一種基于顯微壓痕的測量金屬試樣表面殘余應力的方法
【專利摘要】一種基于顯微壓痕的測量金屬試樣表面殘余應力的方法。利用維氏顯微硬度計對試樣表面進行顯微壓痕實驗，采用掃描電子顯微鏡記錄壓痕形貌，通過對顯微壓痕對角線長與邊長的計算得到試樣表面壓痕的名義投影面積和實際投影面積；由標準拉伸實驗獲得該材料的強度系數與應變硬化指數。根據試樣表面的二維等軸殘余應力場的假設，可得含有顯微壓痕實際投影面積與名義投影面積比值、強度系數和應變硬化指數的壓痕法測量殘余應力的理論公式，進而獲取試樣表面的殘余應變及殘余應力的大小。該測量方法屬于基本無損或者微損測量，具有測量費用低、操作簡單方便、測量效率高等優點。如果結合便攜式帶測距功能的高倍光學顯微鏡，可以在工程領域推廣使用。
【專利說明】—種基于顯微壓痕的測量金屬試樣表面殘余應力的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種金屬結構體表面殘余應力測量的方法，主要通過維氏顯微硬度計將顯微壓痕留存于試樣表面，將該顯微壓痕的實際投影面積和名義投影面積的比值與試樣中由于殘余應力存在而產生的殘余應變相聯系，進而根據基于壓入響應和彈塑性接觸理論的壓痕法測量殘余應力的公式就可以確定試樣中的殘余應變與殘余應力。該發明屬于彈塑性接觸力學、工程材料和壓痕殘余應力測量領域。
【背景技術】
[0002]殘余應力是材料中發生了不均勻的彈性變形或不均勻的彈塑性變形的結果，或者說是材料的彈性各向異性和塑性各向異性的反映。所有能在材料中引起不均勻彈性、塑性變形的過程都會使材料產生殘余應力，如冷熱變形時沿截面彈塑性不均勻變形、工件加熱和冷卻時其內部溫度分布不均勻導致的熱脹冷縮不均勻、熱處理時不均勻的溫度分布引起相變過程的不同時性。無論在機械、水利水電、航空航天、熱電核電領域，還是在石油化工、冶金鐵路、交通運輸等行業，殘余應力問題一直備受關注，所以各個國家對殘余應力的測試技術及其應用研究都很重視。
[0003]殘余應力的測試方法很多，按其對于被測構件是否具有破壞性可分為有損測試法和無損測試法兩大類。有損測試法的主要原理是破壞性的應力釋放，使其釋放部分應力產生相應的位移與應變，測量出這些位移和應變，經換算得到構件原有的應力，常用的方法有鉆孔法、剝層法、取條法、切槽法等。無損測試法是多年來科研人員一直探索的方法，目前無損測試的方法有X射線法、中子衍射法、超聲波法、磁性法等。但是鑒于這些方法的應用都有一定的局限性，在實際 中運用較為廣泛的是鉆孔法和X射線衍射法，鉆孔法雖然發展較為成熟，但是鉆孔法需要破壞被測試樣將殘余應力釋放從而測得殘余應力數值，所以在許多重要工程結構上不能使用，同時，由于應變片對于溫度敏感，應變測量精度依賴于粘結的技術，并且對鉆孔對中過程要求較高，因此不適合在復雜環境下測量；在利用X射線衍射法測量試樣殘余應力時，測試價格昂貴，對試樣的晶粒度要求嚴格，即試樣晶粒不能過大，并且試樣不能有較高的織構。因此殘余應力測試技術的研究，無論對于基礎研究，還是對于工程應用都有十分重要的意義。【張定銓.殘余應力測定的基本知識講座[J].理化檢驗:物理分冊，2007，4:1-5.王慶明，孫淵.殘余應力測試技術的進展與動向[J].機電工程，2011,28(001):11-15.徐虹，滕宏春，崔波，等.殘余應力非破壞性測量技術的發展現狀簡介[J].理化檢驗:物理分冊，2003，39 (11):595-598.Chen X，Yan J, Karlsson A M.0n thedetermination of residual stress and mechanical properties by indentation[J].Materials Science and Engineering:A, 2006, 416(I):139-149.】
[0004]運用顯微壓痕法測試試樣中的殘余應力時，測試過程屬于基本無損或者是微損，對各種不允許因材料去除而導致安全隱患的工程構件有重要的實際意義；顯微壓痕法的物理背景較為清晰，相關理論成熟，具有測試儀器輕便、操作靈活方便等優點，如果結合便攜式帶測距功能的高倍光學顯微鏡，可以在工程領域推廣使用。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于，提供一種基于顯微壓痕的測量金屬試樣表面殘余應力的方法，該方法操作簡單，相關理論成熟，對基礎研究和工程應用具有重要的價值。
[0006]本發明的技術方案是:一種基于顯微壓痕的測量金屬試樣表面殘余應力的方法，具體包括以下步驟:
[0007]步驟1:
[0008]1.1根據國家標準將存在殘余應力的試樣加工成標準拉伸樣品；
[0009]1.2根據在拉伸試驗機上對標準拉伸樣品進行拉伸實驗得到該材料的應力應變曲線，通過應力應變曲線求得材料的強度系數σ ^與應變硬化指數n，備用；
[0010]步驟2:
[0011]2.1將存在殘余應力的經步驟I處理過的試樣表面進行處理得到光滑、平整的符合維氏顯微硬度實驗的表面；
[0012]2.2采用維氏顯微硬度試驗機對試樣進行顯微壓痕實驗，在顯微壓痕實驗過程中注意選擇適當的加載載荷與加載時間；記錄顯微壓痕的對角線長度D和維氏顯微硬度值HV ；
[0013]2.3利用掃描電子顯微鏡測量得到顯微壓痕的邊長a ；
[0014]2.4根據對角線長度D計算得到顯微壓痕的名義投影面積Am，Am = D*D/2，由邊長a得到顯微壓痕的實際投影面積A，若壓痕為外凸形狀，A = a*a*0.96，其中0.96為形狀因子，進而得到兩面積的比值C2 ；
[0015]步驟3:
[0016]3.1根據基于壓入響應和彈塑性接觸理論的壓痕法測量殘余應力，通過公式(I)求出殘余應變值ε _，如下所示:
[0017]
【權利要求】
1.一種基于顯微壓痕的測量金屬試樣表面殘余應力的方法，具體包括以下步驟: 步驟1: .1.1根據國家標準將存在殘余應力的試樣加工成標準拉伸樣品； .1.2根據在拉伸試驗機上對標準拉伸樣品進行拉伸實驗得到該材料的應力應變曲線，通過應力應變曲線求得材料的強度系數σ ^與應變硬化指數n，備用； 步驟2: .2.1將存在殘余應力的經步驟I處理過的試樣表面進行處理得到光滑、平整的符合維氏顯微硬度實驗的表面； .2.2采用維氏顯微硬度試驗機對試樣進行顯微壓痕實驗，在顯微壓痕實驗過程中注意選擇適當的加載載荷與加載時間；記錄顯微壓痕的對角線長度D和維氏顯微硬度值HV ； .2.3利用掃描電子顯微鏡測量得到顯微壓痕的邊長a ； .2.4根據對角線長度D計算得到顯微壓痕的名義投影面積A_，Anoffl = D*D/2，由邊長a得到顯微壓痕的實際投影面積A,若壓痕為外凸形狀，A = a*a*0.96，其中0.96為形狀因子，進而得到兩面積的比值C2; 步驟3: .3.1根據基于壓入響應和彈塑性接觸理論的壓痕法測量殘余應力，通過公式(I)求出殘余應變值，如下所示:
【文檔編號】G01N3/00GK103969108SQ201410205799
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月15日 優先權日:2014年5月15日
【發明者】張麥倉, 王巖, 彭以超, 李偉, 彭桃 申請人:北京科技大學