淬火钢的宏观内应力测定实验报告讲解
钢淬火后实验结果分析
钢淬火后实验结果分析一、实验目的1、了解热处理对材料性能的影响2、了解在相同的热处理状态下材料成分对材料性能的影响3、了解用显微镜观察金相的制样过程二、仪器材料箱式电炉（S_2-4-10、S_-4-10）、硬度测试仪（HR-150A）、30钢、T10钢、砂轮（砂纸）三、实验过程1）、金相的制备将一小块金属材料用金相砂纸磨光后进行抛光，去除金相磨面由细磨所留下的细微磨痕及表面变形层，使磨面成为无划痕的光滑镜面，然后用侵蚀剂进行腐蚀，以使组织被显示出来，这样就得到了一块金相样品。
2）、钢的热处理淬火和正火钢的淬火：淬火就是将钢加热到相变温度以上，保温后放入各种不同的冷却介质中（V冷应大于V临），以获得马氏体组织。
钢经淬火后的组织由马氏体及一定数量的残余奥氏体所组成。
步骤为：加热前先对试样进行硬度测定（为便于比较，一律用XX硬度测定）；再将试样放入箱式电炉中，T10钢在770℃左右，30钢在860℃左右分别均匀加热15分钟；然后迅速在水中冷却，并不断搅拌。
将淬火后的试样用砂轮磨平,并测出硬度值（HRC）填入表1钢的正火：钢加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1(过共析钢)以上30～50℃以上，保温适当时间后，在自由流动的空气中冷却的热处理工艺。
步骤为：加热前先对试样进行硬度测定（为便于比较，一律用洛氏硬度测定）。
再将试样放入箱式电炉中，T10钢在770℃左右，30钢在860℃左右分别均匀加热15分钟，后在空气中缓慢冷却。
将正火后的试样用砂轮磨平,并测出硬度值（HRC）填入表2中。
四、结果及讨论1、为什么淬火处理后的硬度值比正火处理后的高答：因为淬火冷却速度比正火冷却速度快，由过冷奥氏体的连续冷却转变图像可知淬火后得到的是马氏体组织，而正火后得到的组织主要是珠光体。
马氏体比珠光体晶粒度细晶界面多，使得晶体的位错滑移阻力增大，从而硬度提高。
2、在相同的热处理状态下不同的材料成分对钢的硬度的影响答：钢的硬度与钢的含碳量有关。
实验钢铁材料常见组织及钢的宏观检验技术(ppt)
4、钢的退火、正火、淬火与回火组织
（3）淬火 淬火是将工件加热到Ac3或Ac1以上某一温度保温一定时间，然 后以适当速度冷却，获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺称为淬火。
45钢850℃淬水组织
优点：检验范围大，视域宽，检验方法、操作技术以 及所需的检验设备简单，较快捷全面地反映出材料或 产品的品质。
检验范围：钢材中的疏松、气泡、缩松残余、非金属 夹杂物、偏析、白点、裂纹以及各种不正常的断口缺 陷。
实验方法：硫印实验、酸蚀实验、断口实验、塔形实 验等
5.1、硫印实验
硫印实验可以用来检验硫元素在钢中的分 布情况。
①钢的珠光体转变
P的转变发生在临界温度A1以下较高的范围内，又称为高温转变。
此外，还有球状珠光体
3、钢的等温转变曲线及钢铁材料常见组织
难点
以共析钢为例， 过冷A等温转变 曲线称为C曲线， 也称为TTT （Time
Temperature Transformation）
图2-2
②钢的马氏体转变
马氏体转变属于低温转变。钢的马氏体组织是碳在α-Fe中的过饱和 固溶体，是典型的非扩散型相变。
棒材、钢胚和圆钢等产品从垂直于扎制方向的界面选取。 对于锻件，应选取纵向截面进行实验。 对硫印试样采用刨、车、铣和研磨等方式加工，建议表面粗糙度约为Ra 1.6～ 1.8μm。
②试验材料和试剂：
相纸；3%体积硫酸+97%体积水；定影液（采用商用定影液或150～200g/L Na2S2O3水溶液）。
Ld’+P+Fe3CⅡ组织
2、铁碳合金的平衡组织
宏观应力的测定分析
y E y
（1） x z
x z y （2）
E为材料的杨氏模量，ν为泊松比
拉伸形变
在每一个面上有正应力 和切应力，平衡条件下： σ x=σ-x τ xy=τyx
立方体积元上的正应力和切应力
所以，只用6个应力分量就可以确定物体任何一点 的应力状态：σx,σy,σz,τxy,τyz,τzx
a1 sin cos a2 sin sin a3 cos 1 sin2
（10）
将式（10）代入式（9）
可得：
（sin cos）21 （sin sin）22 （1 sin2）3 （11）
1
1 E
[
1
（ 2
3）]
2
1 E
y
d1 d0 d0
（5）
测量垂直于y轴的晶面的面间距难以 实现，而可以通过测量平行于y轴的应变， 间接推得y方向应变。
在z方向反射面的晶面间距变化△d＝
❖
dn-d0，则：
z
dn d0 d0
（6）
则εy= - εz /
y方向的应力为：
y
E y
E（ dn d0 ）
d0
（7）
❖而晶面间距的变化△d是通过测量
σψφ、σφ与主应力的 关系
❖ 而描述主应力和主应变两者关系的广义朋
克定2
1 E
[ 2
(1
3)]
（3）
3
1 E
[ 3
( 2
2 )]
主应力已知的情况下，空间任一方向的主应 力（主应变）为：
a121 a22 2 a323 （4） a121 a222 a323
❖ X射线测定残余应力的优点：
1）X射线测定表面残余应力为非破坏 性试验方法－为无损检测方法。
淬火钢宏观内应力测定实验报告
淬火钢的宏观内应力测定实验报告一、实验目的1、了解金属材料内应力的分类和对材料性能的影响；2、掌握X射线衍射法测量金属材料宏观应力的原理和实验方法。
二、实验内容测定金属材料宏观内应力。
三、实验仪器设备及材料D8 Advance型X射线衍射仪四、实验原理（一）、内应力的产生、分类及其影响当产生应力的各种因素（如外力、温度变化、加工过程、相变等）不复存在时，在物体内部存在并保持平衡的应力称为内应力。
按存在范围的大小，可将内应力分为以下3种：①第一类内应力：在较大范围内存在并保持平衡着的应力。
释放之，体积或形状发生变化。
应变均匀分布，这样方位相同的各晶粒中同名HKL面的晶面间距变化就相同，从而导致衍射峰位向同一方向发生漂移。
衍射效应：衍射峰位同一方向漂移。
X射线仪测量的理论基础－漂移值。
②第二类内应力：在数个晶粒范围内存在并保持平衡着的应力。
释放之，有时也会引宏观体积或形状发生变化。
应变分布不均匀，不同晶粒中，同名HKL面的晶面间距有的增加，有的减少，导致衍射峰位向不同方向发生漂移。
衍射效应：衍射峰漫散宽化。
X 射线测量的理论基础－宽化值。
③第三类内应力：在若干个原子范围存在并平衡着的应力。
释放之，不会引起宏观体积和形状的改变。
原子离开平衡位置，产生点阵畸变。
衍射效应：衍射强度下降。
宏观应力或残余应力对材料和部件的尺寸稳定性、抗应力腐蚀、疲劳强度、静强度、硬度、以及相变和电磁性能均会产生影响。
一般认为压应力有益提高构件的疲劳强度;拉应力可促使裂纹开裂、对应力腐蚀和疲劳寿命产生不利影响。
对宏观应力或残余应力研究很有实际意义，对其测量受学术界和工业界的关注。
测宏观应力或控残余应力以提高工件或材料的性能和使用寿命在工程上应用极为重要。
如航空航天上用的镍高温合金涡轮发动机叶片和铝合金均经喷丸强化处理，提高疲劳寿命； 又如低碳不锈钢经二精炼工艺,提高了抗晶间应力腐蚀性能；另还有小到钟表游丝，大到球灌、船舰、大桥桥梁、铁轨等等均需经相应的去应力工艺处理，充分发挥材料或构件自身潜力。
钢的淬透性测定实验结论
钢的淬透性测定实验结论
钢的淬透性测定实验是用来评估钢材的淬透性能力，在淬火过程中钢材的冷却速度与其淬透性直接相关。
实验结果的结论主要根据材料的显微组织和硬度来进行判定。
如果钢材经过淬火处理后，在显微组织上呈现出均匀细小的马氏体，并且硬度较高，说明钢材具有良好的淬透性能力。
这意味着钢材在淬火过程中能够迅速冷却并形成高硬度的马氏体结构。
另一方面，如果钢材的显微组织呈现出大块体结构或者硬度较低，说明钢材的淬透性能力较差。
这可能是由于冷却速度不够快或者钢材的化学成分不适宜导致的。
总而言之，钢的淬透性测定实验的结论主要取决于钢材的显微组织和硬度，能够评估钢材的淬透性能力。
钢的宏观检
图3-37 萘状断口
2.石状断口 石状断口的宏观形貌是：断口表面凸 凹不平，如同砂石镶嵌（也称“过热小 平面”或“小棱面”）在断面上，断口 呈灰白色，无金属光泽。严重时石状分 布于整个断面（图片3-38）。
图3-38 18Cr2Ni4WA钢 石状断口
石状断口是沿粗晶粒的晶界断裂。由于沿粗大的原奥 氏体晶界析出的第二相（包括非金属夹杂物）不同， 其断裂形态可分为沿晶韧性断裂和沿晶脆性断裂。石 状断口或棱面断口的检查是在韧性状态下进行的。 石状断口的成因，是加热温度过高、奥氏体晶粒粗 大、冷却时沿原奥氏体晶界析出了第二相质点或薄膜。 对于不同钢材，析出的物质也不同。 大多数合金结构钢形成石状断口时的主要析出相是 MnS。例如，18Cr2Ni4WA钢石状断口的“过热小平面” 是由大量韧窝组成的（图片3-39），韧窝底部有MnS 沉淀（图片3-40）。
3.断口试验 将试样按规定采取，经热处理后，用冲击 力将其折断，观察其断口情况，如检查“白点” 等。 4.塔形试验 沿轧制的纵向取一定长度的试棒，然后车 成粗、细不同的三种直径试样，检查不同截面 上是否有发纹。 5.超声波探伤 一种无损检验，通过超声波的传播情况观 察钢内部的缺陷情况。
特点与内容
热酸蚀法 多用于钢铁材料，常用的试剂为50 ％盐酸水溶液,加热温度70±5℃。浸蚀时间因 金属成分、状态、试面光洁度、酸液实际浓度、 酸液实际温度和试验要求而异，但均以金属组 织能清晰地显现为准。酸蚀后取出试件，用弱 碱性溶液中和处理，也可直接在热水中刷洗， 除去试验面上腐蚀产物，吹干后观察评定。
接触硫化物多的部位的印相纸呈現浓茶 褐色或黑色，硫化物少的部位不变色； 保存此相片時，水洗后，定影、干燥即 可，硫酸水溶液的浓度及被检面的压貼 時間一定時，可依黑色的浓淡判定硫量， 此法的应用如下所示。
淬火组织应力分析
淬火组织应力分析淬火是一个复杂的过程，除了热应力，淬火时也存在组织应力，它对工件的影响也比较大。
那么它该怎么分析呢?接下来就让我们一起了解一下吧。
淬火时组织应力分析为了把热应力分开，选用C曲线很靠右的钢，以便从淬火加热温度以极缓慢的冷却速度降温至Ms点的过程中，不发生其他转变。
因为冷却速度很慢，故在冷至Ms点时，工件内没有温差发生与存在，因而也无热应力的发生。
到Ms点后，突然采用快冷，由于表面直接与淬火介质接触，冷却很快，而心部靠其与表面的温差以热传导的方式散热，温度下降极慢，由开始冷却τ0至τ1时刻内，表面温度下降至Ms点以下的很大温度范围，则将有大量奥氏体转变成马氏体，因而比体积增大，而心部温度下降很少，奥氏体转变成马氏体数量很少，比体积变化不大。
故发生与热应力变化开始阶段相类似，但应力类型恰好相反的情况，即表面的膨胀受到心部的抑制，从而产生压应力，心部则受拉应力，如图1所示的τ1处。
图1 圆柱钢试样截面上在冷却过程中组织应力的变化由于此时心部仍处于奥氏体状态，塑性较好，因此当应力超过其屈服强度时将产生塑性变形，削去部分内应力。
再继续冷却，可用与热应力分析相类似的方法，相当于τ2处心部和表面内应力趋向零。
再继续冷却，由于心部和表面都有大量马氏体存在，屈强比提高，不易发生塑性变形，最后当心部和表面温度一致时，试样内仍残存着内应力，此时由于组织应力所引起的残余内应力，其表面为拉应力，心部为压应力，如图2所示。
图2 圆柱钢试样截面上在冷却过程中组织应力的变化显然，计算淬火冷却过程中组织应力的应力场要比热应力场的计算复杂得多。
同样它以冷却过程中温度场的计算为出发点，但在计算出温度场的变化后，接下来要考虑的问题就比较复杂，最简单的情况是钢能完全被淬透得到100%马氏体，不考虑热应力，此时应考虑工件内各点到达Ms点的时刻。
随着工件内温度场的变化，根据Ms点计算出工件内各点随着温度下降而发生的马氏体转变量，从而计算出各点的比体积变化，再用弹塑性力学与上述热应力场的计算类似，计算组织应力场的变化，从而得到瞬时组织应力分布和最终残余应力分布(应力场)。
实验2 钢铁材料常见组织及钢的宏观检验技术
45钢淬火后中温 回火T回
45钢淬火后 高温回火S回
3、钢的等温转变曲线及钢铁材料常见组织
难点
以共析钢为例 ，过冷A等温转 变曲线称为C曲 线，也称为TTT （Time Temperature Transformation ）
图2-2 精品课件
以较慢条件下冷却得到沿晶界析出的T+M组织
45钢860℃淬油组织
精品课件
4、钢的退火、正火、淬火与回火组织
（3）淬火 淬火是将工件加热到Ac3或Ac1以上某一温度保温一定时间，然 后以适当速度冷却，获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺称为淬火。
45钢750℃淬水组织
45钢920℃淬水组织
45钢860℃淬油组织
精品课件
4、钢的退火、正火、淬火与回火组织
（4）钢的回火 回火是指工件淬硬后，再加热到Ac1点以下某一温 度，保温一定时间，然后冷却到室温下的热处理工艺。
第二章 钢铁材料常见组织及 钢的宏观检验技术
1、 Fe-C(Fe-Fe3C)相图的作用及分析 重点
2、钢铁材料常见平衡组织 重点
3、钢的等温转变曲线及钢铁材料常见组织 难点
4、钢的退火、正火、淬火与回火组织 重点
5、钢的宏观检验技术 基本内容
硫印试验的方法和步骤
酸蚀试验的方法和步骤
断口检验的方法与断口分类和识别
ห้องสมุดไป่ตู้
温度，反应式：
γ →α S0.77%C
P0.0218%C
+
Fe3C6.69%C
④其他重要的转变线 GS线，A3线；ES线，ACM线。
2、铁碳合金的平衡组织
①工业纯铁 （铁素体F）
工业纯铁显 微 组织
精品课件
实验七材料的宏观分析
三、实验报告要求 1．简述宏观检验的意义。 2．说明一般试样常见的缺陷特征和名称。 3．简述酸浸法步骤，画下自己所 制作的低倍组织图。
低倍检验的主要方法___磨片分析(即酸浸法) 可用于以下方面: 1、观察铸件的晶粒大小、形状及分布； 2、检查铸锭的疏松、缩孔、夹杂、气泡及裂纹 等缺陷； 3、观察锻件的流线、发纹、折叠翻皮等； 4、观察焊接件焊缝组织的状况，如热影响区大 小，是否有气孔、夹杂等；（粗视可见低碳钢的 堆焊层为柱状晶）； 5、观察材料化学成分的不均匀性，如点状偏析、 方框偏析、枝晶偏析等； 另外通过对失效零件的断口分析可观察到明 显的缺陷，包括缩孔、气泡、大裂纹、翻皮等， 以及断口的成因有应力腐蚀、疲劳或白点等。
材料的宏观分析
实验目的
1．初步掌握宏观分析材料质量的原理及 方法。 2．了解金属铸件、锻件、焊接件的宏观 组织特征
通常用眼睛直接观察或者用30倍以下的放大镜 观察材料端口或磨面的组织的缺陷的方法称为宏观分 析或粗视分析法。这种方法可在较大范围内观察钢材 的组织情况，同时用来分析材料的冶金质量和加工质 量，以及材料失效分析。 材料中的低倍缺陷有疏松、偏析、白点、缩孔、 裂纹、非金属夹杂、气泡及各种不正常断口等。这些 缺陷大多是在材料的浇注、结晶和热加工过程中形成 的。 检查材料宏观缺陷的方法主要有酸浸低倍试验、 断口检验、超声波探伤等。
（5）锭型偏析 特征：酸浸试片上呈腐蚀较深的，并由暗点和空隙组成的，与原
锭型横截面形状相似的框带，一般为方形，故又称方形偏析。 产生原因：在钢锭结晶过程中由于结晶规律的影响，柱状晶区 与中心等轴区交界处的成分偏析和杂质集聚所致。
（6）点状偏析 特征：在酸浸试片上呈不同形状的大小的暗色斑点。不论暗色斑
（2）硫印 钢中的硫在一般情况下为有害杂质，易形成硫化物夹 杂影响钢材质量。通过硫印试验可检查钢材或零件中的 含硫量及硫的分布状况，从而确定钢材质量。 A.硫印方法：试样磨平后用水冲洗干净，将照相纸 浸入3—5%的硫酸水溶液中5分钟左右，取出将药面紧贴 在试样表面并压紧，接触面间不得有气泡，两者不能相 对滑动，以免硫印斑点模糊不清。经3—5分钟后揭下相 纸，用清水冲洗，然后放入10%大苏打水溶液中定影10— 20分钟，最后水洗，烘干。相纸上棕色斑点即表示了试 样上硫的分布。 硫印原理：由于钢中的硫常以MnS或FeS的形式存在 ，硫印时，硫化物与相纸上硫酸接触后，通过下列反应 生成H2S： FeS（MnS）+H2SO4——FeSO4（MnSO4）+H2S 生成的H2S又与相纸上的AgBr起作用： H2S+2AgBr——2HBr+Ag2S 生成的Ag2S沉淀即是相纸上的棕褐色斑点。
淬火钢的宏观内应力测定—南理工
淬火钢的宏观内应力测定班级：9131161502学号：*************名：***南京理工大学材料科学与工程学院2016．5. 30实验宏观内应力测定一、实验目的：进行宏观内应力的测定二、实验仪器：D8AA25 X射线衍射仪三、实验原理：残余应力是一种内应力，内应力是指产生应力的各种因素不复存在时（如外加载荷去除、加工完成、温度已均匀、相变过程中止等），由于形变、体积变化不均匀而存留在构件内部并自身保持平衡的应力。
内应力按其平衡范围分为三类：第一类内应力（σⅠ）：在物体宏观体积内存在并平衡的内应力，此类应力的释放，会使物体的宏观体积或形状发生变化。
第一类内应力又称“宏观应力”或“残余应力”。
宏观应力的衍射效应是使衍射线位移。
第二类内应力（σⅡ）：在数个晶粒的范围内存在并平衡的内应力，其衍射效应主要是引起线形的变化。
在某些情况下，如在经受变形的双相合金中，各相处于不同的应力状态时，这种在晶粒间平衡的应力同时引起衍射线位移。
第三类内应力（σⅢ）：在若干原子范围内存在并平衡的应力，如各种晶体缺陷（空位、间隙原子、位错等）周围的应力场。
此类应力的存在使衍射强度降低。
通常把第二类和第三类应力称为“微观应力”宏观应力在物体中较大范围内均匀分布，产生的均匀应变表现为该范围内方位相同的各晶粒中同名（HKL）面晶面间距变化相同，并从而导致了衍射线向某方向位移（2θ角的变化），这就是X射线测量宏观应力的基础。
X射线衍射法通过测量弹性应变求得应力值。
对理想的多晶体（晶粒细小均匀、无择优取向），在无应力的状态下，不同方位的同族晶面间距是相等的，而当受到一定的宏观应力ϕζ时，不同晶粒的同族晶面间距随晶面方位及应力的大小发生有规律的变化，（书上图6-4）。
可以认为，某方位面间距ϕψd 相对于无应力时的变化000//)(d d d d d ∆=-ϕψ，反映了由应力所造成的面法线方向上的弹性应变，即：0/d d ∆=ϕψε。
6-宏观应力测定解析
X射线法也有许多不足之处： 测试设备费用昂贵； 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； 当被测工件不能给出明锐的衍射线时，测量精确度不高。 能给出明锐衍射峰的试样，其测量误差约为 ±2×107Pa(±2kgf/mm2)； 试样晶粒尺寸太大或太小时，测量精度不高； 大型零件不能测试； 运动状态中的瞬时应力测试也有困难。
y
C
,
A B
3
E
1 sin2
1 x
O
2 z
§6.3 平面应力测定原理
Ns Np Ns
Np
测 dn
测 d
X射线入射方向偏转 角，测定法线方向与Ns成 角的（hkl）晶面的面间距 d
§6.3 平面应力测定原理
当切应力为零，仅存在 三个相互垂直的主应力 σ1、σ2、σ3时。空间任一 方向Ψ（图中的OA方向） 的正应力为：
§6.1 引言
残余应力产生的根本原因是弹性变形，而塑性 变形只是诱因。理想的塑性变形是原子滑移到 另一个平衡周期位臵上的过程，并无应力产生。 第二类内应力作用范围与晶粒尺寸相当，即在 晶粒或亚晶粒之间保持平衡。这种内应力有时 可达到很大的数值，甚至可能造成显微裂纹并 导致工件破坏。
§6.1 引言
同时存在，互为因果。
§6.1 引言
二、利用X射线检测各残余应力原理
通常力学实验，应力测试是根据应变片电阻值的变化推 算出变形量，再利用虎克定律计算出应力值，σ=Eε。 利用 x-ray 进行应力测试也是通过测定应变量再推算应力， 不同的是这个应变是通过某一晶面间距的变化来表征的 （由于外界因素使晶面间距发生变化）。
实验一(铸造内应力的形成及测量分析)
实验一 铸造内应力的形成及测量分析1、实验目的1）了解坩锅炉熔炼原理及工艺过程。
2）测定应力框产生的铸造热应力。
3）分析应力框产生内应力的原因、应力对铸件质量的影响。
2、实验原理根据“T ”形杆冷却过程中形成“粗杆受拉、细杆受压”的原理，设计如图1所示的应力框。
合金浇铸、冷却后，会在应力框的粗、细杆中形成不同性质的应力。
将粗杆锯断，将使应力约束条件释放，致使应力杆的尺寸发生变化。
测量应力杆的尺寸变化大小，根据虎克定律，便可计算出应力框中应力杆的大小。
应力框尺寸如图1所示，采用潮模砂造型，在电阻坩锅炉中熔炼ZL101合金，浇铸应力框。
3、实验步骤及方法1）手工造型应力框铸型。
2）坩锅电阻炉中熔炼ZL101 合金。
3）浇铸应力框。
4）冷却后清理。
5）将中间的粗杆打两点标志，测量两点距离L 0，然后将中间杆锯断，再测量两点的距离L 1。
6）根据测量结果，计算杆中的铸造应力。
σ= E ε = E （L 1 – L 0）/ L ( N/mm 2)式中： E --- 弹性模量，ZL101 为：72.4×103 N/mm 2；L ---- 中间杆的长度 mm 。
4、实验报告1）画出应力框图，标出细杆和粗杆中存在的铸造应力性质（拉应力为+,压应力为-）。
2）测量、计算铸造应力。
测量结果：L 0、L 1、L ；计算结果：σ3）分析应力框产生的原因和铸造应力对铸件质量的影响。
实测数据：L 0 = 80mm L 1 = 80.5mm L = 300mm图1铸造应力框。
第6章 宏观应力测定
3)]
3)]
2)]
平面应力状态
1 2 3
1 E
[
1
1 E
[
2
E
(
1
2]
1]
2)
在主应力坐标系中，任一方向的正应力（或正应变）与主应力（或
主应变）之间的关系为：
12 12
1 1
22 2 32 22 2 32 3
3
其中，α1、α2、α3为σψ在主应力（或主应变）空间的方向余弦。
2) 平面应力状态
共同点： 都是通过应变的测量达到应力测定的目的。
优点：该法属非破坏性检验，可测定表层（极浅层）和局部 小区域的应力等。
不足：其测定准确度尚不十分高。
二、宏观应力测定的原理 1、思路：
有应力存在 应变 晶面间距d变化 θ变化 2、衍射峰在应力下的变化情况：
第一类应力： 衍射峰的位移
峰位变化
第二类应力： 衍射峰宽化
d / d cot
于是有：
Z
E
cot
θ
θ
上式为测定单轴应力的基本公式。
上述分析表明：
1)当试样中存在宏观应力时，会使衍射线产生位移,可通 过测量衍射线位移测定宏观内应力。
2)X-射线测量宏观内应力主要是测量应变，宏观内应力通 过虎克定律计算获得。
3、测定原理： （2）求应力 2） 平面应力状态
2、研究意义
工件受力作用
残余应力
性能
在生产应用上：通过应力测定，可以 检查应力消除工艺的效果， 检查表面强化处理工艺的效果， 预测零部件疲劳强度的储备。 X射线应力测定在评价材料强度、控制加工工
艺，检查产品质量等方面都具有重要的作用。
实验应力分析实验报告
一、实验目的1. 了解应力分析的基本原理和方法；2. 掌握材料力学实验的基本操作和数据处理方法；3. 通过实验验证材料力学理论，提高分析问题的能力。
二、实验原理本实验采用低碳钢制成的矩形截面试件，利用静态电阻应变仪测量梁在纯弯曲状态下横截面上正应力的大小和分布规律，验证纯弯曲梁的正应力计算公式，并测定材料的泊松比。
三、实验设备1. 多功能实验台；2. 静态数字电阻应变仪一台；3. 矩形截面梁；4. 游标卡尺。
四、实验步骤1. 测量梁的截面尺寸h和b，力作用点到支座的距离以及各个测点到中性层的距离；2. 根据材料的许用应力和截面尺寸及最大弯矩的位置，估算最大荷载，确定量程、分级载荷和载荷重量；3. 接通应变仪电源，分清各测点应变片引线，将各个测点的应变片和公共补偿片接到应变仪的相应通道，调整应变仪零点和灵敏度值；4. 记录荷载为F的初应变，每增加一级荷载就记录一次应变值，直至加到最大荷载；5. 按上述步骤再做一次实验，根据实验数据决定是否再做第三次；6. 根据应变值和应变片至中性层的距离，计算各点的应力增量；7. 比较实测应力值与理论应力值，分析误差原因。
五、实验数据及处理1. 梁试件的弹性模量E =2.06×10^5 MPa；2. 梁试件的横截面尺寸h = 40.20 mm，b = 20.70 mm；3. 支座到集中力作用点的距离L = 90 mm；4. 各测点到中性层的位置：Y1 = 20.1 mm，Y2 = 10.05 mm，Y3 = 0 mm，Y4 = 10.05 mm，Y5 = 20.1 mm；5. 载荷(N)：F1 = 1000 N，F2 = 2000 N，F3 = 3000 N，F4 = 4000 N，F5 = 5000 N；6. 静态电子应变仪读数：ε1 = 0.0006，ε2 = 0.0012，ε3 = 0.0018，ε4 = 0.0024，ε5 = 0.0030。
根据实验数据，计算各点的实测应力增量：1. 实测应力增量Δσ1 = ε1 E Y1 = 0.00062.06×10^5 MPa 20.1 mm = 24.864 MPa；2. 实测应力增量Δσ2 = ε2 E Y2 = 0.0012 2.06×10^5 MPa 10.05 mm = 24.864 MPa；3. 实测应力增量Δσ3 = ε3 E Y3 = 0.0018 2.06×10^5 MPa 0 mm = 0 MPa；4. 实测应力增量Δσ4 = ε4 E Y4 = 0.0024 2.06×10^5 MPa 10.05 mm = 24.864 MPa；5. 实测应力增量Δσ5 = ε5 E Y5 = 0.0030 2.06×10^5 MPa 20.1 mm = 24.864 MPa。
淬火应力的研究进展
20Metallurgical smelting冶金冶炼淬火应力的研究进展郑汉清（上海工程技术大学 材料工程学院，上海 201620）摘 要：淬火是调控合金钢组织和性能的一种重要热处理工艺，但淬火冷却速度快，热应力和组织应力常常会导致工件尺寸和形状的变化，严重时甚至使得工件开裂，因此，分析研究淬火过程中淬火应力的分布和演变，对于大型工件的生产加工具有重要意义。
对淬火应力的测量方法主要是实测法和利用计算机的数值模拟法。
与实测法相比，采用数值模拟法能够解决实际生产中的大型零件和不规则零件的残余热应力的测量，并节省大量试验成本，提高实验效率，本文综述了国内外通过数值模拟分析研究淬火应力的成果与进展。
关键词：淬火应力；数值模拟；有限元模拟中图分类号：TG456.7 文献标识码：A 文章编号：11-5004（2021）11-0020-3收稿日期：2021-06作者简介：郑汉清，男，生于1999年，汉族，福建莆田人，本科，研究方向：淬火残余应力。
在我们进行快速淬火处理过程中，金属材料在不同的淬火温度下，其心部也会在不同的淬火速度下进行快速冷却，在这个淬火热处理过程中，金属材料的整体内部结构和受热状态都可能会同时发生某些变化，因此，在我们进行快速淬火处理过程中，必将会在金属材料内部产生热应力和相变应力，,并且会改变这些金属材料的内部体积和从而使其产生一定的热应力变形。
一般来说，钢铁在热处理过程中产生的淬火应力主要认为是由两种客观条件因素造成的，分别是由于工件温度的剧烈变化引起的热应力和由于组织结构变化不均匀所致而引起的组织应力。
热应力通常是指一种工件在进行连续加热或者冷却的工作过程中，由于接触工件本体表面层和工件中心层内部而可能存在的温度差，钢件内外的膨胀和收缩不同而形成的应力。
淬火热应力一般导致工件的中心部形成拉应力，表面形成压应力。
相变应力主要是指金属材料在进行热处理工艺过程中发生了一系列的微观组织转变,即相变过程中所发生的应力，包括非均匀相变所引起的组织应力以及不等时相变所引起的其他附加应力。
淬火时工件的内应力
淬火时工件的内应力1. 引言淬火是一种常见的金属热处理工艺，在制造业中起着重要的作用。
在淬火过程中，工件经历了迅速冷却的过程，从而在其内部产生了较高的残余应力。
这些残余应力对于工件的性能和可靠性具有重要影响。
本文将探讨淬火时工件的内应力，包括内应力的产生机理、影响因素以及如何进行内应力的评估和控制。
2. 内应力的产生机理淬火过程中，工件由于迅速冷却导致不同部位的温度变化不均匀，从而引起了内应力的产生。
具体而言，内应力的产生机理可以分为以下几个方面：2.1 热应力在淬火过程中，工件表面和内部的温度差异会引起热应力的产生。
当工件表面迅速冷却时，由于内部温度较高，表面产生了较大的收缩，而内部则尚未发生收缩。
这种温度梯度导致了工件表面的拉伸应力和内部的压缩应力，从而产生了热应力。
2.2 相变引起的体积变化在淬火过程中，金属发生了相变，例如钢材在淬火时会发生奥氏体转变为马氏体的相变。
这种相变引起了金属的体积变化，从而产生了内应力。
2.3 变形引起的弹性应力淬火过程中，由于金属的收缩变形，工件内部会产生弹性应力。
这种应力是由于金属的变形量和弹性模量之间的关系所导致的。
3. 影响因素淬火时工件的内应力受到许多因素的影响，包括材料的性质、几何形状、冷却速率等。
以下是一些常见的影响因素：3.1 材料的性质材料的性质包括弹性模量、热导率、热膨胀系数等。
这些性质决定了材料在淬火过程中的热应力和弹性应力。
3.2 几何形状工件的几何形状对于内应力的分布具有重要影响。
例如，在一些特殊形状的工件中，由于几何约束，可能会产生较高的内应力。
3.3 冷却速率冷却速率是淬火过程中的关键参数之一。
较高的冷却速率可以导致较高的内应力，而较低的冷却速率则可以降低内应力的生成。
4. 内应力的评估和控制为了评估和控制淬火时工件的内应力，可以采用以下一些方法：4.1 数值模拟利用有限元分析等数值模拟方法，可以对淬火过程中的温度场和应力场进行预测。
实验二 钢铁材料常见组织及钢的宏观检验技术
实验二钢铁材料常见组织及钢的宏观检验技术(验证性)一、实验目的及要求1．掌握钢铁材料常见平衡组织、非平衡组织。
2．了解钢的宏观检验技术。
二、实验原理1、Fe-C(Fe-Fe3C)相图是材料科学中的基础知识。
由于碳在铁中的含量超过溶解度后剩余的碳以两种形式存在，即以渗碳体Fe3C和石墨碳的形式存在，因此Fe-C合金有两种相图，即Fe-C和Fe-Fe3C相图。
通常情况下，铁碳合金是按Fe-Fe3C系进行转变的。
图1-23即为Fe-Fe3C相图。
图中各特性点的温度、含碳量及意义见表1-3。
注意，各符号国际通用，不能随便跟换。
铁碳合金中的固态相：铁素体，渗碳体，奥氏体室温组织组成物：铁素体，渗碳体，珠光体，莱氏体图2-1 Fe-Fe3C相图表2-1铁碳合金相图中的特性点2、相图分析①包晶转变线（水平线HJB ），转变温度1495℃反应式：L B 0.53%C + δH 0.09%C ⇔ γJ 0.17%C此类转变仅发生在含碳量的质量分数为0.09%～0.53%的铁碳合金中。
②共晶转变（水平线ECF ），转变温度1148℃反应式：L d ⇔ γ E 2.11%C + Fe 3C 6.69%C此类转变发生在含碳量的质量分数为2.11%～6.69%的铁碳合金中。
③共析转变（水平线PSK ），转变温度727℃，通常标为A 1温度反应式：γS0.77%C ⇔αP0.0218%C + Fe 3C 6.69%C含碳量超过0.02%的铁碳合金都发生这个转变。
④其他重要的转变线GS 线，奥氏体(A)中开始析出铁素体（F ）或者F 全部溶入A 的转变线此温度为A 3温度。
ES 线，碳在A 中的溶解度线，此温度称为A CM 温度。
低于此温度时，A 中仍将析出Fe 3C ，把它称为二次Fe 3C ，记作Fe 3C Ⅱ。
PQ 线，碳在F 中的溶解度线。
F 在727℃冷却时，会析出渗碳体，成为三次渗碳体，记作Fe 3C Ⅲ。
3、铁碳合金的平衡组织铁碳合金的平衡组织指的是合金在加热到一定温度后以及缓慢的冷却速度到室温状态得到的组织。
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淬火钢的宏观内应力测定实验报告一、实验目的1、了解金属材料内应力的分类和对材料性能的影响；2、掌握X射线衍射法测量金属材料宏观应力的原理和实验方法。
二、实验内容测定金属材料宏观内应力。
三、实验仪器设备与材料D8 Advance型X射线衍射仪四、实验原理（一）、内应力的产生、分类及其影响当产生应力的各种因素（如外力、温度变化、加工过程、相变等）不复存在时，在物体内部存在并保持平衡的应力称为内应力。
按存在范围的大小，可将内应力分为以下3种：①第一类内应力：在较大范围内存在并保持平衡着的应力。
释放之，体积或形状发生变化。
应变均匀分布，这样方位相同的各晶粒中同名HKL面的晶面间距变化就相同，从而导致衍射峰位向同一方向发生漂移。
衍射效应：衍射峰位同一方向漂移。
X射线仪测量的理论基础－漂移值。
②第二类内应力：在数个晶粒范围内存在并保持平衡着的应力。
释放之，有时也会引宏观体积或形状发生变化。
应变分布不均匀，不同晶粒中，同名HKL面的晶面间距有的增加，有的减少，导致衍射峰位向不同方向发生漂移。
衍射效应：衍射峰漫散宽化。
X射线测量的理论基础－宽化值。
③第三类内应力：在若干个原子范围存在并平衡着的应力。
释放之，不会引起宏观体积和形状的改变。
原子离开平衡位置，产生点阵畸变。
衍射效应：衍射强度下降。
宏观应力或残余应力对材料和部件的尺寸稳定性、抗应力腐蚀、疲劳强度、静强度、硬度、以及相变和电磁性能均会产生影响。
一般认为压应力有益提高构件的疲劳强度;拉应力可促使裂纹开裂、对应力腐蚀和疲劳寿命产生不利影响。
对宏观应力或残余应力研究很有实际意义，对其测量受学术界和工业界的关注。
测宏观应力或控残余应力以提高工件或材料的性能和使用寿命在工程上应用极为重要。
如航空航天上用的镍高温合金涡轮发动机叶片和铝合金均经喷丸强化处理，提高疲劳寿命； 又如低碳不锈钢经二精炼工艺,提高了抗晶间应力腐蚀性能；另还有小到钟表游丝，大到球灌、船舰、大桥桥梁、铁轨等等均需经相应的去应力工艺处理，充分发挥材料或构件自身潜力。
因此，宏观应力的测定工作在确定工件的最佳工艺、预测工件使用寿命和分析工件失效形式等方面具有十分重要的意义。
（二）、宏观应力的测定原理X 射线穿透深度约10μm ，材料表面应力通常处于平面应力状态，法线方向的应力( Z σ )为零,测定的是表面应力。
宏观应力引起较大范围内引起均匀变形，产生均匀应变，使不同晶粒中的衍射面HKL 的面间距同增或同减。
一定应力状态引起的晶格应变和宏观应变是一致的。
应变通过X 射线法测得的晶面间距变化求得。
布拉格方程λθ=sin 2d ，d 变化，θ变化，以此来度量宏观应变。
根据弹性力学的广义虎克定律由宏观应变推知宏观应力(残余应力)。
应力—单位面积上作用力,正值表示拉应力，负表示压应力; 用正交坐标系单位体积元表示，有九个应力组份，可用3X3矩阵表示称为应力张量; 在力矩平衡条件下切应力组份lk kl σσ=必须相等。
体积元完整应力描述只有六个独立变量(三个分正应力和三个切应力)。
如右图图1 六个独立变量示意图 由衍射角位移可测得应变，应力测量基于应变测量和己知材料的弹性常数。
选高角衍射线测应变 。
在试样坐标系中,由倾角ψ和方位角φ 表示多晶中有许多不同取向的晶粒中某晶粒晶靣的法线方向(衍射矢量方向)，在此方向上测量晶格应变, 并用以度量宏观应变。
已知波长λ，测量宏观量衍射角2θ与微观量的晶面间距d相关。
当材料中无应力σ存在时,同一（hkl）晶面产生的衍射峰衍射角2θ应该相等。
应力σ存在时, 位于不同倾角ψ处同一（hkl）产生的衍射峰2θ角变化、面间距变化、宏观应力变化如图2。
图2 不同倾角ψ处的宏观应力在拉应力状态，晶面方位倾角ψ越大，晶面间距d越大，衍射角2θ就越小；在压应力状态，晶面方位倾角ψ越大，晶面间距d越小，衍射角2θ就越大；不同方位角为φ,倾角为ψ方向应变不同如图3 。
晶面间距d随着晶面方位角Ψ增大而递增或递减,表明材料表面存在拉应力或压应力，递增或递减的急缓程度就反映了应力值的大小变化如图4。
图3 倾角为ψ方向应变示意图图4 衍射晶面方位角和应力方向平面X 射线穿透深度小,仅薄表层被照射，处于平面应力状态σ3 =0，在ψ=90°时，根据应力应变基本关系式，由弹性力学可得：（式1）表层应力、应变状态 其中，321ααα、、为待测方向的方向余弦，大小分别为：（式2）将式2和应力应变关系式代式1，并化简得得：（式3）由于考虑的是平面应力，因此（式4）将式4代入式3，得（式5）对两边ψ2sin 偏导得：（式6）因为式中ψd 和0d 分别代表待测方向上的衍射面HKL 在有和没有宏观应力时的面间距。
由布拉格方程两边变分推得：则（式7） 式中，ψθ2和02θ分别代表待测方向上的衍射面HKL 在有和没有宏观应力时的衍射角。
将式7代入式6化简得 （式8）设可以把式8简化为： 式中 K ——X 射线应力常数，MPa/(°)M ——在不同Ψ方向测定的衍射线角与ψ2sin 直线关系的斜率。
如果知道了X 射线应力常数K ，又在-45°～+45°范围选择若干个Ψ方向测量衍射线角，作出与ψ2sin 之间的相关直线（2θ—ψ2sin），并求斜率，就可以计算出ϕσ值。
2θ—ψ2sin 直线一般用两点法或多点法做出。
两点法：即ψ＝0°、ψ＝45°，分别测定2ψθ。
过两点做出直线，求得斜率。
多点法：即取ψ＝0°、15°、30°、45°等，分别测定各自对应的衍射角2ψθ，运用线性回归法做出直线，求得斜率。
（三）、试样要求与表面处理：常规的X 射线应力测试是对无粗晶、射线穿透深度范围内是均匀连续和各向同性、无织构材料有效。
对钢材，X 射线穿透μm 至十几μm 的深度，测试是这个深度范围的平均应力。
机加工而在材料表面产生的附加应力层可达100μm ，需要对试样表面进行处理。
方法是用电化学或化学腐蚀等手段，去除表面存在附加应力层。
要求试样表面必须光滑，没有污垢、油膜及厚氧化层等。
测试机加工、喷丸、表面处理等工艺处理后的表面应力，表面不 作任何处理，小心保护原始状态;凡需要修磨的，可以利用现场金相所配置的电动工具，在达到金相检验标准后再作短暂电解抛光。
对于钢铁材料，只为除锈，不伤及金属表面的办法是用稀盐酸腐蚀。
测定应力沿层深分布，可用先用机械法快速剥层至一定深度,再电 解腐蚀方法进行逐层剥离，然后进行应力测量。
应对剥层后应力释放作校正。
五、实验方法和步骤1、选择Coupled2theta/theta扫描模式，例如为35°至130°，步长为0.02°。
从衍射谱中找到衍射峰位靠后而且较强的峰，确定扫描范围。
（注：应力测量应该用高角度的衍射峰，越高越好）。
2、在XRD wizard中进行测试参数设置：（1）打开XRD wizard 软件，点击New—〉stress在出现的界面上（图5），如果没有需要改的参数，点击OK即可。
图5（2）在达芬奇界面上（图6），前置Twin选择狭缝光路0.5度；后置Twin 选择固定5.8mm开口；探测器可以选择一维固定扫描（fixed scan）或连续扫描，取决于衍射峰的宽度。
图6（3）在detector selection上选择PSD LYNXEYE，PSD electronic window 选择Use default（图7）。
图7（4）Detector界面设定探测器的能量分辨率，根据材料的要求选择能量窗口，例如Cu靶Fe样品选择0.18下限（图8）。
图8（5）Generator 界面设定电压和电流（40kV和40mA）（图9）。
图9（6）在Scan type界面上，首先设定测量的角度范围，步长以及每步时间；mode选择Side-inclination测量方式。
分别设定chi倾斜范围一般设定Start 从0开始，Stop设为45°，即样品的倾斜角度为0-45°，选择Increment为9°，即每隔9°进行一次数据采集；设定phi轴角度，对于非各向异性的应力样品一般设置start为0°，stop为180°，increment为180°，即只在0°及180°进行测试（图10）。
图10(7). 设定完毕后将设置测量脚本存为bsml格式。
例如存为Fe-211-stress.bsml。
在start job测量界面中调入bsml，设定数据名称，点击start开始应力测试。
3、残余应力分析残余应力分析软件Leptos S（1）打开Leptos S > Stress>New Stress or Click Create stress Appear stress object;（2）Import *.raw ;（3）Reduction/Fit (选中分析样品有关的参数): Material，HKL，Wavelength,E,v, S1, 1/2S2, Aux,（4）Correct (对原始衍射谱线进行数据处理,如数据标准处理，寻峰方法选择等)如图11;图11（5）Stress Evaluation;（6）Results>选Stress model: Normal , Normal + Shear , Biaxial , Biaxial+ Shear , Triaxial（7）Result , as save如图12、13图12图13六、宏观应力分析结果所用设备在应力测定状态下的衍射几何特点：若圆柱试样沿轴向受拉应力，则沿轴方向晶面间距增大，垂直于轴的方向晶面间距减小，衍射圆向椭圆变化。
七、实验注意事项1、测量时注意辐射安全。
2、对两点法与多点法的本质差异应有清新认识。
八、思考题1、简单说明内应力的分类以及对材料性能的影响。
①第一类内应力（宏观应力或残余应力）：在较大范围内存在并保持平衡着的应力。
释放之，体积或形状发生变化。
应变均匀分布，这样方位相同的各晶粒中同名HKL面的晶面间距变化就相同，从而导致衍射峰位向同一方向发生漂移。
②第二类内应力（微观应力）：在数个晶粒范围内存在并保持平衡着的应力。
释放之，有时也会引宏观体积或形状发生变化。
应变分布不均匀，不同晶粒中，同名HKL面的晶面间距有的增加，有的减少，导致衍射峰位向不同方向发生漂移。
③第三类内应力（超微观应力）：在若干个原子范围存在并平衡着的应力。
释放之，不会引起宏观体积和形状的改变。
原子离开平衡位置，产生点阵畸变。
宏观应力或残余应力对工件的力学性能、物理性能以及尺寸稳定性均会产生影响。