.932· 工程科学学报，第41卷，第7期 射衍射花样菊池线的质量分别使用不同的表征方 观察到杂乱的品粒取向与李品等显微结构，还发现 法可以直观地定性，甚至定量地分析材料中的应 较大的弹性残余应力集中出现在孪生晶界，晶界以 变状态[39] 及铜与电介质的连接处，如图2所示.而金属铜中 Sato等[o]利用电子背散射衍射技术对大规模 这些局部位置富集的弹性残余应力往往会成为裂纹 集成电路中的金属铜连接线进行了晶粒取向以及残 萌生的活性点，因此晶界的减少将有利于提高铜连 余应力的分析.利用电子背散射衍射技术不仅可以 接线的可靠性. 0μm- 参考点 0.2μm- 1.5 0.4μm- 0.6μm- 1.2 0.8μm 1.0μm 12m- 0.6 1.4um- 1.6μm 0.3 1,8um- 2.0um + 且且且且且且且且且且且 0 100200300400 F8g88889 与A点间距离mm 图2铜线上的弹性残余应力分布情况，以图中的十字交叉线作为残余应力的参考点[幻] Fig.2 Elastic stress distribution in the Cu line;the elastic stresses are based on the reference points indicated by crosses] 1.2.4数值模拟法测量残余应力 上述不同的残余应力测定原理以及测量方法 材料内部的残余应力是其内部达到自平衡时 的适用范围有着较大的差异，不同的测量技术方 热力学微观结构的宏观综合反映.因此，数值模拟 法具有不同的优缺点.例如虽然钻孔法会对材料 方法可以根据材料中的热力学微观结构、热力学 产生一定的破坏，但其测量理论成熟，操作相对简 方程以及相应的边界条件来计算材料中的残余应 便，测量精度高：而X射线衍射等方法可以在不破 力.数值模拟方法具有方便快捷等优点.当数值 坏材料的同时得到材料残余应力较为精确的数 模拟与实验测量方法互相检验并结合理论分析， 值，但其设备价格昂贵.在选择残余应力测量方法 针对性地优化边界条件与模型，可以获得相对准时，要根据不同方法的优缺点以及测量要求具体 确的结果[4 选择，因为残余应力测量的精确度取决于测定方 Bertali等[]使用显微钻孔技术与数字图像相 法、试样制备、仪器选择、测试人员的操作步骤等 关方法(DIC),并且在结合有限元模型(FEM)进行 一系列因素.另外，在研究中如果将各种残余应力 全域、多轴计算后，获得了高可靠度的表面第Ⅲ类 测试方法与有限元分析软件和数值模拟计算结 残余应力信息.Wu等[]使用有限元方法研究了铣 合，不仅可以突破各种实验测试方法的局限，还可 削Ti-10V-2Fe-3Al高强合金表面残余应力与各种 对构件的残余应力分布状况进行预见性的定量 加工参数之间的关系.最终数值模拟结果介于 分析. [-260,-121]MPa之间，X射线衍射实验值介于 2残余应力对钢铁材料腐蚀行为影响的研究 [-283,-75]MPa之间，二者结果比较接近，如图 3所示.Kayser等[在电子背散射衍射和取向成像 研究材料在残余应力作用下的电化学腐蚀行为 电子显微术(OM)的基础上计算了晶界和平均晶粒 对于研究材料的失效行为以及提出腐蚀防护方法非 取向信息并以此为边界条件，使用有限元模拟方法 常重要.钢铁材料在不同类型的残余应力和腐蚀介 建立了一个可以精确预测在液相烧结冷却阶段碳化 质作用下会发生不同形式的腐蚀行为，而微区电化 物与残余应力大小和分布的2.5维几何模型.2.5 学方法和残余应力测量技术的应用极大地推动了对 维的几何模型的应用避免了平面应变和平面应力模 这一领域的研究.点蚀和应力腐蚀是残余应力作用 型对残余应力的错估，其结果与中子衍射结果十分 下钢铁材料的两种主要腐蚀形式，以下简要介绍围 吻合 绕二者展开的相关研究工作.工程科学学报,第 41 卷,第 7 期 射衍射花样菊池线的质量分别使用不同的表征方 法可以直观地定性,甚至定量地分析材料中的应 变状态[39] . Sato 等[40] 利用电子背散射衍射技术对大规模 集成电路中的金属铜连接线进行了晶粒取向以及残 余应力的分析. 利用电子背散射衍射技术不仅可以 观察到杂乱的晶粒取向与孪晶等显微结构,还发现 较大的弹性残余应力集中出现在孪生晶界,晶界以 及铜与电介质的连接处,如图 2 所示. 而金属铜中 这些局部位置富集的弹性残余应力往往会成为裂纹 萌生的活性点,因此晶界的减少将有利于提高铜连 接线的可靠性. 图 2 铜线上的弹性残余应力分布情况,以图中的十字交叉线作为残余应力的参考点[40] Fig. 2 Elastic stress distribution in the Cu line; the elastic stresses are based on the reference points indicated by crosses [40] 1郾 2郾 4 数值模拟法测量残余应力 材料内部的残余应力是其内部达到自平衡时 热力学微观结构的宏观综合反映. 因此,数值模拟 方法可以根据材料中的热力学微观结构、热力学 方程以及相应的边界条件来计算材料中的残余应 力. 数值模拟方法具有方便快捷等优点. 当数值 模拟与实验测量方法互相检验并结合理论分析, 针对性地优化边界条件与模型,可以获得相对准 确的结果[41] . Bertali 等[42]使用显微钻孔技术与数字图像相 关方法(DIC),并且在结合有限元模型(FEM)进行 全域、多轴计算后,获得了高可靠度的表面第 III 类 残余应力信息. Wu 等[43]使用有限元方法研究了铣 削 Ti鄄鄄10V鄄鄄2Fe鄄鄄3Al 高强合金表面残余应力与各种 加工参数之间的关系. 最终数值模拟结果介于 [ - 260, - 121] MPa 之间,X 射线衍射实验值介于 [ - 283, - 75] MPa 之间,二者结果比较接近,如图 3 所示. Kayser 等[44]在电子背散射衍射和取向成像 电子显微术(OIM)的基础上计算了晶界和平均晶粒 取向信息并以此为边界条件,使用有限元模拟方法 建立了一个可以精确预测在液相烧结冷却阶段碳化 物与残余应力大小和分布的 2郾 5 维几何模型. 2郾 5 维的几何模型的应用避免了平面应变和平面应力模 型对残余应力的错估,其结果与中子衍射结果十分 吻合. 上述不同的残余应力测定原理以及测量方法 的适用范围有着较大的差异,不同的测量技术方 法具有不同的优缺点. 例如虽然钻孔法会对材料 产生一定的破坏,但其测量理论成熟,操作相对简 便,测量精度高;而 X 射线衍射等方法可以在不破 坏材料的同时得到材料残余应力较为精确的数 值,但其设备价格昂贵. 在选择残余应力测量方法 时,要根据不同方法的优缺点以及测量要求具体 选择,因为残余应力测量的精确度取决于测定方 法、试样制备、仪器选择、测试人员的操作步骤等 一系列因素. 另外,在研究中如果将各种残余应力 测试方法与有限元分析软件和数值模拟计算结 合,不仅可以突破各种实验测试方法的局限,还可 对构件的残余应力分布状况进行预见性的定量 分析. 2 残余应力对钢铁材料腐蚀行为影响的研究 研究材料在残余应力作用下的电化学腐蚀行为 对于研究材料的失效行为以及提出腐蚀防护方法非 常重要. 钢铁材料在不同类型的残余应力和腐蚀介 质作用下会发生不同形式的腐蚀行为,而微区电化 学方法和残余应力测量技术的应用极大地推动了对 这一领域的研究. 点蚀和应力腐蚀是残余应力作用 下钢铁材料的两种主要腐蚀形式,以下简要介绍围 绕二者展开的相关研究工作. ·932·