应力测量方法的历史
应力测量仪原理
应力测量仪原理
应力测量仪的原理是利用材料的形变量与施加在材料上的应力大小之间的关系进行测量。
其中最常用的方法是使用电阻应变片作为测量元件。
电阻应变片是一种金属薄片或细丝，有着良好的电阻性能。
当外力作用于其表面时，电阻应变片会发生形变，并且其电阻值也会相应改变。
这是因为在形变过程中，应变导致了电阻应变片中线路的长度和截面积的变化，从而引起了电阻值的变化。
应力测量仪中通常会将电阻应变片粘贴或焊接在需要测量应力的材料表面上。
当材料受到应力时，电阻应变片也会相应受到应变，导致电阻值的变化。
通过连接电阻应变片的电路，可以测量出电阻值的变化情况。
为了测量电阻值的变化，通常会使用一种称为电桥的电路。
电桥电路中包含了一个可变电阻和一个标准电阻，通过改变可变电阻来使电桥平衡，即使电桥两个分支中的电流相等。
当电桥平衡时，通过测量电桥两个分支之间的电压差，可以间接地得到电阻值的变化。
当电阻值的变化被测量到后，可以根据电阻应变片的性能参数，如灵敏度等，将电阻值的变化转换为应力值。
不同类型的电阻应变片具有不同的灵敏度和线性特性，因此在实际应用中需要对其进行校准，以确保测量结果的准确性。
除了电阻应变片，应力测量仪还可以使用其他原理，如压阻式、
电容式、磁性等。
这些不同原理的应力测量仪有着自己的优缺点，在特定应用环境中选择合适的原理进行测量。
5、地应力
Drilling Direction and Stress
Favored hole orientation
v
The best orientation to increase hole stability minimizes the principal stress difference normal to the borehole axis 60° cone
水平主应力的测量：
测量的对象：水平地应力的大小和方向
地应力方向的测量方法：井壁崩落椭圆法 地质力学方法 压裂裂缝监测法 地应力大小的测量方法：水力压裂试验 声发射Kaiser效应
岩心差应变实验法
一、井壁崩落椭圆法判断水平地应力方向
水平最大主应力方向
一般情况下，井壁坍
塌形成的椭圆形井眼，
长轴与最大水平主地 应力方向垂直
（理论依据是什么？）
水平最小主应力方向
井壁发生坍塌后的井眼形状与井眼钻开后应力的重分布有关井眼坍塌破坏形状σ Nhomakorabeah
σ
H
σ
H
σ
h
井眼坍塌长轴方向的变化
水平最小主应力 节理破碎地层塌块 大，井眼长轴在最 大水平地应力方位 水平最小主应力
水平最大主应力
完整地层塌块小， 井眼长轴在最小水 平地应力方位
井壁崩落椭圆资料的获取与识别
应力
取心方式与实验设备
加载装臵
声信号接收设备
实验步骤：
加工好的岩样套上橡胶封隔套，装入高压釜中；
加围压至设定值，并使之保持恒定；
以恒定的加载速给岩样施加向载荷；记录下加载过程 中岩样内部微破坏所发出的声发射信号 将向载荷卸致零，进行第二次加载； 绘出二次加载过程中的声发射信号载荷的变化曲线。
应力检测原理
应力检测原理
应力检测原理是通过测量物体受力后产生的形变或应变来判断其受力状态的一种测试方法。
在实际应用中，常用的应力检测原理包括电阻应变片原理、应变计原理和激光干涉法原理。
首先，电阻应变片是一种具有性能稳定、可重复使用的应力测量元件。
它通过在应力作用下形成电阻值变化，来间接反映物体的应变情况。
当物体受到压力或拉伸时，电阻应变片会随之发生形变，进而改变其电阻值。
通过测量电阻的变化，可以推算出物体所受的应力。
其次，应变计原理是一种更加直接的应力测量方法。
应变计是一种高精度的电阻应变元件，通过粘贴在被测物体的表面，当物体受到力的作用时，应变计会产生应变，并且应变的大小与物体所受的应力成正比。
应变计内部具有电阻，通过测量电阻的变化，可以获得物体所受的应力值。
最后，激光干涉法原理是一种非接触、高精度的应力测量方法。
该方法利用激光的干涉原理，通过激光束的反射和干涉，测量物体表面形变的微小位移。
物体在受力作用下会出现形变，根据形变产生的位移，可以计算出物体所受的应力大小。
以上是常用的应力检测原理，通过采用合适的测量原理，可以准确地判断物体受力状态，为工程设计和科学研究提供重要数据支持。
应力测量方法
应力测量方法有多种，其中包括电阻应变测量法。
此外，还有光弹性方法、X射线衍射法、中子衍射法、超声法、脆性涂层法、压痕法、磁测法、云纹干涉法、莫尔条纹法等方法。
电阻应变测量法：这种方法利用电阻应变计测量技术，不仅可以用于模型实验，也可以在线进行应变、应力、压力等力学的测量。
其实际应用效果较好，还可以进行远距离应变遥测，利用此技术可制成相应的传感器和测力装置。
光弹性方法：这是光测法的一种，通过光弹性效应来测量应力。
它适用于解决扭转和轴对称的问题，还可以研究应力传播和热应力的动态过程。
X射线衍射法：利用X射线的衍射现象来测量应力。
通过测量衍射角的变化，可以推断出材料内部的应力状态。
超声法：通过超声波在材料中的传播特性来推断应力状态。
不同应力状态下的材料，超声波传播速度会有所变化，从而可以反演出应力状态。
以上各种方法各有特点，电阻应变测量法操作简单，适用于各种环境和条件；光弹性方法直观性强，适用于透明材料；X射线衍射法和超声法非接触、无损，但设备复杂，数据处理难度较高。
请根据具体需求和条件选择合适的方法。
第六节真实应力应变曲线课件
应变速率
高应变速率
高应变速率条件下，材料的应力应变响应时间缩短，真实应力应变曲线表现出较高的峰值应力和较短的形变平台 。
低应变速率
低应变速率条件下，材料的应力应变响应时间延长，真实应力应变曲线表现出较低的峰值应力和较长的形变平台 。
02 真实应力应变曲线的测量 方法
直接拉伸法
总结词
直接拉伸法是一种常用的测量真实应力应变曲线的方法，通 过直接对试样施加拉伸力，记录其变形量，从而得到应力应 变关系。
详细描述
在直接拉伸法中，试样通常为长条形，一端固定，另一端施 加逐渐增大的拉伸力，同时测量试样的变形量。通过计算可 以得到应力应变曲线。该方法具有简单、直接的优点，适用 于各种材料。
屈服阶段
屈服阶段
当外力继续增加并超过某一临界值时 ，材料进入屈服阶段，此时材料开始 发生塑性形变，即在外力作用下发生 不可逆的形变。该阶段的应力应变关 系不再呈线性关系。
总结词
描述材料在屈服阶段的应力应变关系 和特点。
详细描述
在屈服阶段，真实应力应变曲线出现 一个拐点，表示材料开始发生塑性形 变。此时，应力应变关系不再呈线性 关系，而是出现一定的非线性。随着 应力的增加，应变迅速增加，但形变 不再完全恢复。这一阶段材料的力学 性质表现为塑性行为，需要较大的外 力才能使材料发生形变。
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曲线表现出应变硬化或软化的特性，即随 着应变的增加，材料的应力表现会发生变 化。
屈服点
断裂点
曲线通常会有一个屈服点，表示材料开始 发生屈服，即应力不再随应变线性增加。
地应力及其测量原理
2 水压致裂法
σ
初始劈裂压力
开启压力
稳定开裂压力
关闭压力 σ
p
σ
σ3 －σ
σ
σ
0 3
在水压力为pb，原始应力
为σ1、σ3共同作用下，孔周 σ10
Pb
σ10
边岩体中切向应力：
σ
0 3
1 2
0 1
0 3
1
R02 r2
pb
R02 r2
1 2
0 1
3 地应力及其测量原理
3.1 概 述
概念：a 地层未受到扰动时，存在于地层 内各点的应力称为原岩应力，或称为原始应 力，或称为初始地应力（in situ stress）。它 是地下工程围岩变形、破坏、支护结构受力 的根本渊源。
b 当地层被开挖后，存在于开挖空间周 围岩体中重新分布的应力称为次生应力，也 叫诱发应力（induced stress）。
1 在地下工程中
1）围岩稳定与支护结构设计； 2）地下洞室走向选择； 3）地下洞室断面几何形状； 4）坚硬脆性岩体中的岩爆；
2 在地上工程中
主要是基坑开挖后，底部岩体在原岩应 力作用下出现底鼓而影响上部结构稳定。
3.3 地壳浅部地应力的变化规律
3.3.1 地应力是个非稳定应力场
3.3.2 实测垂直应力 z 基本等于上覆岩
2） 孔壁应变法
只需在一个钻孔内进行量测，即可确定六个空间 应力分量。
z
20 xFra bibliotek0 y
cos
2
4
0 xy
sin
2
地应力测量
地应力测量的国内外研究现状0 引言地应力（in-situ stress），又称原岩应力，也称岩体初始应力或绝对应力，是在漫长的地质年代里，由于地质构造运动等原因产生的。
在一定时间和一定地区内，地壳中的应力状态是各种起源应力的总和。
主要由重力应力、构造应力、孔隙压力、热应力和残余应力等耦合而成,重力应力和构造应力是地应力的主要来源。
地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆侵入和地壳非均匀扩容等。
另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其他物理化学变化等也可引起相应的应力场（雷化南，等译.1976）。
而重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因，其中尤以水平方向的构造运动对地应力的形成影响最大。
因此，岩石中的原地应力是由主动施加的力和积蓄的残余应变两者引起的。
地应力测量（In situ stress measurement），就是确定拟开挖岩体及其周围区域的未受扰动的三维应力状态，这种测量通常是通过多个点的量测来完成的。
地应力测量是一项综合性的测试，可以说任何一种单一的方法都不能很好地完成，往往需要几种方法结合起来对比使用，才可以保证结果的可靠性。
即使如此，地应力测量中也往往会出现同一测点测量值分散的情况。
地应力测量是确定工程岩体力学属性、进行围岩稳定性分析、实现岩土工程开挖设计和决策科学化的前提。
地应力对矿山开采、地下工程和能源开发等生产实践均起着至关重要的作用，所以地应力研究是当前国际采矿界上的一个前沿性课题，近几十年来，世界上许多国家均开展了地应力的测量及应用研究工作,取得了众多的成果。
1 地应力测量在国外发展概况及研究现状人们最初对地应力概念的认识以及地应力测量技术的发展都源于早期的矿山工程建设，最早的原位地应力测量起始于20世纪30年代。
1932年，美国人劳伦斯(Lieurace)在胡佛坝(HooverDam)下面的一个隧道中采用岩体表面应力解除法首次成功地进行了原岩应力的测量。
拉曼方法测量应力
拉曼方法测量应力
拉曼光谱技术是一种非破坏性、高精度和高速测量应力的方法。
它通过测量拉曼光谱中的振动能级来推断材料内部的应力状态。
在拉曼光谱中，原子中的电子吸收或释放能量，这种能量变化对应着原子振动的频率。
当材料受到应力作用时，其原子振动的频率发生改变，导致拉曼光谱中的振动能级发生变化。
因此，通过分析拉曼光谱中的振动能级，可以推断材料内部所受的应力状态。
拉曼光谱技术在应力测量中的应用包括:
1. 材料力学测试：拉曼光谱技术可以用于材料力学测试，例如拉伸、压缩、弯曲等。
通过测量拉曼光谱中的振动能级，可以推断材料在受到应力作用时所经历的变形状态。
2. 陶瓷材料应力测量：陶瓷材料具有高硬度、高韧性和高应力承受能力，但它们也易于断裂。
拉曼光谱技术可以用于测量陶瓷材料中的应力状态，以便预测它们的断裂风险。
3. 机械工程应力测量：拉曼光谱技术可以用于机械工程应力测量，例如汽车制造、飞机制造、船舶制造等。
通过测量拉曼光谱中的振动能级，可以推断机械工程系统中的材料应力状态，从而帮助优化制造过程和设备性能。
4. 生物医学应力测量：在生物医学领域，拉曼光谱技术可以用于测量组织中的应力状态。
例如，通过测量拉曼光谱中的
振动能级，可以推断肿瘤组织中的应力状态，从而帮助医生诊断和预测疾病发展。
拉曼光谱技术在应力测量中的应用非常广泛，它可以帮助人们更好地理解材料内部的应力状态，并为各种工程和应用领域提供高精度、非破坏性的应力测量方法。
应力测试仪 原理
应力测试仪原理
应力测试仪是一种用于测量材料或结构在受力下产生的应力和变形的仪器。
它可以帮助工程师和研究人员评估材料或结构的强度、刚度、可靠性和安全性。
应力测试仪的原理基于胡克定律和应变测量原理。
胡克定律认为，当材料受到外力或载荷时，其产生的应力与应变成正比。
也就是说，材料的应力等于它的弹性模量乘以应变。
应力测试仪通过施加与材料或结构所受应力相对应的载荷，然后测量载荷与应变的关系，从而计算出材料或结构的应力。
通常，载荷是通过机械手或液压系统施加的，而应变是通过传感器测量的。
传感器可以是应变片、应变计、光纤传感器等。
在进行测量时，首先需要将材料或结构安置在应力测试仪的测试夹具中。
然后，通过操纵操作面板或计算机软件，施加逐渐增加的载荷，同时测量与此载荷相对应的应变。
应变与载荷之间的关系可以通过胡克定律得到，从而计算出材料或结构的应力。
除了测量应力，一些高级的应力测试仪还可以测量其他相关的力学性质，如弹性模量、屈服强度、断裂强度等。
通过这些测量结果，工程师和研究人员可以评估材料或结构的性能，优化设计和改进材料选择。
总而言之，应力测试仪利用胡克定律和应变测量原理，通过施
加载荷并测量应变，来计算材料或结构的应力。
它为工程师和研究人员提供了一种评估材料或结构性能的重要工具。
应力应变测试方法综述
应力应变测试方法综述引言：应力应变测试是材料力学性能测试中的重要内容之一，用于研究材料在外力作用下的变形行为。
本文将综述常见的应力应变测试方法，包括拉伸试验、压缩试验、剪切试验和扭转试验。
一、拉伸试验拉伸试验是最常用的应力应变测试方法，用于测量材料在拉伸条件下的力学性能。
试样被拉伸时，应力与应变之间的关系可以通过应力-应变曲线来描述。
常见的应力应变曲线包括弹性阶段、屈服阶段、塑性阶段和断裂阶段。
二、压缩试验压缩试验是将试样置于压力下进行测试的方法。
与拉伸试验类似，压缩试验可以得到材料的应力-应变曲线。
对于韧性材料，其应力-应变曲线呈现出相似的趋势，但压缩应力往往比拉伸应力大。
三、剪切试验剪切试验是用于测量材料在剪切载荷下的变形行为的方法。
试样在剪切力的作用下，发生切变变形。
剪切试验可以得到剪切应力与剪切应变之间的关系，常用的剪切应力-应变曲线包括线性阶段、屈服阶段、塑性阶段和断裂阶段。
四、扭转试验扭转试验是测量材料在扭转载荷下发生的变形行为的方法。
试样在扭转力的作用下发生扭转变形。
扭转试验可以得到剪切应力与剪切应变之间的关系，常见的应力应变曲线包括弹性阶段、屈服阶段、塑性阶段和断裂阶段。
五、其他应力应变测试方法除了上述常见的应力应变测试方法外，还有一些特殊的测试方法，如冲击试验、疲劳试验等。
冲击试验用于评估材料在高速冲击载荷下的性能，疲劳试验用于研究材料在循环载荷下的疲劳寿命。
六、应力应变测试的应用领域应力应变测试方法广泛应用于材料科学、机械工程、土木工程等领域。
它可以帮助工程师和科学家了解材料的力学性能，评估材料的可靠性和安全性。
在材料研发、产品设计和结构分析中，应力应变测试是不可或缺的工具。
结论：应力应变测试是研究材料力学性能的重要手段，常见的测试方法包括拉伸试验、压缩试验、剪切试验和扭转试验。
通过这些测试方法，可以获得材料的应力-应变曲线，从而评估材料的力学性能和变形行为。
应力应变测试在材料科学和工程领域具有广泛的应用，对于材料的研发和工程设计具有重要意义。
地应力的测量方法
地应力的测量原理目前地应力测量方法有很多种，根据测量原理可分为三大类：第一类是以测定岩体中的应变、变形为依据的力学法，如应力恢复法、应力解除法及水压致裂法等；第二类是以测量岩体中声发射、声波传播规律、电阻率或其他物理量的变化为依据的地球物理方法；第三类是根据地质构造和井下岩体破坏状况提供的信息确定应力方向。
其中，应力解除法与水压致裂法得到比较广泛的应用，其他几种只能作为辅助方法。
1.应力解除法测试原理和技术1.1应力解除法测试原理具有初始应力的岩体，用人为的方法卸去其应力，在岩体恢复变形的过程中测试其应变，然后用弹性力学理论计算出地应力的大小，得出其方向、倾角。
目前国内外地应力测量普遍采用空心包体应变计测量技术。
KX一81型空心包体应变计由A、B、C 3组共12枚应变片嵌埋在1个壁厚约3 mm的空心环氧树脂圆筒中间，圆筒外表面与钻孔壁用专用环氧树脂胶黏结在一起，其是在澳大利亚CSIRO空心包体应变计的基础上研制出来的，是套钻孔应力解除法的一种，只需1个孔就能测量出某点的三维原岩应力，具有使用方便、安装操作简单、成本低、效率高等优点。
1.2完全温度补偿技术KX一81型空心包体应变计与其他许多应变测量仪器一样，均采用应变计作为敏感元件，并根据惠斯顿电桥的原理13J，将应变的变化转换成电压变化经放大后记录下来。
电阻应变计对温度变化是很敏感的，温度发生变化时应变计的电阻值将发生变化，从而产生虚假的附加应变值。
因此在现场测试中必须采取温度补偿措施。
惠斯顿电桥原理：平衡时，检流计所在支路电流为零，则有，（1）流过R1和R3的电流相同（记作I1），流过R2和R4的电流相同（记作I2）。
（2）B，D两点电位相等，即UB=UD。
因而有 I1R1=I2R2；个阻值已知，便可求得第四个电阻。
测量时，选择适当的电阻作为R1和R2，用一个可变电阻作为R3，令被测电阻充当R4，调节R3使电桥平衡，而且可利用高灵敏度的检流计来测零，故用电桥测电阻比用欧姆表精确。
应力测试方法及标准
应力测试方法及标准应力测试是指在一定条件下对材料或构件施加一定载荷或变形，以评价其在外部力作用下的性能和稳定性。
应力测试方法及标准对于材料的选择、设计和工程应用具有重要意义。
本文将就应力测试方法及标准进行探讨。
一、应力测试方法。
1. 静态拉伸测试。
静态拉伸测试是最常用的应力测试方法之一。
在测试中，材料或构件受到均匀的拉伸力，通过测量载荷和变形，可以得到材料的应力-应变曲线，评价其力学性能。
2. 压缩测试。
压缩测试是将材料或构件受到均匀的压缩力，通过测量载荷和变形，评价其抗压性能。
在材料的设计和工程应用中，对于受压构件的抗压性能评价至关重要。
3. 弯曲测试。
弯曲测试是通过在材料或构件上施加弯曲载荷，评价其抗弯性能。
这对于一些工程结构中的梁、板等构件的设计和评价具有重要意义。
4. 疲劳测试。
疲劳测试是在材料或构件上施加交变载荷，评价其在循环载荷下的疲劳寿命。
这对于一些需要长期使用的材料和构件的设计和评价非常重要。
二、应力测试标准。
1. ASTM国际标准。
ASTM国际标准是全球范围内应用最广泛的材料测试标准之一，其标准涵盖了静态拉伸、压缩、弯曲、疲劳等多个方面，被广泛应用于材料和构件的测试和评价。
2. ISO国际标准。
ISO国际标准是国际标准化组织发布的一系列标准，其涵盖了材料和构件的各个方面，对于全球范围内的材料测试和评价具有重要意义。
3. GB国家标准。
GB国家标准是中国国家标准化管理委员会发布的一系列标准，其覆盖了材料和构件的测试和评价，被广泛应用于国内的工程设计和材料选择中。
4. JIS日本工业标准。
JIS日本工业标准是日本国家标准化组织发布的一系列标准，其在材料和构件的测试和评价方面具有重要地位，被广泛应用于日本的工程设计和材料选择中。
三、结语。
应力测试方法及标准对于材料和构件的设计、选材和工程应用具有重要意义。
通过合理选择测试方法和遵循相应的测试标准，可以准确评价材料的力学性能，为工程设计提供可靠的数据支持。
残余应力基本知识
拉伸作用引起凸出效应
垂直于表面的塑性“凸出”， 按照波松比关系，必然会产生 平行于表面的塑性收缩，而表 面之下未收缩，所以，
在被切削平面产生残余拉 应力
耕犁阶段
材料塑性滑移阶段
即“塑性凸出”，表面塑性收缩阶段
表一 残余应力峰值与喷丸预应力的关系
p(Kgf/mm2) ＋100 ＋75 ＋50 0 －98 rp(Kgf/mm2) －91 －88 －83 －63 ＋5
rp 51.30.5p(Kgf/mm2) (1)
上式的线性回归相关系数为0.973。
然后，对施加不同预应力喷丸，得到不 同残余应力的的钢板弹簧进行疲劳试验， 得到了这样的S—N曲线
残余应力基本知识简介
• 残余应力概念界定 • 残余应力的产生 • 残余应力的作用 • 残余应力的测量方法
一、残余应力的基本概念
定义
• 内应力：没有外力或外力矩作用而在物体内部存在并自身保持平衡的应力。
•历史回顾 1860年 Woehler 指出火车轴的断裂有内应力作用这个因素 1925年 Masing 首次提出将内应力分为三类。 1935年 Давиденков依据各类内应力对晶体的X射线衍射
内
外
残余 应力 （MPa）
实际测试得到的分布曲线却是这样的
400
300
200
100
剥层深度 （mm）
0
10
8
6
4
2
0
-100
-200
实测曲线与理论分析所得曲线 形状相似，区别在于表层及其 以下区间多了显著的拉应力。
实际情况是：钢板弯折 并没有达到90度，焊接 时施加外力，强制焊接 成型，于是把弹性变形 固定下来。
地应力及其确定方法综述
地应力及其确定方法综述【摘要】通过对比通过地应力测量方法、计算方法的分析和对比，为以后利用常规测井资料和成像测井资料计算地应力的多种方法奠定基础，进而从不同的角度对地应力进行了研究，不仅有助于提高地应力的计算准确率，而且可以多角度对地应力的形成过程进行因素分析。
【关键词】地应力；测量；水力压裂；凯瑟效应实验1.地应力地应力主要由垂力应力、构造应力、孔隙压力等组合而成。
在油田应力场研究中，孔隙压力对地应力的影响是非常重要的，实际上，由于地层岩石力学性质的非线性特征，地应力的各种成因分量间不是独立的，人们只是从其成因和研究分析问题的方便才对地应力进行分类的。
构造应力与上覆岩层压力构成了地应力，它作用于整个地质体上。
对于某一特定的地质体来说，将作用于其单位表面上的法向地应力定义为主应力。
在主应力方向上剪切应力为零，这样就可以把复杂的地应力归结为三个相互垂直的主应力，即三轴向应力（图1）。
通常其中一个基本上是垂直的，叫做垂向应力（Sv）；另外两个主应力基本上是水平的，称为最大、最小水平应力（SH、Sh）。
垂向应力由重力应力（上覆岩层压力）所构成，水平应力则主要由构造应力所构成。
在三个主应力中，垂向应力是比较容易确定的，其大小可由密度测井曲线确定，其方向是垂直的。
对于水平应力的方向，现在有许多方法，在油田中广泛采用井壁崩落法确定水平应力的方向，取得了良好的效果，测量水平应力大小的方法有水力压裂法、凯瑟效应实验、差应变法等。
2.地应力测量方法2.1水力压裂法用水力压裂法确定最小水平应力是目前进行深部绝对应力测量最精确的方法，在国内外都有着广泛的应用。
1989年3月30日测井公司在川西南界石场界19井进行了地应力测量试验，整个工艺是成功的，井口密封装置可以在68MPa高压下正常工作，仪器系统工作正常，记录到了类似于标准地应力曲线形状的压力曲线，但由于水泥环窜漏及施工时开压太快，未能反映出地层破裂压力，这口井的试验为今后进行地应力测试提供了宝贵的经验。
应力测量方法
The methods for stress measurement are reviewed and discussed, focusing on the principles and application of several traditional methods, such as Hole method, X-ray diffraction method, Magnetic method, Ultrasonic method, crack compliance method and so on. A new promising method, quantitative sputter depth profiling, is proposed for characterizing the stress gradient at interface.
单搬用常规法应力计算公式，而必须重新建立推导自己的应力计算公式[3]。得出无倾角侧倾法应力的计
算公式(具体推导见参考文献[3])。
2θ = a sin2 ψ 0 + b sinψ 0 + C
(6)
= σ x K sec2 η0 × a
(7)
τ xy = −K csc 2η0 × b
(8)
文献[3]也对用无倾角侧倾法测量应力时产生的系统误差、常规法和侧倾法测量中的偶然误差，应用 条件等进行了讨论。
12
姜国利，王江涌
N
B
表面法线
Ψ0
衍射面
Ψη
0 2θ
C 衍射面法线
A
样品表面
Figure 1. Schematic diagram of X-ray stress measurement 图 1. X 射线应力测量原理示意图
应力应变测量
实验步骤与操作流程
准备实验材料和设备，选 择适当的应变计和压力计。
将试样安装到试验机上， 调整试验机的初始状态。
将材料加工成标准试样， 进行温度和环境预处理。
进行实验，记录实验数据， 包括应力、应变、温度等。
数据处理与分析
01
数据清洗
去除异常值和缺失值，确保数据质 量。
统计分析
使用适当的统计方法分析数据，提 取有意义的信息。
04
应力应变测量实验设计与实 施
实验目的与要求
01 掌握应力应变测量的基本原理和方法。
02
了解材料的力学性能和应力应变曲线。
03
分析不同材料在不同条件下的应力应变行 为。
04
评估材料的强度、塑性和韧性等性能指标。
实验材料与设备
材料
不同种类和规格的金属、塑料、橡胶 等材料。
设备
万能材料试验机、应变计、压力计、 温度计、支架等。
03
应力应变测量的方法与技术
电阻应变片法
总结词
电阻应变片法是一种常用的应力应变测量方法，通过测量金属丝电阻的变化来推 算应变。
详细描述
电阻应变片由敏感栅等组成，当金属丝受到外力作用时，其电阻值会发生变化， 通过测量电阻的变化量，可以推算出金属丝的应变。该方法具有测量范围广、精 度高、稳定性好等优点，广泛应用于各种工程领域。
03
02
数据转换
将原始数据转换为更易于分析的格 式或变量。
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应力应变测量在工程中的应 用
结构健康监测
结构健康监测是利用应力应变 测量技术对工程结构进行实时 监测，以评估结构的健康状况
《应力状态理论》课件
VS
地质工程
在地质工程领域，应力状态理论对于研究 地壳应力分布、地震成因及岩土工程稳定 性等方面具有重要意义。通过将应力状态 理论与地质工程实践相结合，可以更好地 防范地质灾害和提高工程安全性。
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应力状态的重要性
工程应用
应力状态理论在工程领域中具有广泛应用，如结构分析、材料力学、岩石力学等，是解决实际工程问题的重要 基础。
学科发展
应力状态理论的发展推动了相关学科的进步，如断裂力学、损伤力学等，为解决复杂工程问题提供了更全面的 理论支持。
应力状态的历史与发展
早期研究
早期的应力状态研究主要集中在静力学领域，如弹性力学和塑性力学等，主要研究物体在受力作用下的平衡问题 。
多物理场耦合研究
在实际应用中，应力状态往往与温度、磁场等其他物理场存在耦合效应。未来研究应关注多物理场耦 合对应力状态的影响，建立更为完善的理论体系。
应力状态理论在其他领域的应用拓展
生物医学工程
在生物医学工程领域，应力状态理论在 骨骼、牙齿、血管等生物组织的生长、 修复和疾病防治等方面具有重要应用价 值。通过研究生物组织的应力状态，可 以为生物医学工程提供新的设计思路和 治疗方案。
应力的基本性质
应力的基本性质包括对称性、反对称性和转轴性。这 些性质反映了应力分布的内在规律，对于理解物体受 力状态和变形机制具有重要意义。
应力的基本性质包括对称性、反对称性和转轴性。对 称性是指对于任何点，其对称点的应力状态是相同的 ；反对称性则是指对于任何点，其对称点的应力状态 是相反的；转轴性则是指当坐标系旋转时，应力分量 的值会发生变化，但各向同性和各向异性状态不变。 这些性质反映了应力分布的内在规律，对于理解物体 受力状态和变形机制具有重要意义。
拉曼方法测量应力
拉曼方法测量应力
在材料科学和工程领域中，应力是一个重要的参数，因为它可以影响材料的力学性能和结构稳定性。
因此，精确测量应力是非常关键的。
拉曼光谱技术是一种常用的非破坏性测试方法，已经广泛应用于材料表征和应力测量。
这种方法基于拉曼散射现象，通过测量材料中原子或分子的振动模式的频率和强度来获得材料的结构和化学成分信息。
在应力测量中，拉曼方法的原理是利用应力引起的晶格参数变化导致振动模式频率的偏移。
当材料受到应力时，晶格间距会发生微小的变化，这将导致振动模式的频率发生改变。
通过测量这些频率的变化，可以间接地推断出应力的存在和大小。
拉曼方法测量应力的优点之一是可以在材料的表面进行测量，而无需对样品进行任何处理或破坏。
这使得它非常适用于不可逆材料或复杂结构的测量。
此外，拉曼方法还可以对不同方向的应力进行测量，从而提供更全面的应力分布信息。
在实际应用中，拉曼方法常常与数学模型和计算机模拟相结合，以获得更准确和可靠的应力测量结果。
通过建立材料的应力-
频率关系模型，可以根据测量的频率变化数据来计算出应力的具体数值。
除了应力测量，拉曼方法还可以用于研究材料的微观结构和相互作用。
通过分析拉曼光谱中的峰形和强度变化，可以获得关于材料的晶体结构、晶格缺陷和分子结构的信息。
总之，拉曼方法是一种非常有用的应力测量技术，可以提供精确和非破坏性的测量结果。
它在材料研究、工业生产和结构设计中都有广泛的应用前景，为我们深入理解材料的应力行为和优化材料性能提供了重要的工具。
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应力测试方法的概述
在几乎所有的机械设备中, 都有金属构件承受负载。
这些构件内部应力的大小及其变化是造成失效( 如疲劳等) 的主要原因。
金属构件内部应力的大小变化除了与其受力情况有关外, 还与其加工过程, 形变及周围的温度有关。
为了维护、检查这些和延长使用寿命, 长期以来人们很关注应力的检测。
应力的测量方法也很多, 如盲孔法、x 射线法、磁力法、超声方法等。
由于超声波所固有的特性, 如穿透能力强、仪器设备简单、测量速度快、低成本等, 利用超声波无损测量材料表面和内部的应力状况的潜力是显而易见的。
目前应力超声波测量的主要理论有:
1 声速与应力关系的Hu g h e s 和ke lly 理论
超声波测量应力方法是基于声弹性效应, 其理论基本假设为: ( 1 ) 固体连续性假设; ( 2 ) 声波的小扰动叠加在物体静态有限变形上; ( 3 ) 物体是超弹性的、均匀的; ( 4 ) 物体在变形中可视为等温或等熵过程。
1949 年Hughes 利用超声波测量晶体的三阶弹性常数, 以此为基础, 随后超声波应力测量技术得到了较大的发展。
1953 年Hughes 和Kelly 利用Lame 常数λ和μ, 以及Murnaghan 常数l 、m 和n提出了各向同性材料的声弹性理论表达式, 建立了超声波在材料中传播速度与应力之间的关系。
设固体不存在机械耗散过程，可得质点的运动方程为：
（1）
式中
是固体的单位体积中的势能, η是拉格朗日坐标下的应变矩阵, ai, xk( i , k =1 , 2 , 3 ) 是拉格朗日坐标和位移坐标。
这一方程是研究声波在固体中传播的基础。
利用( 1 ) 式, Hughes 和kelly 从理论上研究了各向同性中的波速与附加静压力或常应力的关系, 这些关系也是后来人们测量固体应力的理论基础。
选自变量为拉格朗日变量a , b , c , 质点位移用u , v, w 把表示, 由力学定律方程( 1 ) 可以写成
将上面方程中Ti j用位移表示, 最终可得出三个位移分量满足的波动方程组。
Hughes 和kelly 从理论上给出了六种情况将二个拉梅常数λ和μ三个默纳汉常数l , m, n 与应力联系起来。
( 1 ) 静压情况下纵波传播
Ti j=- p , Ti j=0 , i≠j , 假设位移分量与拉格朗日坐标成正比, 得u=αa , v=αb , w=αc 。
固体加了静压有纵波传播, 则三个位移分量为u=αa+Aej [ ωt - ( 1+a ) kta ],v=αb , w=αc , 定义频率为ω的波速为Vl P=ω/kl。
取到α的线性项, 最后可得:
Cl为P=0 时的波速。
2 ) 静压情况下横波传播
这时同理推出
( 3 ) 在纵波传播方向上加一个单向压应力情况
T11=- T, T22=T33=T23=T31=T12=0 。
三个位移分量为
可得：
( 4 ) b 方向上加压力( 或拉力) a 方向传播纵波
这时可得：
( 5 ) b 方向上加压力( 或拉力) a 方向传播横波
这时。
可得波速：
( 6 ) c 方向上加压力( 或拉力) a 方向传播横波
这时可得波速：
上面的6 个公式将声速与应力联系起来, 从而可通过声速的测定来得到应力的值。
2 基于声弹性双折射理论的应力测量
由于应力引起材料各向异性使得入射的横波分解成两个波[ 4], 这两个波的传播速度不同, 这种现象称为声弹性双折射。
考虑平面应力状态下的弱正交异性板, 取坐标系oxyz, 其中x, y 分别为主应力T1, T2的方向, z 为板材的厚度方向。
当有两个沿x, y 方向偏振的横波沿z 方向入射时, 有：
其中, Vzx, Vzy分别是沿x, y 方向的偏振, 沿z 方向传播的横波的波速; VT= ( Vzx+Vzy) /2 为两个横波的平均速度; α为织构效应引起的声各向异性, 对各向同性材料α=0 ; T1, T2为主应力; CA为声弹性双折射系数。
在实际应用中, 通常固定距离, 测量横波传播时间tzx, tzy, 则上表达式可写成:
此可以看出, 可以不用测定板的厚度, 仅通过传播时间的测量就可获得应力, 这是双折射方法的一大优点。
3 基于纵波声弹性公式的应力测量
利用纵波速度的变化可得：
Vzz为试件在平面应力T1, T2状态下纵波的传播速度; V0zz为无应力时的纵波速度; Cp为纵波声弹性系数。
在仅有轴向应力作用下, 纵波速度与应力关系为:
此公式是用超声波测定螺栓轴向应力的基础。
4 基于瑞利波声弹性公式的应力测量
对于平面应力的弱正交异性板, 瑞利波声弹性关系为:
式中, Ki j( i , j =x, y) 为表面波声弹性系数; Vx, Vy分别为平面应力状态下, 瑞利波沿主应力x 和y 方向的传播速度; V0x, V0y分别为无应力状态下, 瑞利波沿着应力x 和y 方向的传播速度。
通常V0x≠V0y, 对各向同性材料才有
V0x=V0y。
上式就是固体表面应力测量的理论基础。
从以上的原理可以看出, 这里得到的应力值是沿着声波传播路径上的平均应力。
在试件中声速的变化主要是来源于弹性模量和密度的改变, 但这两种变化都很小, 至多有0.1% , 因此, 应力测量的精度取决于声速测量的灵敏度。
目前自动声速测量的灵敏度可达10- 7~ 10- 8s , 相应的应力分辨率约几个MPa , 当然这里的应力分辨率与声波在式件中的声程有关, 声程越长分辨率越高, 反之越低。
5 存在的问题及发展方向
人们已从理论上得到了体波、瑞利波等非频散波的波速与应力的关系, 并在实践中得到了应用, 如螺栓应力的超声波测量等。
由于实际中工程构件的多样性和复杂性, 有些构件因几何尺寸的限制而不能应用现有的理论解决应力的超声波测量, 如薄板( 如1mm 厚) 内部的应力测量, 管状构件内部的应力测量等, 因此有必要对更为复杂的有频散性的导波与应力关系进行研究, 如薄板中的Lamb 波、SH 波等导波。
固体材料中的应力与声速的关系实际上体现了声波的非线性效应, 对于导波Lamb 波和SH 波由于自身组成的复杂性和波的频散性, 直到近年来才有人研究其非线性现象, 至今还没有得到其波速与应力的关系。
要想将Lamb 波等导波用于应力的测量还需理论上有所突破。
从理论上讲实际的应力包含了织构效应与应力效应。
织构效应可以在试无应力状态下进行测量, 但通常情况下都是未知的。
因此如何从实测的应力中去除织构效从而得到需要的应力效应部分, 是声弹性测量中一个关键问题。
对于织构效应的分离目前有了一些方法, 但要完全解决问题还需要进一步的研究。
利用超声波技术检测应力的基本原理是基于材料的声弹效应。
但由于超声波的声弹效应是一种弱效应, 应力引起的声速变化非常小, 要测出这个变化,
需要灵敏度和精度非常高的测量技术和仪器设备。
此外固体中的声速不仅依赖于固体中的应力而且还依赖于温度, 温度的影响体现在热膨胀系
数、密度、弹性常数的变化, 而温度对声速的影响和应力对声速的影响是在同一量级上, 目前解决的方法是利用微机系统建立波速与温度和应力的相互关系。
当前比较成熟超声波应力测量的应用有螺栓轴向应力测量, 铁路刚轨应力的测量等。
超声波应力测量即可以是试件加载应力的测量, 也可以是进行残余应力的测量。
理论上讲, 固体材料中的应力都可由声速反映出来, 因此超声波应力测量是超声波无损检测的重要内容, 但实际情况十分复杂, 致使应力的超声波应力测试技术仍处于发展阶段, 它所包括的超声学, 材料科学, 力学, 信号的检测及处理等针对性理论和相关实验设备及技术, 都有待于进行进一步的研究工作。