用企业的创办在一定程度上抵制了列强的经济侵略，但是并未能阻止其侵略。故B、C、D三项表述都有错误。答案：A,二、近代以来交通、通讯工具的进步对人们社会生活的影响(1)交通工具和交通事业的发展，不仅推动各地经济文化交流和发展，而且也促进信息的传播，开阔人们的视野，加快生活的节奏，对人们的社会生活产生了深刻影响。(2)通讯工具的变迁和电讯事业的发展，使信息的传递变得快捷简便，深刻地改变着人们的思想观念，影响着人们的社会生活。,2清朝黄遵宪曾作诗曰：“钟声一及时，顷刻不少留。虽有万钧柁，动如绕指柔。”这是在描写()A电话 B汽车C电报 D火车解析：从“万钧柁”“动如绕指柔”可推断为火车

28、。答案：D,典题例析,例1上海世博会曾吸引了大批海内外人士利用各种交通工具前往参观。然而在19世纪七十年代，江苏沿江居民到上海，最有可能乘坐的交通工具是()A江南制造总局的汽车 B洋人发明的火车 C轮船招商局的轮船 D福州船政局的军舰,解析由材料信息“19世纪七十年代，由江苏沿江居民到上海”可判断最有可能是轮船招商局的轮船。答案C,题组冲关,1中国近代史上首次打破列强垄断局面的交通行业是()A公路运输 B铁路运输C轮船运输 D航空运输解析：根据所学1872年李鸿章创办轮船招商局，这是洋务运动中由军工企业转向兼办民用企业、由官办转向官督商办的第一个企业。具有打破外轮垄断中国航运业的积极意义，这在

29、一定程度上保护了中国的权利。据此本题选C项。答案：C,2.右图是1909年民呼日报上登载的一幅漫画，其要表达的主题是()A帝国主义掠夺中国铁路权益B西方国家学习中国文化C西方列强掀起瓜分中国狂潮D西方八国组成联军侵略中国,解析：从图片中可以了解到各国举的灯笼是火车形状，20世纪初的这一幅漫画正反映了帝国主义掠夺中国铁路权益。B项说法错误，C项不能反映漫画的主题，D项时间上不一致。答案：A,典题例析,例2(2010福建高考)上海是近代中国茶叶的一个外销中心。1884年，福建茶叶市场出现了茶叶收购价格与上海出口价格同步变动的现象。与这一现象直接相关的近代事业是()A电报业 B大众报业 C铁路交通业

30、 D轮船航运业 解析材料主要反映了信息交流的快捷，故选A。答案A,题组冲关,3假如某爱国实业家在20世纪初需要了解全国各地商业信息，可采用的最快捷的方式是()A乘坐飞机赴各地了解 B通过无线电报输送讯息C通过互联网 D乘坐火车赴各地了解解析：本题考查中国近代物质生活的变迁。注意题干信息“20世纪初”“最快捷的方式”，因此应选B，火车速度远不及电报快。20世纪30年代民航飞机才在中国出现，互联网出现在20世纪90年代。答案：B,4下列不属于通讯工具变迁和电讯事业发展影响的是()A信息传递快捷简便B改变着人们的思想观念C阻碍了人们的感情交流D影响着人们的社会生活解析：新式通讯工具方便快捷，便于人们感情的沟通和交流。答案：C,