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X射线衍射方法分析多晶铝合金和粗晶铁硅合金的残余应力

万鑫  
【摘要】:残余应力是材料在机加工或者合金化过程中产生的平衡于材料内部的应力,它可以影响金属材料或者构件的服役性能(包括硬度、静态精度和疲劳强度等等)以及使用寿命等。此外,我们可以借助残余应力来改变材料的性能。但是由于残余应力复杂性,在材料的使用中很难之间预测残余应力的分布。因此,我们需要寻找到一种可以量化残余应力的可靠方法,来帮助我们预防材料失效和改善材料的部分性能。 目前存在多种方法可以用来测量材料的残余应力,如钻孔法、切片法、中子衍射法、超声波衍射、X射线衍射法等,其中, X射线衍射法是基于对晶面间距的测量来定量测量材料的应力和应变,具有无损、快速、精确等许多优点,该方法已经被广泛应用于工业领域的各个方面。 然而,经典的X射线衍射应力分析的方法(sin2ψ方法)是基于若干假设才能成立的,而不是所有的测量都可以满足这些假设条件的。特别提到的是,如果待测材料的晶粒尺寸变得过大时,该方法就会因为假设不成立而失效。因此,这项研究的第一个目的就是分析晶粒尺寸对sin2ψ方法分析材料残余应力结果的影响,研究是否存在是一个临界值,如果晶粒尺寸超过了该临界值,则经典的sin2ψ方法将不再适用。本试验中,我们可以认为,适用于sin2ψ方法进行测量残余应力的临界晶粒尺寸介于111μm和153μm之间。当晶粒尺寸大于153微米时,此方法便不能用于测量材料的残余应力。 而另一方面,当材料的晶粒尺寸过大,需要寻找一种合适的替代方法来计算此类材料(例如单晶材料或粗晶材料)的残余应力。虽然这些方法往往更为复杂,而且需要得到更高的测量精度,但是对单晶或者粗晶材料的残余应力分析有着广泛的应用前景,它可以帮助我们更好的解释晶体间的相互作用。 在这项研究中,我们将利用Imura方法测量单晶或者粗晶材料的残余应力,目的就是探索是否可以利用LAMPA实验室中现有的衍射仪器和设备来进行试验,结合Imura方法对大晶粒材料进行应力和应变分析,并对这种方法的可靠性进行分析。通过实验中应力测量结果的分析,证明了利用现有设备以及Imura方法进行这种单晶或者粗晶材料应力分析的可行性。然而,此类材料中残余应力很难被量化,对于残余应力较小的样品来说,较高的不确定度增加了残余应力分析的复杂性,需要使用精度更高的仪器来进行测量。


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