一种基于仪器化球压入技术的残余应力检测方法技术

一种基于仪器化球压入技术的残余应力检测方法，包括以下步骤：1)采用球形压头对无残余应力试样进行压入试验，相对压入深度h/R＝0.3，获取压入载荷-深度曲线，计算加载功Wt、卸载功Wu和Mayer系数(m)，计算弹性模量E、屈服应变σy和幂硬化指数n，材料屈服应变，εy＝σy/E；2)采用球形压头对相同材料的有残余应力试样进行压入试验，相对压入深度大于0.1；分别获得有残余应力试样和无残余应力试样在相对压深h/R＝0.1处对应的压入载荷F|h/R＝0.1和F0|h/R＝0.1；3)选取相对变化量(F-F0)/F0|h/R＝0.1作为分析参量，建立所述分析参量与残余应力σR之间关系式(2)；4)根据参量F|h/R＝0.1、F0|h/R＝0.1和材料力学参数，计算得到被测材料的残余应力σR。本发明专利技术准确性较高、实用性较好。

【技术实现步骤摘要】
一种基于仪器化球压入技术的残余应力检测方法
本专利技术涉及一种材料表面残余应力的检测方法，尤其是一种利用仪器化球形压入技术检测材料表面残余应力的方法。
技术介绍
工程材料中，表面残余应力的存在会改变金属零部件的服役性能(如抗疲劳、抗断裂、耐腐蚀和抗磨损等)，需进行准确检测。与传统检测方法相比，仪器化压入检测法是一种微尺度(10-1～101μm)的材料表面残余应力检测方法，适用于微区和微损检测。该类检测方法与便携式压入仪相结合可实现在线原位检测，具有较好的应用前景。目前，仪器化压入检测方法，根据压头的几何形状(棱锥和球形)，可以分为两类：锥形压入法和球形压入法。已有的锥形压入法选取不可直接测量的接触面积作为分析参量，影响其检测精度；已有的球形压入法主要依赖于经验观察，缺乏机理性研究，准确性较低，尚不便实际应用。
技术实现思路
为克服已有的仪器化压入检测方法的准确性较低、实用性较差的不足，本专利技术提供一种准确性较高、实用性较好的基于仪器化球压入技术的残余应力检测方法。为了解决上述技术问题提供如下技术方案：一种基于仪器化球压入技术的残余应力检测方法，所述检测方法包括以下步骤：1)采用球形压头对无残余应力试样进行压入试验，相对压入深度h/R＝0.3，其中，h为压入深度，R为球形压头的半径，获取压入载荷-深度(F-h)曲线，计算加载功Wt、卸载功Wu和Mayer系数(m)，通过式(1)计算材料的力学参数,如弹性模量E、屈服应变σy和幂硬化指数n：式中，a为孔洞扩张模型中核心区半径，c为孔洞扩张模型中塑性区半径，ν为材料泊松比，εy为材料屈服应变，εy＝σy/E；2)采用球形压头对相同材料的有残余应力试样进行压入试验，相对压入深度(h/R)大于0.1；分别获得有残余应力试样和无残余应力试样在相对压深h/R＝0.1处对应的压入载荷F|h/R＝0.1和F0|h/R＝0.1；3)选取相对压入深度h/R＝0.1处压入载荷的相对变化量(F-F0)/F0|h/R＝0.1作为分析参量，通过量纲分析和数值模拟，建立所述分析参量与残余应力σR之间关系式：4)将上述获得的参量F|h/R＝0.1、F0|h/R＝0.1和材料力学参数代入式(2)，计算得到被测材料的残余应力σR，正值表示残余拉应力，负值表示残余压应力。本专利技术中，仪器化球形压入是指采用仪器化压入仪，将硬质(通常为金刚石)球形压头压入被测材料，实时测量和记录作用于试样的载荷和压入试样的深度，自动输出压入载荷-深度曲线，无需人工测量和读数，从而避免人为误差。本专利技术的有益效果主要表现在：准确性较高、实用性较好。附图说明图1为有残余应力和无残余应力的压入载荷-深度曲线示意图；图2为ABAQUS有限元计算模型；图3为ABAQUS有限元模拟结果，其中，(a)为n＝0.30，εy取不同值时，相对加载载荷(F-F0)/F0|h/R＝0.1与无量纲残余应力σR/σy间关系；(b)为εy＝0.010，n取不同值时，相对载荷(F-F0)/F0|h/R＝0.1与无量纲残余应力σR/σy间关系；图4为Π(εy,n)与材料参数之间的关系，(a)为有残余压应力时，Π(εy,n)与材料参数之间的关系；(b)为有残余拉应力时，Π(εy,n)与材料参数之间的关系；图5为3种典型金属在不同名义残余应力(即预加应力)下的仪器化压入实验曲线。其中，(a)为Al2024在5种应力状态下的压入加载曲线；(b)为Al7075在5种应力状态下的压入加载曲线；(c)为TiGrade5在5种应力状态下的压入加载曲线。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步描述。参照图1～图5，一种基于仪器化球压入技术的残余应力检测方法，所述检测方法包括以下步骤：1)采用球压头对无残余应力试样进行压入试验，其相对压入深度(h/R)为0.3。获取压入载荷-深度(F-h)曲线，计算加载功(Wt)、卸载功(Wu)和Mayer系数(m)。通过式(1)计算材料力学参数,如弹性模量(E)、屈服强度(σy)和幂硬化指数(n)。2)采用球压头对相同材料的有残余应力试样进行压入试验，其相对压入深度(h/R)大于0.1。分别获得有残余应力试样和无残余应力试样在相对压深h/R＝0.1处的压入载荷F|h/R＝0.1和F0|h/R＝0.1。3)选取相对压入深度h/R＝0.1处压入载荷的相对变化量(F-F0)/F0|h/R＝0.1作为分析参量，通过量纲分析和数值模拟，建立所述分析参量与残余应力σR之间关系式：4)将上述获得的参量F|h/R＝0.1、F0|h/R＝0.1和通过式(1)求得的材料力学参数(屈服强度σy、屈服应变εy和幂硬化指数n)代入式(2)，计算得到被测材料的残余应力σR。本实施例中，对有残余应力和无残余应力试样进行球形压入测试，残余压应力引起加载曲线升高，而残余拉应力引起加载曲线降低，如图1所示。本专利技术选取相对压入深度h/R＝0.1处压入载荷的相对变化量(F-F0)/F0|h/R＝0.1作为分析参量，建立该分析参量(F-F0)/F0|h/R＝0.1与残余应力σR之间关系式，其具体步骤如下：假设压头为球形刚性压头，试样为线弹幂硬化材料，压入有残余应力的试样时，压入载荷F是材料参量(包括弹性模量E、泊松比ν、屈服强度σy、幂硬化指数n)、压头半径R、压入深度h和残余应力σR的函数,即F＝f(E,ν,σy,n,R,h,σR)(3)利用量纲分析中的Π定理，由式(3)可得到如下无量纲关系同理，球形压入无残余应力试样，压入载荷F可表示为联立式(4)和式(5)，可得选取相对压深h/R＝0.1处压入载荷的相对变化量(F-F0)/F0|h/R＝0.1作为分析参量，加之实验结果表明泊松比ν对压入结果的影响可忽略，因此式(6)简化为利用数值模拟进结果，确定式(7)的具体函数形式。本专利技术采用ABAQUS商业有限元软件，分别模拟了多种材料力学参数组合的试样在有、无残余压力下的球形压入测试。由于球形压入是轴对称性问题，采用轴对称模型进行计算，其中球形压头的半径为100μm。根据常见金属的力学参数，弹性模量固定取值100GPa，泊松比固定取值0.3，屈服强度与弹性模量的比值(即屈服应变εy)取值0.001、0.002、0.003、0.004、0.005、0.006、0.007、0.008、0.009和0.010，硬化指数取值0.05、0.10、0.15、0.20、0.25和0.30，共组合出60种材料。通过施加预应力来等效材料内部的残余应力，在压入测试前施加在样品外侧，参见图2。对于每种材料，施加11种不同大小的预应力，分别为：σR/σy＝-0.9、-0.7、-0.5、-0.3、-0.1、0、0.1、0.3、0.5、0.7和0.9("-"表示压应力，σy为材料的屈服强度)。数值模拟结果参见图3，对于同种材料，其无量纲残余应力σR/σy与相对加载载荷(F-F0)/F0|h/R＝0.1呈线性关系，式(7)可进一步简化为Π(εy,n)与材料参数的关系，参见图4。对于残余压应力，对于残余拉应力，将式(9)和式(10)代入式(8)，得到残余应力与分析参量间的关系式，即式(2)，其中(F-F0)/F0|h/R＝0.1为易于准确测量的参量，再将通过式(1)计算确定的材料力学参数(屈服强度σy、屈本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种表面残余应力的仪器化球形压入检测方法，其特征在于：所述检测方法包括以下步骤：1)采用球形压头对无残余应力试样进行压入试验，相对压入深度h/R＝0.3，其中，h为压入深度，R为球形压头的半径，获取压入载荷‑深度(F‑h)曲线，计算加载功Wt、卸载功Wu和Mayer系数(m)，通过式(1)计算材料的力学参数,如弹性模量E、屈服应变σy和幂硬化指数n：Wt=2πEϵy2c33n(n+1)(c3na3n-1)+(n-1)πEϵy2a33(n+1)(c3a3-1)+πEϵy2c33Wu=λπ(1+v)Eϵy2a32[(7-8v3)n23n(c3na3n-1)+1]2m=(-70.436ϵy+2.1866)n+(49.355ϵy+1.8547)λ=(242.62ϵy-4.6663)n3+(-286.30ϵy+3.1253)n+(57.053ϵy+0.56730)---(1)]]>式中，a为孔洞扩张模型中核心区半径，c为孔洞扩张模型中塑性区半径，ν为材料泊松比，εy为材料屈服应变，εy＝σy/E；2)采用球形压头对相同材料的有残余应力试样进行压入试验，相对压入深度(h/R)大于0.1；分别获得有残余应力试样和无残余应力试样在相对压深h/R＝0.1处对应的压入载荷F|h/R＝0.1和F0|h/R＝0.1；3)选取相对压入深度h/R＝0.1处压入载荷的相对变化量(F‑F0)/F0|h/R＝0.1作为分析参量，通过量纲分析和数值模拟，建立所述分析参量与残余应力σR之间关系式：σRσy=[(-0.66535n2+0.54962n-0.22177)lg(ϵy)-1.30556n2+1.26769n-0.67626]-1F-F0F0|h/R=0.1,(F-F0)>0[(-0.61027n2+0.51775n-0.25209)lg(ϵy)-1.45435n2+1.47543n-0.84722]-1F-F0F0|h/R=0.1,(F-F0)<0---(2)]]>4)将上述获得的参量F|h/R＝0.1、F0|h/R＝0.1和材料力学参数代入式(2)，计算得到被测材料的残余应力σR，正值表示残余拉应力，负值表示残余压应力。...

【技术特征摘要】
1.一种表面残余应力的仪器化球形压入检测方法，其特征在于：所述检测方法包括以下步骤：1)采用球形压头对无残余应力试样进行压入试验，相对压入深度h/R＝0.3，其中，h为压入深度，R为球形压头的半径，获取压入载荷-深度(F-h)曲线，计算加载功Wt、卸载功Wu和Mayer系数(m)，通过式(1)计算材料的力学参数,如弹性模量E、屈服应力σy和幂硬化指数n：式中，a为孔洞扩张模型中核心区半径，c为孔洞扩张模型中塑性区半径，ν为材料泊松比，εy为...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭光健，逯智科，马毅，张泰华，陈培见，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33