内应力衍射分析PDF电子书下载

第1章 内应力概述 1

1.1内应力及其由来 1

1.1.1内应力的定义 1

1.1.2内应力的起源 1

1.1.3内应力产生的根本原因 4

1.2应力状态分类和应力-应变间的基本关系式 5

1.2.1三轴应力 5

1.2.2平面应力 9

1.2.3单轴应力 11

1.2.4主应力状态 11

1.3内应力的宏观应力和微观应力 12

1.3.1第Ⅰ类内应力 12

1.3.2第Ⅱ类内应力 13

1.3.3第Ⅲ类内应力 14

1.4内应力对材料和部件性能的影响 14

1.4.1内应力对静态强度的影响 14

1.4.2内应力对疲劳性能的影响 16

1.4.3内应力对脆性破坏和应力腐蚀开裂的影响 16

1.5测定应力的方法 18

1.5.1有损测定法 18

1.5.2磁性应力测定法 18

1.5.3超声波应力测定法 19

1.5.4应力衍射测定法 19

1.5.5几种应力测定方法的比较 19

1.6用衍射法测定应力的历史发展 20

1.7内应力的去除和调整 21

参考文献 23

第2章 晶体学基础、射线源和衍射原理 24

2.1晶体学基础 24

2.1.1点阵概念 24

2.1.2晶胞、晶系 25

2.1.3点阵类型 25

2.2实验室X射线源 27

2.3同步辐射X射线源 29

2.3.1同步辐射光源的原理 29

2.3.2同步辐射光源的主要特征 32

2.4中子射线源 36

2.4.1稳态反应堆中子源 36

2.4.2 脉冲中子源 37

2.4.3三种源的比较 39

2.5射线衍射线束方位——劳厄方程和布拉格公式 41

2.5.1劳厄方程 41

2.5.2布拉格公式 43

2.6多晶体的衍射强度 45

2.6.1 X射线和中子衍射强度公式 45

2.6.2三种结构因子的比较和其中原子位置参数 45

参考文献 46

第3章 宏观内应力衍射测定的一般原理和方法 47

3.1应力衍射测定概述 47

3.1.1应力衍射测量的出发点 47

3.1.2衍射应力分析的参考坐标系 47

3.1.3一般情况下ε？？的表达式 48

3.2应变的测量原理和衍射几何 49

3.2.1一般的X射线衍射 49

3.2.2掠入射X射线衍射 51

3.3宏观应力测定的基本方法 54

3.3.1宏观内应力测量的同倾法 54

3.3.2 宏观内应力测量的侧倾法 55

3.3.3 ？旋转和？旋转的实质 58

3.4单轴应力的测定原理和方法 59

3.5平面应力的测定 59

3.5.1 0°-45°法 60

3.5.2 sin 2？法 60

3.6三维应力的测定 61

3.6.1三维应力状态下应力分量和ε？？～sin2？图 61

3.6.2 求三维应力状态的主应力 62

3.6.3求全部应力分量 63

3.7无应力状态的晶面间距d0测量及与厚度方向σ33的关系 64

3.7.1无应力-应变方向？*的d0（？*）值 65

3.7.2实验测定无应力状态的d0 66

3.8 X射线残余应力的层析扫描测定 68

3.8.1 X射线残余应力层析扫描测定原理及装置 69

3.8.2三维应力计算的自我控制机制及程序设计 70

3.8.3残余应力X射线层析扫描测定方法的程序设计 71

3.9二维衍射测定残余应变的方法 72

3.9.1用2D-XRD测量应力的基本方程 72

3.9.2二维方程与普通方程间的关系 73

3.9.3双轴应力状态 74

3.9.4真实无应力点阵的晶面间距d0 75

3.9.5各向异性因子 76

3.10残余应力构图的测绘 77

参考文献 78

第4章 宏观应力衍射测定的设备和装置 79

4.1一般的二圆（三圆）衍射仪 79

4.1.1现代X射线粉末衍射仪的结构 80

4.1.2衍射仪的扫描模式 81

4.1.3粉末衍射仪的工作模式 81

4.1.4利用二圆衍射仪进行应变测量有关问题的讨论 82

4.2 X射线应力测定仪 83

4.2.1应力测定仪的设计要求 84

4.2.2 应力测定仪的结构和特点 85

4.2.3国产X射线应力测定仪 86

4.2.4国外X射线应力测定仪 87

4.3同步辐射X射线应力测定设备——六圆衍射仪 88

4.4中子衍射法应变测定装置 89

参考文献 93

第5章 宏观弹性各向同性材料应力状态分析技术 94

5.1弹性各向同性试样中的sin2？定律 94

5.2宏观弹性各向同性试样和弹性各向异性试样 95

5.3单个hkl反射方法 98

5.3.1单个hkl反射中的sin2？-sin2？方法：三轴应力状态分析 98

5.3.2单个hkl反射中sin2？方法：三轴主应力状态分析 100

5.3.3单个hkl反射中sin2？方法：两轴应力状态分析 101

5.3.4单个hkl反射中sin2？方法：两轴主应力状态分析 102

5.3.5单个hkl反射中sin2？方法：旋转对称两轴应力状态分析 102

5.3.6单个hkl反射中sin2？方法：单轴应力状态分析 102

5.3.7单个hkl反射中？积分法：三轴应力状态分析 103

5.3.8单个hkl反射中cos2？法：双轴应力状态分析 103

5.4多重hkl反射法 104

5.4.1多重hkl反射中g（？；hkl）方法：双轴应力状态分析 105

5.4.2多重hkl反射中f（？；hkl）方法：旋转对称双轴应力状态分析 105

5.5任何应力状态的一般最小二乘方分析 107

5.6所描述方法的注释和评论 108

5.6.1从测得的点阵间距计算点阵应变 109

5.6.2所描述各种方法的特点 110

5.6.3对掠入射衍射有利的方法 111

5.7张量计算的？角倾斜Dolle-Hauk方法 111

5.8衍射（X射线）弹性常数的测定 113

5.8.1在平面应力状态下测定 113

5.8.2在单轴应力状态下测定 115

参考文献 117

第6章 宏观弹性各向异性试样应力状态分析技术 118

6.1衍射（X射线）应力因子 118

6.2宏观弹性各向异性试样任何应力状态的一般最小二乘方分析 119

6.2.1例1：单轴负载冷轧铁钢带深度绘图 119

6.2.2例2：显示各向异性晶粒交互作用的织构薄铜层 120

6.3织构宏观弹性各向异性试样的特殊方法——微晶群方法 121

6.3.1微晶群方法 121

6.3.2例子 123

6.4晶粒交互作用模型 124

6.4.1 Voigt模型 125

6.4.2 Reuss模型 125

6.4.3 Eshelby-Kroner模型 126

6.4.4 Vook-Witt模型和反Vook-Witt模型 128

6.4.5有效晶粒交互作用模型 130

6.4.6各种晶粒交互作用模型的比较 131

6.5晶粒交互作用模型模拟实例和试样实例 132

6.5.1基于各种晶粒交互作用模型衍射应变模拟 132

6.5.2实验实例 135

6.6单晶体的应力测定 136

6.6.1单晶体的应力测定原理 136

6.6.2三轴应力的测定 137

6.6.3二轴应力的测定 138

6.6.4单晶体应力测定的例子——Al单晶的内应力测定 140

6.7织构样品的应力测定 140

6.7.1一般讨论 140

6.7.2织构试样应力测定原理和方法 144

6.8薄膜和表面宏观应力的衍射测定 147

参考文献 151

第7章 应变衍射测量实验技术和误差 153

7.1应变衍射测量的对象和要求 153

7.1.1测定对象 153

7.1.2试样表面状态的影响 153

7.1.3试样形状对应力测定的影响 154

7.1.4试样晶粒大小的影响 156

7.1.5材料组织结构的影响 157

7.1.6测点位置设定 158

7.2测量参数选择和设置 158

7.2.1 ？和？角设置 158

7.2.2辐射波长与衍射晶面 160

7.3衍射峰位的测量 160

7.3.1测定衍射峰位的方法 160

7.3.2各种测定峰位的比较 163

7.4应力测定中的误差 164

7.4.1应力测定与衍射晶面的选择有关的误差 164

7.4.2峰位测定引入的误差 165

7.5残余应力分析中的仪器误差 169

7.5.1由光束光学引起的误差 169

7.5.2仪器调整引起的误差 171

7.6应力的统计误差 172

7.6.1 sin2？技术 172

7.6.2双倾斜技术 173

7.6.3三轴应力分析 173

7.7 X射线弹性常数的统计误差 175

7.8复杂形状样品的应力测定 176

7.8.1曲面切向残余应力的测定 176

7.8.2曲面轴向残余应力的测定 178

7.8.3小半径缺口件的残余应力测定 179

7.8.4复杂形状部件残余应力测定实例——曲轴圆角的残余应力测定 181

7.9多相材料中第11类应力对第1类应力测定的影响 185

参考文献 186

第8章 微观应力和相关衍射宽化效应的线形分析 188

8.1谱线线形的卷积关系 188

8.2晶粒度宽化和微应变宽化 189

8.2.1 X射线衍射晶粒度宽化效应——谢乐公式 189

8.2.2微观应变引起的宽化 191

8.3分离微晶和微观应力宽化效应的各种方法 191

8.3.1 Fourier级数法 191

8.3.2方差分解法 193

8.3.3近似函数法 193

8.3.4前述几种方法的比较 194

8.4堆垛层错引起的X射线衍射效应 195

8.4.1密堆六方的堆垛层错效应 195

8.4.2面心立方的堆垛层错效应 195

8.4.3体心立方的堆垛层错效应 197

8.5分离密堆六方ZnO中微晶-层错宽化效应的Langford方法 197

8.6分离XRD线宽多重化宽化效应的最小二乘方法 198

8.6.1分离微晶和微观应力宽化效应的最小二乘方法 198

8.6.2分离微晶-层错XRD线宽化效应的最小二乘方法 200

8.6.3分离微应力-层错二重宽化效应的最小二乘方法 201

8.6.4微晶-微应力-层错三重宽化效应的最小二乘方法 201

8.6.5系列计算程序的结构 203

8.7面心立方纳米材料NiO的制备和表征中微结构的研究 205

8.8体心立方结构V-Ti合金在储放氢中的微结构研究 207

8.9生产态β-Ni（OH）2中的微结构的研究 209

8.10 Mg-Al合金中的微结构研究 211

8.11作图法与最小二乘法的比较 213

参考文献 215

第9章 形变金属材料中的位错和微结构宽化的线形分析 218

9.1 Fourier方法和改进的Williamson-Hall方法 219

9.1.1 Williamson公式和改进的Williamson-Hall方法 219

9.1.2用Fourier方法测定位错密度 220

9.1.3球磨α-铁粉中的晶粒大小和位错密度测定 221

9.2测定多晶样品位错的王煜明方法 222

9.2.1基本原理 222

9.2.2实例的试样和实验 225

9.2.3实例的结果和讨论 225

9.3位错宽化的确定 228

9.4位错的比对因子Chkl 229

9.4.1位错的比对因子Chkl的计算 229

9.4.2测定位错的位移场 233

9.5比对因子Chkl的计算 235

9.5.1 FCC材料的Chkl值 235

9.5.2 BCC材料的Chkl值 240

9.6由半高宽求解晶粒大小和位错密度 244

9.7由半高宽求解晶粒大小、位错密度和层错概率 245

9.8用最小二乘方法测定位错密度实例——球磨铁粉末的晶粒大小和位错密度 247

9.9 Voigt的单线分析法 248

参考文献 248

第10章 机械加工和表面处理残余应力分析 250

10.1切削加工的残余应力 250

10.2磨削加工的残余应力 253

10.3棒材因拉拔、挤压所产生的残余应力 256

10.4拉拔圆管产生的残余应力 259

10.5冷轧产生的残余应力 262

10.5.1冷轧产生残余应力的一些例子 262

10.5.2轧制板材残余应力分析的发展趋势 265

10.6表面淬火处理的残余应力 265

10.7渗碳层和渗氮层中的残余应力 270

10.7.1渗碳层中的残余应力 270

10.7.2渗氮层中的残余应力 272

10.8硬质合金后处理过程中残余应力 273

10.9 ZrO2热障涂层残余应力分析 276

10.10电镀产生的应力 278

参考文献 280

第11章 焊接残余应力测定和对策 281

11.1引言 281

11.1.1焊接方法分类 281

11.1.2 焊接残余应力的分类 283

11.1.3焊接残余应力对结构性能的影响及其成因 283

11.1.4用于焊接应力测定方法 285

11.2平板焊接残余应力测定的若干例子 286

11.2.1薄板焊接和厚板焊接 286

11.2.2厚板焊接表面应力测定实例 287

11.2.3 35CrMnSi钢平板电子束焊接残余应力的分析 290

11.2.4对接焊铝板残余应力分析 293

11.3钢管道焊接残余应力分析和点焊的残余应力分析 297

11.3.1钢管道焊接残余应力分析 297

11.3.2 点焊产生的残余应力 300

11.4焊接应力分布等应力线图 300

11.5控制和消除焊接残余应力的方法 302

11.5.1控制焊接残余应力的方法 302

11.5.2消除焊接残余应力的方法 304

11.6焊接残余应力研究的发展方向 306

参考文献 306

第12章 材料和部件的表层喷丸残余应力 308

12.1喷丸及其对材料性能的影响 308

12.1.1喷丸工艺 308

12.1.2喷丸对性能的影响 310

12.1.3喷丸工艺适用的领域 310

12.2喷丸应力的模型数值模拟 311

12.2.1有限元法综述 311

12.2.2 ANSYS简介 312

12.2.3 ANSYS/LS-DYNA简介 313

12.2.4 ANSYS一般求解步骤 313

12.2.5喷丸工艺的有限元模拟 314

12.3数值模拟实例——各向异性材料喷丸应力的模型数值模拟 315

12.3.1喷丸模型的建立 315

12.3.2残余应力随层深和取向的变化 317

12.3.3覆盖率对喷丸残余应力场的影响 318

12.3.4不同材质弹丸材料对喷丸残余应力的影响 319

12.3.5弹丸大小对残余应力场的影响 320

12.3.6喷丸速度对残余应力场的影响 321

12.4镍基合金单晶喷丸应力的测定 323

12.4.1镍基合金单晶及其应用 323

12.4.2应力测定方法 323

12.4.3测量结果和分析 324

12.5 TiB2/Al复合材料喷丸应力及其松弛的研究 326

12.5.1 TiB2/Al复合材料喷丸应力的测定 326

12.5.2 TiB2/Al复合材料喷丸应力的松弛研究 330

12.6 Ti基合金喷丸应力的测定 333

12.6.1 TC4钛合金的喷丸应力 333

12.6.2 TC4-DT钛合金喷丸残余应力场及其热松弛行为 334

12.6.3 TC18钛合金的喷丸应力 336

12.7喷丸汽轮机叶片残余内应力 339

12.8 18Cr2Ni4WA钢齿轮表面喷丸应力 341

12.8.1喷丸工艺 341

12.8.2宏观应力和微观应力分布 341

12.8.3喷丸层残余奥氏体含量及其分布 343

12.8.4结论 344

12.9表面喷丸宏观应力分析小结 344

参考文献 345

第13章 表面喷丸材料的微结构 347

13.1 TiB2/Al复合材料喷丸的残余应力和微结构 347

13.1.1衍射线形宽化效应 347

13.1.2喷丸宏观应力与晶粒细化及位错密度的关系 348

13.2复相钢DSS S32205喷丸的微结构效应 350

13.2.1喷丸复相钢DSS S32205及退火后的结构变化和线条宽化 350

13.2.2喷丸复相钢DSS及退火后的残余应力、微观应变和位错 351

13.2.3喷丸复相钢DSS退火后的残余应力松弛和微结构回复 352

13.3 TC4和（TiB+TiC）/TC4材料的喷丸的晶粒细化和位错 354

13.3.1 Ti6A14V衍射线条的宽化效应 354

13.3.2 Ti6A14V晶块尺度和位错效应 356

13.4喷丸S30432奥氏体微结构的稳定性 359

13.5激光硬化17-4PH钢的喷丸的微结构 362

参考文献 368

第14章 绿色二次电池脱嵌应力分析和导电机制 369

14.1 MH/Ni电池充放电过程的脱嵌应力和导电机制研究 369

14.1.1正极活性材料的物相鉴定 370

14.1.2 β-Ni（OH）2的宏观应力 372

14.1.3在充放电过程中β-Ni（OH）2微观应变和精细结构的变化 372

14.1.4在充放电过程中负极活性材料AB5储氢合金的分析 373

14.1.5 β-Ni（OH）2在充放电过程中的行为 375

14.1.6 AB5材料在充放电过程的行为 376

14.1.7充放电过程的导电物理机制 377

14.2 2H-石墨/LiCoO2电池充放电过程的应变分析和导电机制 379

14.2.1正极活性材料LiCoO2在电池充放电过程的相分析 379

14.2.2 LiCoO2在电池充放电过程宏观应变和微观应变的变化 380

14.2.3电池充放电过程负极活性材料相分析 381

14.2.4电池充放电过程石墨中宏观应变的变化 382

14.2.5电池充放电过程石墨中的微观应变和堆垛无序 383

14.2.6 LiCoO2在充放电过程中Li的脱嵌机制 384

14.2.7石墨在充放电过程中Li的脱嵌机制 385

14.2.8石墨/LiCoO2锂离子电池在充放电过程中导电的物理机制 385

14.3经活化石墨/LiFePO4电池充放电的实验研究 386

14.3.1经活化电池的充放电过程正极活性材料物相鉴定 386

14.3.2充放电过程正极活性材料的物相的定量分析——充放电的非对称性研究 387

14.3.3经活化电池的充放电过程负极活性材料结构演变 389

14.4未经成化2H-石墨/LiFePO4电池的充电过程的研究结果 390

14.5 2H-石墨/LiFePO4电池中锂的脱嵌机理和导电机制 391

14.5.1正极活性材料LiFePO4在充放电过程中相变特征和Li的脱嵌机理 391

14.5.2负极活性材料在充放电过程中的行为 393

14.5.3 2H-石墨/LiFePO4电池的导电机制 394

参考文献 395

附录1 应力相关单位制及其转换 397

附录2 常用材料的杨氏模量、泊松比v、Shkl2/2和Shkl1 399

附录3 FCC晶体的位错比对因子 405

附录4 BCC晶体的位错比对因子 407