【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及金属基复合材料领域，具体涉及一种连续纤维增强金属基复合材料紧固件螺纹包套残余应力的检测分析方法。
技术介绍
1、连续纤维增强金属基复合材料兼具金属基体高塑形、高损伤容限和易加工成型以及纤维轻质、高强度、高刚度和服役温度范围广的优点，受到各国发动机和高超音速飞机器设计者们的青睐，被认为是高超音速飞机器必不可少的高温结构材料和连接部件的潜在应用材料。
2、然而，复合材料在制备过程中由于纤维和基体的热膨胀差异使得复合材料内部易产生残余应力。此外，在机械零件的加工制造过程中，受制造工艺的影响大部分零部件内部均会产生残余应力。
3、以连续纤维增强金属基复合材料螺纹紧固件为例，由于其独特的结构特点，为保证其内部纤维结构的完整性，螺纹只能采取车削方式成型，加工过程中车削外圆直径、螺纹主轴转速、进给速度、走刀次数等会引起螺纹表面残留塑性变形、不均匀热胀冷缩、金属组织相变膨胀，这些因素都会对螺纹质量产生重要影响。当这些因素消失之后，螺纹结构中受到的作用与影响不能随之消失，仍有部分作用和影响以残余应力形式留在构件内部，较高的残余应力会恶化构件的力学性能，因此测量残余应力的大小、分布对延长构件使用寿命、改进制备工艺等方面具有十分重要的意义。
4、残余应力测量技术，依据测试方法是否会对被测试件产生破坏性，可将测试方法分为有损测量法与无损测量法两种。有损测量法主要原理是将构件局部分离出来释放应力，常用的有钻孔法、取条法、剥层法、圆环应变释放法等。无损法主要是利用一些非破坏性的检测手段对材料的残余应力进行测
5、目前结构件中残余应力分析方法中比较成熟的为钻孔法和x-射线衍射法。钻孔法一般是在工件表面钻一小孔，使得孔的周围部分应力释放从而产生相应的位移和应变，并粘贴应变片进行测量，最后得到钻孔处深度方向上的平均残余应力。钻孔法一般测试最小直径0.5mm，钻孔深度2mm。x-射线衍射法是利用x射线在晶体物质中的衍射效应进行物质结构分析，测试前需对被测试工件尺寸、表面做特殊处理，要求工件表面必须平整光滑，以确保x射线的有效衍射。考虑到螺纹部位牙型结构、螺距以及测量精度等因素，很难在螺纹部位直接打孔，因此采用钻孔法和x-射线衍射法很难直接应用于测量螺纹部位的残余应力，因此如何检测连续纤维增强金属基复合材料紧固件螺纹包套残余应力成为研究的焦点和亟需解决的技术难题。
技术实现思路
1、本专利技术提供了一种连续纤维增强金属基复合材料紧固件螺纹包套残余应力的检测分析方法，本专利技术的检测分析方法可实现对连续纤维增强金属基复合材料紧固件螺纹包套残余应力的检测与分析。
2、本专利技术提供了一种连续纤维增强金属基复合材料紧固件螺纹包套残余应力的检测分析方法，包括以下步骤：
3、(1)对连续纤维增强金属基复合材料紧固件中的螺牙沿径向剖切，得到螺纹包套的切面；
4、对所述切面进行压痕测试及分析，得到所述螺纹包套径向残余应力的性质及大小；
5、(2)对螺牙顶端的微曲面进行xrd测试及分析，得到所述螺纹包套轴向残余应力的性质及大小；
6、所述步骤(1)～(2)没有先后顺序。
7、优选的，所述压痕测试前，还包括：对所述切面进行抛光。
8、优选的，所述步骤(1)中对所述切面进行压痕测试及分析，包括以下步骤：
9、对所述切面进行压痕测试，对所得压痕进行afm分析，得到压痕的边长度、高度和压痕深度，然后根据所述边长度和高度，计算得到压痕面积；
10、若所述压痕深度小于标样的压痕深度，则所述螺纹包套径向残余应力的性质为压应力，所述压应力的计算公式为式(1)：
11、
12、若压痕深度大于标样的压痕深度，则所述螺纹包套径向残余应力的性质为拉应力，所述拉应力的计算公式为式(2)：
13、
14、式(1)和式(2)中，h为标样的硬度、a0为标样的压痕面积，a为切面的压痕面积，α为压头与切面的夹角。
15、优选的，所述压痕测试时测试点的数量≥2个；
16、相邻测试点的间距、切面的顶端与所述顶端相邻测试点的间距独立地为30～150μm。
17、优选的，所述步骤(2)中对螺牙顶端的微曲面进行xrd测试及分析，包括以下步骤：
18、在不同倾角ψ下，对所述微曲面进行x-射线扫描，得到不同倾角ψ下同一特定衍射峰对应的2θ，然后对2θ和sin2ψ进行线性拟合，得到斜率m；
19、根据式(3)和式(4)计算所述螺纹包套轴向残余应力的大小；
20、
21、式(3)和式(4)中，e为材料弹性模量、ν为材料泊松比、θ0为无应力时特定衍射峰所对应的布拉格角；
22、所述σφ为负，所述螺纹包套轴向残余应力的性质为压应力；所述σφ为正，所述螺纹包套轴向残余应力的性质为拉应力。
23、优选的，所述扫描时的扫描角度范围为2θ0±3～10°，扫描步长为0.005～0.02°，扫描步速为0.1～0.4s/step；
24、所述2θ0在90～130°之间；
25、所述2θ0为螺纹包套无应力时特定衍射峰对应的衍射角。
26、优选的，所述不同倾角的数量为4～6个；所述不同倾角的角度在0～80°内选取。
27、优选的，所述连续纤维增强金属基复合材料紧固件的制备方法，包括以下步骤：
28、将涂覆有金属涂层的纤维置于金属合金包套中后进行热等静压后进行加工。
29、优选的，所述纤维包括sic纤维、b纤维和al2o3纤维中的一种或多种。
30、优选的，所述金属合金包套的材质包括ti合金、ni合金、al合金、zr合金或cu合金。
31、本专利技术提出的检测分析方法结合了纳米压痕技术和x-射线衍射实现对紧固件螺纹包套残余应力分析，打破了常规钻孔法和x-射线衍射检测模式，可实现特定切面上螺牙近表面部位径向残余应力分析，解决了紧固件螺纹残余应力的分析困难并提高了残余应力检测精度。实施例结果表明，本专利技术提供的检测分析方法除可以分析螺牙近表面径向、轴向残余应力，还可以比较距螺牙顶部一定距离位置的残余应力以及分析复合材料不同料芯尺寸(或不同壁厚)对螺纹残余应力影响。
32、本专利技术提供了以上连续纤维增强金属基复合材料紧固件螺纹包套残余应力分析方法，对于连续纤维增强金属基复合材料紧固件螺纹包套残余应力分析具有重要意义，并且，本专利技术提供的方法操作简单，结果准确度高(常规螺纹残余应力检测方法针对匀质材料，在螺纹处钻2mm孔，孔周围的应力得到释放，同时测量孔周围的应变变化，从而推算出材料内部的残余应力，结果为工件整体应力平均值。本专利技术提供的方法采用压痕法和x-射线法直接针对螺纹部位的残余应力进行测量，可实现特定位置处残余应力表征分析，位置精确度高，可实现微米级区域内的应力分析)，可重复性强等特点。
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1.一种连续纤维增强金属基复合材料紧固件螺纹包套残余应力的检测分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的检测分析方法，其特征在于，所述压痕测试前，还包括：对所述切面进行抛光。
3.根据权利要求1或2所述的检测分析方法，其特征在于，所述步骤(1)中对所述切面进行压痕测试及分析，包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的检测分析方法，其特征在于，所述压痕测试时测试点的数量≥2个；
5.根据权利要求1所述的检测分析方法，其特征在于，所述步骤(2)中对螺牙顶端的微曲面进行XRD测试及分析，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的检测分析方法，其特征在于，所述扫描时的扫描角度范围为2θ0±3～10°，扫描步长为0.005～0.02°，扫描步速为0.1～0.4s/step；
7.根据权利要求5或6所述的检测分析方法，其特征在于，所述不同倾角Ψ的数量为4～6个；所述不同倾角Ψ的角度在0～80°内选取。
8.根据权利要求1所述的检测分析方法，其特征在于，所述连续纤维增强金属基复合材料紧固件的制备
9.根据权利要求8所述的检测分析方法，其特征在于，所述纤维包括SiC纤维、B纤维和Al2O3纤维中的一种或多种。
10.根据权利要求8或9所述的检测分析方法，其特征在于，所述金属合金包套的材质包括Ti合金、Ni合金、Al合金、Zr合金或Cu合金。
...【技术特征摘要】
1.一种连续纤维增强金属基复合材料紧固件螺纹包套残余应力的检测分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的检测分析方法，其特征在于，所述压痕测试前，还包括：对所述切面进行抛光。
3.根据权利要求1或2所述的检测分析方法，其特征在于，所述步骤(1)中对所述切面进行压痕测试及分析，包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的检测分析方法，其特征在于，所述压痕测试时测试点的数量≥2个；
5.根据权利要求1所述的检测分析方法，其特征在于，所述步骤(2)中对螺牙顶端的微曲面进行xrd测试及分析，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的检测分析方法，其特征在于，所述扫描时的扫...
【专利技术属性】
技术研发人员：齐金磊，文懋，王金鹏，王宁，张侃，郑伟涛，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：
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