一种基于显微压痕的测量金属试样表面残余应力的方法技术

一种基于显微压痕的测量金属试样表面残余应力的方法。利用维氏显微硬度计对试样表面进行显微压痕实验，采用扫描电子显微镜记录压痕形貌，通过对显微压痕对角线长与边长的计算得到试样表面压痕的名义投影面积和实际投影面积；由标准拉伸实验获得该材料的强度系数与应变硬化指数。根据试样表面的二维等轴残余应力场的假设，可得含有显微压痕实际投影面积与名义投影面积比值、强度系数和应变硬化指数的压痕法测量残余应力的理论公式，进而获取试样表面的残余应变及残余应力的大小。该测量方法属于基本无损或者微损测量，具有测量费用低、操作简单方便、测量效率高等优点。如果结合便携式带测距功能的高倍光学显微镜，可以在工程领域推广使用。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】。利用维氏显微硬度计对试样表面进行显微压痕实验，采用扫描电子显微镜记录压痕形貌，通过对显微压痕对角线长与边长的计算得到试样表面压痕的名义投影面积和实际投影面积；由标准拉伸实验获得该材料的强度系数与应变硬化指数。根据试样表面的二维等轴残余应力场的假设，可得含有显微压痕实际投影面积与名义投影面积比值、强度系数和应变硬化指数的压痕法测量残余应力的理论公式，进而获取试样表面的残余应变及残余应力的大小。该测量方法属于基本无损或者微损测量，具有测量费用低、操作简单方便、测量效率高等优点。如果结合便携式带测距功能的高倍光学显微镜，可以在工程领域推广使用。【专利说明】—种基于显微压痕的测量金属试样表面残余应力的方法
本专利技术涉及一种金属结构体表面残余应力测量的方法，主要通过维氏显微硬度计将显微压痕留存于试样表面，将该显微压痕的实际投影面积和名义投影面积的比值与试样中由于残余应力存在而产生的残余应变相联系，进而根据基于压入响应和弹塑性接触理论的压痕法测量残余应力的公式就可以确定试样中的残余应变与残余应力。该专利技术属于弹塑性接触力学、工程材料和压痕残余应力测量领域。
技术介绍
残余应力是材料中发生了不均匀的弹性变形或不均匀的弹塑性变形的结果，或者说是材料的弹性各向异性和塑性各向异性的反映。所有能在材料中引起不均匀弹性、塑性变形的过程都会使材料产生残余应力，如冷热变形时沿截面弹塑性不均匀变形、工件加热和冷却时其内部温度分布不均匀导致的热胀冷缩不均匀、热处理时不均匀的温度分布引起相变过程的不同时性。无论在机械、水利水电、航空航天、热电核电领域，还是在石油化工、冶金铁路、交通运输等行业，残余应力问题一直备受关注，所以各个国家对残余应力的测试技术及其应用研究都很重视。残余应力的测试方法很多，按其对于被测构件是否具有破坏性可分为有损测试法和无损测试法两大类。有损测试法的主要原理是破坏性的应力释放，使其释放部分应力产生相应的位移与应变，测量出这些位移和应变，经换算得到构件原有的应力，常用的方法有钻孔法、剥层法、取条法、切槽法等。无损测试法是多年来科研人员一直探索的方法，目前无损测试的方法有X射线法、中子衍射法、超声波法、磁性法等。但是鉴于这些方法的应用都有一定的局限性，在实际 中运用较为广泛的是钻孔法和X射线衍射法，钻孔法虽然发展较为成熟，但是钻孔法需要破坏被测试样将残余应力释放从而测得残余应力数值，所以在许多重要工程结构上不能使用，同时，由于应变片对于温度敏感，应变测量精度依赖于粘结的技术，并且对钻孔对中过程要求较高，因此不适合在复杂环境下测量；在利用X射线衍射法测量试样残余应力时，测试价格昂贵，对试样的晶粒度要求严格，即试样晶粒不能过大，并且试样不能有较高的织构。因此残余应力测试技术的研究，无论对于基础研究，还是对于工程应用都有十分重要的意义。【张定铨.残余应力测定的基本知识讲座.理化检验:物理分册，2007，4:1-5.王庆明，孙渊.残余应力测试技术的进展与动向.机电工程，2011,28(001):11-15.徐虹，滕宏春，崔波，等.残余应力非破坏性测量技术的发展现状简介.理化检验:物理分册，2003，39 (11):595-598.Chen X，Yan J, Karlsson A M.0n thedetermination of residual stress and mechanical properties by indentation.Materials Science and Engineering:A, 2006, 416(I):139-149.】运用显微压痕法测试试样中的残余应力时，测试过程属于基本无损或者是微损，对各种不允许因材料去除而导致安全隐患的工程构件有重要的实际意义；显微压痕法的物理背景较为清晰，相关理论成熟，具有测试仪器轻便、操作灵活方便等优点，如果结合便携式带测距功能的高倍光学显微镜，可以在工程领域推广使用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供，该方法操作简单，相关理论成熟，对基础研究和工程应用具有重要的价值。本专利技术的技术方案是:，具体包括以下步骤:步骤1:1.1根据国家标准将存在残余应力的试样加工成标准拉伸样品；1.2根据在拉伸试验机上对标准拉伸样品进行拉伸实验得到该材料的应力应变曲线，通过应力应变曲线求得材料的强度系数σ ^与应变硬化指数n，备用；步骤2: 2.1将存在残余应力的经步骤I处理过的试样表面进行处理得到光滑、平整的符合维氏显微硬度实验的表面；2.2采用维氏显微硬度试验机对试样进行显微压痕实验，在显微压痕实验过程中注意选择适当的加载载荷与加载时间；记录显微压痕的对角线长度D和维氏显微硬度值HV ；2.3利用扫描电子显微镜测量得到显微压痕的边长a ；2.4根据对角线长度D计算得到显微压痕的名义投影面积Am，Am = D*D/2，由边长a得到显微压痕的实际投影面积A，若压痕为外凸形状，A = a*a*0.96，其中0.96为形状因子，进而得到两面积的比值C2 ；步骤3:3.1根据基于压入响应和弹塑性接触理论的压痕法测量残余应力，通过公式(I)求出残余应变值ε _，如下所示:【权利要求】1.，具体包括以下步骤: 步骤1: .1.1根据国家标准将存在残余应力的试样加工成标准拉伸样品； .1.2根据在拉伸试验机上对标准拉伸样品进行拉伸实验得到该材料的应力应变曲线，通过应力应变曲线求得材料的强度系数σ ^与应变硬化指数n，备用； 步骤2: .2.1将存在残余应力的经步骤I处理过的试样表面进行处理得到光滑、平整的符合维氏显微硬度实验的表面； .2.2采用维氏显微硬度试验机对试样进行显微压痕实验，在显微压痕实验过程中注意选择适当的加载载荷与加载时间；记录显微压痕的对角线长度D和维氏显微硬度值HV ； .2.3利用扫描电子显微镜测量得到显微压痕的边长a ； .2.4根据对角线长度D计算得到显微压痕的名义投影面积A_，Anoffl = D*D/2，由边长a得到显微压痕的实际投影面积A,若压痕为外凸形状，A = a*a*0.96，其中0.96为形状因子，进而得到两面积的比值C2; 步骤3: .3.1根据基于压入响应和弹塑性接触理论的压痕法测量残余应力，通过公式(I)求出残余应变值，如下所示: 【文档编号】G01N3/00GK103969108SQ201410205799【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年5月15日 优先权日:2014年5月15日 【专利技术者】张麦仓, 王岩, 彭以超, 李伟, 彭桃 申请人:北京科技大学本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于显微压痕的测量金属试样表面残余应力的方法，具体包括以下步骤：步骤1：1.1根据国家标准将存在残余应力的试样加工成标准拉伸样品；1.2根据在拉伸试验机上对标准拉伸样品进行拉伸实验得到该材料的应力应变曲线，通过应力应变曲线求得材料的强度系数σ0与应变硬化指数n，备用；步骤2：2.1将存在残余应力的经步骤1处理过的试样表面进行处理得到光滑、平整的符合维氏显微硬度实验的表面；2.2采用维氏显微硬度试验机对试样进行显微压痕实验，在显微压痕实验过程中注意选择适当的加载载荷与加载时间；记录显微压痕的对角线长度D和维氏显微硬度值HV；2.3利用扫描电子显微镜测量得到显微压痕的边长a；2.4根据对角线长度D计算得到显微压痕的名义投影面积Anom，Anom＝D*D/2，由边长a得到显微压痕的实际投影面积A，若压痕为外凸形状，A＝a*a*0.96,其中0.96为形状因子，进而得到两面积的比值c2；步骤3：3.1根据基于压入响应和弹塑性接触理论的压痕法测量残余应力，通过公式(1)求出残余应变值εres，如下所示：其中，式中εres是残余应变；σ0是材料的强度系数；n是材料的应变硬化指数；HV为维氏显微硬度的测量值；3.2根据的公式(1)得到的残余应变εres，代入公式(2)计算得到试样表面的二维等轴残余应力σres，如下所示：σres=σ0[|ϵres|]n×[exp(1-c20.32)-1]---(2)]]>其中，式中εres是残余应变；σres是残余应力；σ0是材料的强度系数；n是材料的应变硬化指数；HV为维氏显微硬度的测量值；c2为压痕实际投影面积A与名义投影面积Anom的比值。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张麦仓，王岩，彭以超，李伟，彭桃，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11