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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d066

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d075

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Chkl229

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Shkl1399

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