一种基于圆锥形压头的已知材料残余应力测定方法技术

本发明专利技术公开了一种基于圆锥形压头的已知材料残余应力测定方法，包括以下步骤：步骤1：获取被测材料在无应力状态下的加载曲率C0；步骤2：通过圆锥形压头对含有残余应力的被测材料表面进行准静态压入加载试验，获取连续的载荷‑深度曲线；步骤3：根据步骤2得到的载荷‑深度曲线得到加载曲率CR，并建立C0和CR的关系式；步骤4：根据步骤1获取的C0和步骤3建立的关系式即可获得被测材料的残余应力；本发明专利技术方法简单有效，并且具有普适性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于圆锥形压头的已知材料残余应力测定方法
本专利技术涉及材料残余应力的测定方法，具体涉及一种基于圆锥形压头的已知材料残余应力测定方法。
技术介绍
残余应力由不均匀的塑性应变或相变(如机械加工或表面强化等)引起，其广泛存在于实际工程结构中，且对材料疲劳、断裂、腐蚀、磨损等性能的影响(多为不利)较大；因而在对材料或结构进行力学分析、安全评价时，准确测量其参与应力显得尤为重要；一般地，获取材料残余应力的传统方法主要包括切片/钻孔法(1930s～)与X射线/中子射线衍射法(1940s～)；此两类测试虽已成熟应用但各自具有较明显的缺陷，切片/钻孔法势必造成结构的破坏，且测试精度受限于粘贴应变片的位置和尺寸；辐射衍射法穿透深度100μm～105μm而其分辨力只有102μm～103μm；然而随着结构小型化(如微机电系统等)，传统方法受材料或结构服役条件限制，难以实现并有效地展开试验；此外，对于在役航空航天、高铁、核电等关键工程广泛存在的焊接结构，采用传统方法难以分别获得不同区域(焊缝区、热影响区等)的残余应力，并且预测精度受限；目前还缺乏精确且重复性良好的用于材料或结构残余应力的便捷检测技术。圆锥形压入试验是一种传统上用于材料洛氏硬度测量的试验方法；由于压入理论的发展与试验技术的进步，锥形压入逐渐被用来测量材料的弹性模量、屈服强度和残余应力等；通过单体双锥度压入可一次性获得包含足够材料弹塑性性能信息的载荷-深度关系；但是现有的技术方案精确度不够，并且计算较为繁琐。例如Chen等人(ZhaoM.,ChenX.,YanJ.,KarlssonA.M.Determinationofuniaxialresidualstressandmechanicalpropertiesbyinstrumentedindentation[J].ActaMaterialia,2006,54:2823-2832.)采用70.3°圆锥形压头获取近似理想弹塑性材料的残余应力、弹性模量及屈服应力；由大量有限元计算得到不同残余应力下圆锥压入载荷-深度(P-h)曲线围线面积，即加载功和卸载功；并进一步建立无量纲加载功与残余应力比及模量屈服比的关系式：式中：Wl为加载功，Wu为卸载功，σR为残余应力，σY为屈服应力，E为弹性模量，ξ＝E/σY，η＝σR/σY，式中a1-a17，b1-b22及c1-c17均为通过有限元计算确定的无量纲参数，δmax、δf分别为加载最大深度和卸载残余深度；该技术方案主要通过将式(1)三个方程联立可得到材料的弹性模量E、屈服应力σY和残余应力σR；但该技术方案仅适合于理想弹塑性材料的残余应力获取，所得求解公式几乎完全基于涵盖大范围材料的有限元计算，缺乏有效的理论支撑，并且拟合得到的求解公式形式复杂，包含多大56个；并且均需要P-h曲线的加载卸载段，需要计算和处理的参数过多，最终给求解和应用造成了诸多不便。Zhang等人(LuZ,FengY,PengG,etal.Estimationofsurfaceequi-biaxialresidualstressbyusinginstrumentedsharpindentation[J].MaterialsScienceandEngineering:A,2014,614:264-272.)基于大范围有限元计算建立了两种角度锥形压入无量纲参量Wt/We，E*/σy和hm/he之间的关系式：式中：C为有残余应力加载曲率，C0为无残余应力的加载曲率，σr为残余应力，σy为屈服应力，E为弹性模量，n为应变硬化指数，a1-a6与b1-b6为通过有限元计算确定的无量纲参数；该方法首先判定为压向残余应力(C>C0)或拉向残余应力(C<C0)，然后将对圆锥压入加载曲率C代入式(2)求解出σR；然而，该技术方案试验过程繁琐，不仅需要提前通过拉伸等试验得到无应力状态下材料的弹性模量、屈服应力以及硬化指数，还需要对有应力/无应力材料分别进行压入试验，不利于压入残余应力方法的推广和应用。
技术实现思路
本专利技术提供一种简单有效的实现材料残余应力的获取，并且具有普适性的基于圆锥形压头的已知材料残余应力测定方法。本专利技术采用的技术方案是：一种基于圆锥形压头的已知材料残余应力测定方法，包括以下步骤：步骤1：获取被测材料在无应力状态下的加载曲率C0；步骤2：通过圆锥形压头对含有残余应力的被测材料表面进行准静态压入加载试验，获取连续的载荷-深度曲线；步骤3：根据步骤2得到的载荷-深度曲线得到加载曲率CR，并建立C0和CR的关系式；步骤4：根据步骤1获取的C0和步骤3建立的关系式即可获得被测材料的残余应力。进一步的，所述步骤1中加载曲率C0的获取方法为下述两种方法中的一种；(1)获取已知材料拉伸性能参数，根据能量等效方法预测无应力状态下的加载曲率；(2)通过圆锥形压头对无应力状态下的被测材料表面进行准静态压入加载试验，获取连续的载荷-深度曲线，根据Kick定律回归得到无应力状态下的加载曲率。进一步的，所述步骤3中通过Kick定律回归获取加载曲率CR。进一步的，所述步骤3中C0和CR的关系式如下所示：式中：β1、β2与β3为无量纲常数，n为被测材料的硬化指数，σy为被测材料的屈服应力，E为被测材料的弹性模量，R为残余应力比，R＝σR/σy，σR为被测材料的残余应力。进一步的，所述步骤4中获取被测材料残余应力的方法如下：进一步的，所述步骤1中加载曲率C0满足以下关系：式中：P为压入载荷，h为压入深度，θ为锥形压头的半锥角，k1、k2为无量纲常数，E为被测材料的弹性模量，R为残余应力比，n为被测材料的硬化指数。本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术克服了现有材料残余应力测定方法存在的需对大范围材料的有限元计算、复杂的多级拟合方程、繁琐的试验程序以及反求唯一性难以保证等缺陷；(2)本专利技术可简便有效地实现材料残余应力的获取，效果理想且具有普适性，适用于从纳米尺度直到宏观毫米尺度的材料压入测试；(3)本专利技术特别是对于微机电系统、航空航天、核电、高铁、油气运输等关键工程广泛存在的小型结构或焊接结构的残余应力获取具有重要意义。附图说明图1为本专利技术采用的圆锥形压入方式示意图。图2为典型的圆锥形压入载荷-深度曲线图。图3为本专利技术具体实施例中铝合金压入试验载荷-深度曲线图。图4为本专利技术具体实施例中铝合金残余应力预测结果示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步说明。一种基于圆锥形压头的已知材料残余应力测定方法，包括以下步骤：步骤1：获取被测材料在无应力状态下的加载曲率C0；加载曲率C0的获取方法为下述两种方法中的一种；(1)获取已知材料拉伸性能参数，根据能量等效方法预测无应力状态下的加载曲率；(2)通过圆锥形压头对无应力状态下的被测材料表面进行准静态压入加载试验，获取连续的载荷-深度曲线，根据Kick定律回归得到无应力状态下的加载曲率。加载曲率C0满足以下关系：式中：P为压入载荷，h为压入深度，θ为锥形压头的半锥角，k1、k2为无量纲常数，E为被测材料的弹性模量，R为残余应力比，n为被测材料的硬化指数。步骤2：通过圆锥形压头对含有残余应力的被测材料表面进行准静态压入加载试验，获取连续的载荷-深度曲线；步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于圆锥形压头的已知材料残余应力测定方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：获取被测材料在无应力状态下的加载曲率C0；步骤2：通过圆锥形压头对含有残余应力的被测材料表面进行准静态压入加载试验，获取连续的载荷‑深度曲线；步骤3：根据步骤2得到的载荷‑深度曲线得到加载曲率CR，并建立C0和CR的关系式；步骤4：根据步骤1获取的C0和步骤3建立的关系式即可获得被测材料的残余应力。

【技术特征摘要】
1.一种基于圆锥形压头的已知材料残余应力测定方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：获取被测材料在无应力状态下的加载曲率C0；步骤2：通过圆锥形压头对含有残余应力的被测材料表面进行准静态压入加载试验，获取连续的载荷-深度曲线；步骤3：根据步骤2得到的载荷-深度曲线得到加载曲率CR，并建立C0和CR的关系式；步骤4：根据步骤1获取的C0和步骤3建立的关系式即可获得被测材料的残余应力。2.根据权利要求1所述的一种基于圆锥形压头的已知材料残余应力测定方法，其特征在于，所述步骤1中加载曲率C0的获取方法为下述两种方法中的一种；(1)获取已知材料拉伸性能参数，根据能量等效方法预测无应力状态下的加载曲率；(2)通过圆锥形压头对无应力状态下的被测材料表面进行准静态压入加载试验，获取连续的载荷-深度曲线，根据Kick定律回归得到无应力状态下的加载曲率。3.根据权利要求1所述的一种基于...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡力勋，陈辉，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51