第8章残余应力的测定ppt课件.ppt
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1、第八章第八章 残余应力的测定残余应力的测定 残余残余应力是材料及其制品内部存在力是材料及其制品内部存在的一种内的一种内应力,它是指力,它是指产生生应力的各种力的各种因素(如外力、温度因素(如外力、温度变化、相化、相变等)不等)不存在存在时,由于不均匀的塑性,由于不均匀的塑性变形和不均形和不均匀的相匀的相变的影响,在物体内部依然存在的影响,在物体内部依然存在并自身保持平衡的并自身保持平衡的应力。金属材料及其力。金属材料及其制品在冷、制品在冷、热加工和合金化等加工和合金化等过程中,程中,常常常常产生残余生残余应力。力。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时
2、计分系统是一种得分类型的系统n n具体事例具体事例n n1 1、钢材的内应力、钢材的内应力、钢材的内应力、钢材的内应力 n n一块钢板是由无数个铁原子(包括其它成分的原子)所组一块钢板是由无数个铁原子(包括其它成分的原子)所组一块钢板是由无数个铁原子(包括其它成分的原子)所组一块钢板是由无数个铁原子(包括其它成分的原子)所组成的,原子与原子之间之所以能够紧密的连接在一起,而不像成的,原子与原子之间之所以能够紧密的连接在一起,而不像成的,原子与原子之间之所以能够紧密的连接在一起,而不像成的,原子与原子之间之所以能够紧密的连接在一起,而不像一盘沙子一样,是铁原子之间有强大的金属键紧紧的一盘沙子一样
3、,是铁原子之间有强大的金属键紧紧的一盘沙子一样,是铁原子之间有强大的金属键紧紧的一盘沙子一样,是铁原子之间有强大的金属键紧紧的“拉拉拉拉”在在在在一起的,原子之间的一起的,原子之间的一起的,原子之间的一起的,原子之间的“拉力拉力拉力拉力”会由于相邻原子之间的位置远近、会由于相邻原子之间的位置远近、会由于相邻原子之间的位置远近、会由于相邻原子之间的位置远近、角度差异,而导致其角度差异,而导致其角度差异,而导致其角度差异,而导致其“拉力拉力拉力拉力”会在整个钢板的平面内不是很均会在整个钢板的平面内不是很均会在整个钢板的平面内不是很均会在整个钢板的平面内不是很均匀,通俗的说:有些方向的匀,通俗的说:
4、有些方向的匀,通俗的说:有些方向的匀,通俗的说:有些方向的“拉力拉力拉力拉力”大,而有些方向的大,而有些方向的大,而有些方向的大,而有些方向的“拉力拉力拉力拉力”小,但是,由于钢板是在轧钢机轧成平板后,这些钢材立面小,但是,由于钢板是在轧钢机轧成平板后,这些钢材立面小,但是,由于钢板是在轧钢机轧成平板后,这些钢材立面小,但是,由于钢板是在轧钢机轧成平板后,这些钢材立面分子之间的分子之间的分子之间的分子之间的“拉力拉力拉力拉力”会暂时趋于平衡,但是,如果将钢板用刨会暂时趋于平衡,但是,如果将钢板用刨会暂时趋于平衡,但是,如果将钢板用刨会暂时趋于平衡,但是,如果将钢板用刨床将其切削一部分,比如:切
5、薄一半的厚度,这时,剩下的钢床将其切削一部分,比如:切薄一半的厚度,这时,剩下的钢床将其切削一部分,比如:切薄一半的厚度,这时,剩下的钢床将其切削一部分,比如:切薄一半的厚度,这时,剩下的钢板立马将会发生变形,如:发生翘曲,这就是内应力在起作用。板立马将会发生变形,如:发生翘曲,这就是内应力在起作用。板立马将会发生变形,如:发生翘曲,这就是内应力在起作用。板立马将会发生变形,如:发生翘曲,这就是内应力在起作用。n n2 2、西瓜的内应力、西瓜的内应力、西瓜的内应力、西瓜的内应力 n n可能你会有过这样的经历:有一种西瓜,刀刚刚接触西瓜,可能你会有过这样的经历:有一种西瓜,刀刚刚接触西瓜,可能你
6、会有过这样的经历:有一种西瓜,刀刚刚接触西瓜,可能你会有过这样的经历:有一种西瓜,刀刚刚接触西瓜,那西瓜会那西瓜会那西瓜会那西瓜会“嘭嘭嘭嘭”的一声,自然裂开,这就是里面存在着内应力,的一声,自然裂开,这就是里面存在着内应力,的一声,自然裂开,这就是里面存在着内应力,的一声,自然裂开,这就是里面存在着内应力,当你开启一个小口(或者叫裂纹),那内应力会让这个西瓜整当你开启一个小口(或者叫裂纹),那内应力会让这个西瓜整当你开启一个小口(或者叫裂纹),那内应力会让这个西瓜整当你开启一个小口(或者叫裂纹),那内应力会让这个西瓜整个打开。这个内应力,也是分子之间的个打开。这个内应力,也是分子之间的个打开
7、。这个内应力,也是分子之间的个打开。这个内应力,也是分子之间的“拉力拉力拉力拉力”造成的。造成的。造成的。造成的。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统n n残余应力是衡量零件质量的重要指标之一,用能残余应力是衡量零件质量的重要指标之一,用能量作功的方法可以加深对残余应力的认识:外力量作功的方法可以加深对残余应力的认识:外力使零件变形,使零件变形,其中引起塑性变形的外力作的功其中引起塑性变形的外力作的功以零件内部材料变形而存贮在零件内。当以零件内部材料变形而存贮在零件内。当 外力外力消除以后,应力不均匀的能量要施放出来,引起
8、消除以后,应力不均匀的能量要施放出来,引起了零件缓慢地变形,了零件缓慢地变形,即残余应力作功,使原有即残余应力作功,使原有加工精度逐渐丧失,直到能量全部施放出来为止,加工精度逐渐丧失,直到能量全部施放出来为止,变形结束。变形结束。尤其在仪器生产中,残余应力可能使整台仪器丧尤其在仪器生产中,残余应力可能使整台仪器丧失精度而成为废失精度而成为废 品。应当了解残余应力的品。应当了解残余应力的“缓缓释释”特点,熟悉残余应力产生原因,特点,熟悉残余应力产生原因,掌握减小掌握减小和消除残余应力的技术手段。和消除残余应力的技术手段。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的
9、计时计分系统是一种得分类型的系统n n实践证明,残余应力对制品的疲劳强度、抗应实践证明,残余应力对制品的疲劳强度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性和使用寿命有着直接力腐蚀能力、尺寸稳定性和使用寿命有着直接的影响。例如,金属工件经喷丸或其他表面处的影响。例如,金属工件经喷丸或其他表面处理(渗碳、渗氮等)后,在表面将形成残余压理(渗碳、渗氮等)后,在表面将形成残余压应力层,削弱了表面微缺陷和残余拉应力的有应力层,削弱了表面微缺陷和残余拉应力的有害作用,可提高工件的疲劳寿命。又如淬火后害作用,可提高工件的疲劳寿命。又如淬火后的工件如不及时进行回火处理,淬火产生的残的工件如不及时进行回火处理,淬火产生的残余
10、应力将使工件变形、开裂而报废。余应力将使工件变形、开裂而报废。n n随着残余应力测试技术的发展,残余应力随着残余应力测试技术的发展,残余应力分析逐渐成为机械制造业中控制和检验产品质分析逐渐成为机械制造业中控制和检验产品质量的必要手段,也是对使用运行设备进行安全量的必要手段,也是对使用运行设备进行安全检查的重要方法。因此,残余应力测试技术,检查的重要方法。因此,残余应力测试技术,在工业、交通、军事等部门日益普遍受到重视。在工业、交通、军事等部门日益普遍受到重视。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统篮球比赛是根据运动队在规定的
11、比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统
12、是一种得分类型的系统篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得
13、分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统8-2 X射线残余应力测定原理 n n在诸多测定残余应力的方法中,除超声波法外,在诸多测定残余应力的
14、方法中,除超声波法外,其他方法的共同点都是测定应力作用下产生的其他方法的共同点都是测定应力作用下产生的应变,再按虎克定律计算应力。应变,再按虎克定律计算应力。X X射线残余应射线残余应力测定方法也是一种间接方法,它是根据衍射力测定方法也是一种间接方法,它是根据衍射线条的线条的角变化或衍射条形状或强度的变化来角变化或衍射条形状或强度的变化来测定材料表层微小区域的应力。测定材料表层微小区域的应力。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统X射线残余应力测定原理射线残余应力测定原理测量原理基于测量原理基于X射线射线理论。当一束具有理论
15、。当一束具有一定波长一定波长的的X射线射线照射到多晶体上时,照射到多晶体上时,会在一定的角度会在一定的角度2上接收到反射的上接收到反射的X射射线强度极大值(即线强度极大值(即所谓衍射峰)所谓衍射峰),这便这便是是X射线衍射现象射线衍射现象(如右图所示)。(如右图所示)。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统X射线残余应力测定原理射线残余应力测定原理 X X射线波长射线波长射线波长射线波长、衍射晶面间距、衍射晶面间距、衍射晶面间距、衍射晶面间距d d和衍射角和衍射角和衍射角和衍射角22之间遵从之间遵从之间遵从之间遵从著名的布拉
16、格定律:著名的布拉格定律:著名的布拉格定律:著名的布拉格定律:2d Sin=n (n=1,2,3)2d Sin=n (n=1,2,3)在已知在已知在已知在已知 X X射线波长射线波长射线波长射线波长 的条件下,布拉格定律把宏观上的条件下,布拉格定律把宏观上的条件下,布拉格定律把宏观上的条件下,布拉格定律把宏观上可以测量的衍射角可以测量的衍射角可以测量的衍射角可以测量的衍射角22与微观的晶面间距与微观的晶面间距与微观的晶面间距与微观的晶面间距d d建立起确建立起确建立起确建立起确定的定的定的定的 关系。当材料中存在应力时,其晶面间距关系。当材料中存在应力时,其晶面间距关系。当材料中存在应力时,其
17、晶面间距关系。当材料中存在应力时,其晶面间距d d必必必必然随晶面然随晶面然随晶面然随晶面与应力相对取向的不同而有所变化,按照与应力相对取向的不同而有所变化,按照与应力相对取向的不同而有所变化,按照与应力相对取向的不同而有所变化,按照布拉格定律,衍射角布拉格定律,衍射角布拉格定律,衍射角布拉格定律,衍射角22也会相应改变。因此有可能也会相应改变。因此有可能也会相应改变。因此有可能也会相应改变。因此有可能通过测量衍射角通过测量衍射角通过测量衍射角通过测量衍射角22随晶面取向不同而发生的变化来随晶面取向不同而发生的变化来随晶面取向不同而发生的变化来随晶面取向不同而发生的变化来求得应力求得应力求得应
18、力求得应力。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统8-2-1 X射线应力测定是一种无损的探测方法:通常,我们可以把一个多晶体的金属构件(或材通常,我们可以把一个多晶体的金属构件(或材料)近似地看作一个均质的、各向同性的连续体,当料)近似地看作一个均质的、各向同性的连续体,当这样的一个多晶体中平衡着一个宏观残余应力(这样的一个多晶体中平衡着一个宏观残余应力()时,不同方向上的同一晶面族中的晶面间距时,不同方向上的同一晶面族中的晶面间距d d与残余与残余应力应力的大小和方向存在一定的关系。平行于应力方的大小和方向存在一定的关系。
19、平行于应力方向的晶面间距会缩小,垂直于应力方向的晶面间距会向的晶面间距会缩小,垂直于应力方向的晶面间距会增大。因此,只要设法测出不同方向上的同一晶面族增大。因此,只要设法测出不同方向上的同一晶面族的晶面间距,引用弹性力学中的一些基本关系,是不的晶面间距,引用弹性力学中的一些基本关系,是不难求得多晶体中所平衡着的应力的。与其它应力测定难求得多晶体中所平衡着的应力的。与其它应力测定方法相比,它无需破坏构件(或材料),所以方法相比,它无需破坏构件(或材料),所以X X射线射线应力测定方法是一个无损检测法,这对于机械工程中应力测定方法是一个无损检测法,这对于机械工程中许多需要测定残余应力的构件来说,无
20、疑是一个很大许多需要测定残余应力的构件来说,无疑是一个很大的优点。的优点。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统8-2-2 用X射线法测定的应变全部是弹性应变:由晶格滑移造成的塑性变形部由晶格滑移造成的塑性变形部分并不反映晶面间距的变化,也就不会使衍分并不反映晶面间距的变化,也就不会使衍射线位移,因此,射线位移,因此,X X射线法测定的是纯弹性应射线法测定的是纯弹性应变。用其他方法测得的应变,实际上是弹性变。用其他方法测得的应变,实际上是弹性应变和塑性应变之和,两者无法分辨应变和塑性应变之和,两者无法分辨。8-2-3 X射线
21、束的直径可以控制在23mm以内,故能测定一个很小范围内的故能测定一个很小范围内的应变,而其他方法测定的应变,通常为应变,而其他方法测定的应变,通常为202030mm30mm范围内的平均,无法探测某一特定小区范围内的平均,无法探测某一特定小区域内的应力情况。域内的应力情况。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统8-2-4 由于由于X射线照射到物质后,就被大量的吸射线照射到物质后,就被大量的吸收,在透过表面很薄一层以后,其强度被衰减收,在透过表面很薄一层以后,其强度被衰减至零,因此至零,因此X射线法测定的是试样表层大约射线法测定
22、的是试样表层大约10m深度内的二维应力。所以在深度内的二维应力。所以在X射线应力测射线应力测定中,要特别小心被测构件的表面加工层所带定中,要特别小心被测构件的表面加工层所带来的影响,一般,被测构件表面都要经过电解来的影响,一般,被测构件表面都要经过电解腐蚀处理。应用这一特点,采用剥层的办法,腐蚀处理。应用这一特点,采用剥层的办法,可以测定应力沿层深的分布。可以测定应力沿层深的分布。X射线法虽有上述优点,但设备费用贵,并且,射线法虽有上述优点,但设备费用贵,并且,因受穿透深度所限,只能无破坏地测表面应力,因受穿透深度所限,只能无破坏地测表面应力,若测深层应力,也需破坏试样。此外若测深层应力,也需
23、破坏试样。此外,当被测工当被测工件不能给出明锐的衍射线时件不能给出明锐的衍射线时,测量精确度将受到测量精确度将受到影响。影响。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统 应力测量的基本原理应力测量的基本原理 (单轴应力测定原理)(单轴应力测定原理)据弹性力学知识:据弹性力学知识:假设某晶粒中的假设某晶粒中的(hkl)晶面正好与拉伸方晶面正好与拉伸方向垂直,其无应力状态下的晶面间距是向垂直,其无应力状态下的晶面间距是d0,在应力作用下变为在应力作用下变为dn1,则晶面间距的,则晶面间距的变化为:变化为:d=dn1 d0又因为:又因
24、为:所以:所以:单轴应力测定原理单轴应力测定原理 篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统由于无法测出与入射线相平行晶面的晶面间距变化,可用垂直由于无法测出与入射线相平行晶面的晶面间距变化,可用垂直于入射线方向晶面的晶面间距变化来推算于入射线方向晶面的晶面间距变化来推算y方向的应变。方向的应变。只要测出只要测出Z方向的反射面的间距的变化方向的反射面的间距的变化d,即可,即可以算出以算出y方向的应力大小。方向的应力大小。必须有两个试样,一个无应力试样以求出必须有两个试样,一个无应力试样以求出d0,另一,另一个待测的有应力试样,以
25、求出个待测的有应力试样,以求出dn。篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统应力对应力对X射线衍射线的影响射线衍射线的影响篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的,因此,篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统平面应力测量原理平面应力测量原理一般原理:一般原理:在一般情况下,材料的应力多是三向应力,即一个单元在一般情况下,材料的应力多是三向应力,即一个单元体积上受三个正应力和六个切应力的作用,由于体积上受三个正应力和六个切应力的作用,由于X射线射线只能探测到材料只能探测到材料1030m左右的深度。左右的深度
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