一种材料表面残余应力的测量方法及其系统技术方案

本发明专利技术公开了一种材料表面残余应力的测量方法及其系统。本发明专利技术采用压入针尖与待测样品的待测区域发生接触，并连续压入待测样品；应变仪通过应变片输出的应变信号测量加载载荷F的变化，阻抗分析仪测量各个压电梁上压电片的机电阻抗频响，通过机电阻抗频响即可获得压入针尖与待测样品的接触区域的投影面积S，通过连续压入即可获得压入过程中的F‑S曲线，进而获得残余应力；本发明专利技术测试方便快捷，效率较高；无需事先知道材料的塑性、屈服应力等性质；是一种在位测试方法，适用于在位测量和工程中的现场测量，并可以进一步扩展为自动化的测试系统；本方法仅需要应变测量模块和阻抗芯片模块，因此适用于大规模的测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于检测计量领域，具体涉及一种材料表面残余应力的测量方法及其系统。
技术介绍
残余应力通常产生于机械加工、非均匀受热和化学腐蚀等过程，其广泛存在核电材料、承受反复冲击作用的飞机起落架、航天飞机的表面功能涂层等重要部位。残余应力对材料的断裂韧性、疲劳强度和使用寿命有着显著的影响，准确对材料的残余应力进行表征，对测量结构损伤、准确评估结构的性能和使用寿命有着极其重要的意义。残余应力成因极其复杂，很难使用理论模型进行预测，实际中多采用实验手段进行测量。当前主要的残余应力测量方法可分为物理方法和机械方法：物理方法主要通过测量残余应力对材料物理特性的影响来测量残余应力值，常用的方法包括X射线衍射法和超声波法等；机械方法主要通过对材料进行机械处理，通过对比材料在处理前后的应变或位移变化来测量残余应力值，常用的方法包括钻孔法和裂纹柔度法等。物理方法是一种对材料无损的方法，但物理方法所采用的设备多较为昂贵，且所测深度极浅；机械方法多需要破坏材料，是一种有损的测试方法，且不能对薄膜涂层进行测量。仪器化压入法是一种高精度的在位力学性能表征方法，表面残余应力对压入过程中的针尖-样品投影面积、加载载荷、压入功/初始塑性变形发生点、卸载后的弹性恢复和压入曲线的弯曲度均存在影响，因此可通过压入测试对残余应力进行表征。传统的压入测试法基于纳米压痕仪，对测试环境和测试成本要求较高，而且需要大量的数据进行经验公式拟合，故不适用于实际情况下的测量。
技术实现思路
针对以上现有技术中存在的不足，本专利技术提出了一种全新的材料表面残余应力的测量方法，该方法给出了残余应力大小与压入过程的F-S曲线，其中F为加载载荷，S为压入针尖与待测样品的接触区域的投影面积，在此基础上，本专利技术提出了基于机电阻抗法的残余应力探测器，通过连续压入待测样品而获得的F-S曲线来表征残余应力。本专利技术所提出的方法可以准确的对残余应力进行测量，无需大量的数据拟合经验公式，是一种有较大潜力的在位残余应力测量方法。本专利技术的一个目的在于提出一种材料表面残余应力的测量系统。本专利技术的材料表面残余应力的测量系统包括：残余应力探测器、阻抗分析仪、应变仪和计算机控制系统；其中，残余应力探测器包括支撑环、高度可调支座、压电梁、压电片、压入针尖和应变片；支撑环的底部设置多个呈中心分布的高度可调支座，以调节支撑环的高度；支撑环内部设置有多个呈中心对称分布的压电梁，每一个压电梁的一端固定在支撑环上，另一端与其他压电梁相交于支撑环的中心；在每一个压电梁的上下表面分别设置压电片；在多个压电梁相交的中心的下表面设置压入针尖；在多个压电梁相交的中心的上表面设置应变片；压电片连接至阻抗分析仪；应变片连接至应变仪；阻抗分析仪和应变仪分别通过数据线连接至计算机控制系统。测试时，通过高度可调支座将支撑环固定在待测样品的表面，通过调整高度可调支座调整支撑环的高度，使得压入针尖与待测样品的待测区域发生接触，并连续压入待测样品；应变仪通过应变片输出的应变信号监测压入针尖的接触力也就是加载载荷F的变化，阻抗分析仪测量各个压电梁上压电片的机电阻抗频响，通过机电阻抗频响即可获得压入针尖与待测样品的接触区域的投影面积S，通过连续压入即可获得残余应力探测器压入过程中的F-S曲线，通过F-S曲线获得残余应力。计算机控制系统包括：阻抗测量模块，用于控制阻抗分析仪对残余应力探测器的机电频响进行测量；应变测量模块，用于测量和分析应变仪输出的应变信号；计算分析模块，获取压入过程的F-S曲线之后计算表征残余应力。本专利技术的另一个目的在于提供一种材料表面残余应力的测量方法。材料表面的残余应力σR分为等双轴残余应力和非等双轴残余应力，等双轴残余应力可表示为σR＝σx＝σy，σx为x方向的残余应力大小，σy为y方向的残余应力大小；非等双轴残余应力中，σx≠σy，且有σx＝kσy，k为主轴应力的比值，k≠1，事先已知。本专利技术的材料表面的等双轴残余应力的测量方法，包括以下步骤：1)将材料表面残余应力的测量系统组装完成；2)通过无残余应力样品得到无残余应力状态下的压入过程的F-S曲线，从而得到拟合参数C01和C02；3)通过多个高度可调支座将残余应力探测器固定于待测样品的表面；4)通过调整高度可调支座调整支撑环的高度，使得压入针尖与待测样品的待测区域发生接触并逐点压入待测样品；5)应变仪通过应变片输出的应变信号测量加载载荷F，同时采用阻抗分析仪测量各个压电梁上压电片的机电阻抗频响，通过机电阻抗频响获得压入针尖与待测样品的接触区域的投影面积S，分别记录每一点的加载载荷F和投影面积S；6)重复步骤4)～5)，连续压入待测样品，得到待测样品的压入过程的F-S数据，从而得到待测样品的压入过程的F-S曲线；7)将待测样品的压入过程的F-S曲线与无残余应力状态下的压入过程的F-S曲线进行比对，判断残余应力是残余拉应力还是残余压应力；8)根据步骤7)判断的结果，基于最小二乘法，结合已得到的拟合参数C01和C02，采用残余拉应力或者残余压应力公式，得到残余应力。其中，在步骤2)中，得到无残余应力状态下的压入过程的F-S曲线得到拟合参数C01和C02包括以下步骤：a)通过多个高度可调支座将残余应力探测器固定于无残余应力样品的表面；b)通过调整高度可调支座调整支撑环的高度，使得压入针尖与无残余应力样品发生接触并逐点压入无残余应力样品；c)应变仪通过应变片输出的应变信号测量无残余应力状态下的压入过程的加载载荷，同时采用阻抗分析仪测量各个压电梁上压电片的机电阻抗频响，通过机电阻抗频响获得压入针尖与无残余应力样品的投影面积，分别记录每一点的无残余应力状态下的压入过程的加载载荷F和投影面积S；d)重复步骤b)～c)，得到无残余应力状态下压入过程的F-S数据，从而得到无残余应力状态下压入过程的F-S曲线；e)基于最小二乘法，根据公式F＝C01S2+C02S，对无残余应力状态下压入过程的F-S数据进行拟合，获得拟合参数C01和C02。在步骤7)中，残余拉应力会增加接触面积，残余压应力会降低接触面积。若待测样品的压入过程的F-S曲线与无残余应力状态下的压入过程的F-S曲线相比下降，下降的含义为相同S值情况下有残余应力的加载载荷更低，那么残余应力为残余拉应力；若待测样品的压入过程的F-S曲线与无残余应力状态下的压入过程的F-S曲线相比上升，上升的含义为相同S值情况下有残余应力的加载载荷更高，那么残余应力为残余压应力。在步骤8)中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种材料表面残余应力的测量系统，其特征在于，所述测量系统包括：残余应力探测器、阻抗分析仪、应变仪和计算机控制系统；其中，所述残余应力探测器包括支撑环、高度可调支座、压电梁、压电片、压入针尖和应变片；所述支撑环的底部设置多个呈中心分布的高度可调支座，以调节支撑环的高度；所述支撑环内部设置有多个呈中心对称分布的压电梁，每一个压电梁的一端固定在支撑环上，另一端与其他压电梁相交于支撑环的中心；在每一个压电梁的上下表面分别设置压电片；在多个压电梁相交的中心的下表面设置压入针尖；在多个压电梁相交的中心的上表面设置应变片；所述压电片连接至阻抗分析仪；所述应变片连接至应变仪；所述阻抗分析仪和应变仪分别通过数据线连接至计算机控制系统。

【技术特征摘要】
1.一种材料表面残余应力的测量系统，其特征在于，所述测量系统包括：残余应力探测
器、阻抗分析仪、应变仪和计算机控制系统；其中，所述残余应力探测器包括支撑环、高度可
调支座、压电梁、压电片、压入针尖和应变片；所述支撑环的底部设置多个呈中心分布的高
度可调支座，以调节支撑环的高度；所述支撑环内部设置有多个呈中心对称分布的压电梁，
每一个压电梁的一端固定在支撑环上，另一端与其他压电梁相交于支撑环的中心；在每一
个压电梁的上下表面分别设置压电片；在多个压电梁相交的中心的下表面设置压入针尖；
在多个压电梁相交的中心的上表面设置应变片；所述压电片连接至阻抗分析仪；所述应变
片连接至应变仪；所述阻抗分析仪和应变仪分别通过数据线连接至计算机控制系统。
2.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述计算机控制系统包括：阻抗测量模
块，用于控制阻抗分析仪对残余应力探测器的机电频响进行测量；应变测量模块，用于测量
和分析应变仪输出的应变信号；计算分析模块，获取压入过程的F-S曲线之后计算表征残余
应力。
3.一种材料表面的等双轴残余应力的测量方法，等双轴残余应力表示为σR＝σx＝σy，σR为残余应力，σx为x方向的残余应力大小，σy为y方向的残余应力大小其特征在于，所述测量
方法，包括以下步骤：
1)将材料表面残余应力的测量系统组装完成；
2)通过无残余应力样品得到无残余应力状态下的压入过程的F-S曲线，从而得到拟合
参数C01和C02；
3)通过多个高度可调支座将残余应力探测器固定于待测样品的表面；
4)通过调整高度可调支座调整支撑环的高度，使得压入针尖与待测样品的待测区域发
生接触并逐点压入待测样品；
5)应变仪通过应变片输出的应变信号测量加载载荷F，同时采用阻抗分析仪测量各个
压电梁上压电片的机电阻抗频响，通过机电阻抗频响获得压入针尖与待测样品的接触区域
的投影面积S，分别记录每一点的加载载荷F和投影面积S；
6)重复步骤4)～5)，连续压入待测样品，得到待测样品的压入过程的F-S数据，从而得
到待测样品的压入过程的F-S曲线；
7)将待测样品的压入过程的F-S曲线与无残余应力状态下的压入过程的F-S曲线进行
比对，判断残余应力是残余拉应力还是残余压应力；
8)根据步骤7)判断的结果，基于最小二乘法，结合已得到的拟合参数C01和C02，采用残余
拉应力或者残余压应力公式，得到残余应力。
4.如权利要求3所述的测量方法，其特征在于，在步骤2)中，得到无残余应力状态下的
压入过程的F-S曲线得到拟合参数C01和C02包括以下步骤：
a)通过多个高度可调支座将残余应力探测器固定于无残余应力样品的表面；
b)通过调整高度可调支座调整支撑环的高度，使得压入针尖与无残余应力样品发生接
触并逐点压入无残余应力样品；
c)应变仪通过应变片输出的应变信号测量无残余应力状态下的压入过程的加载载荷，
同时采用阻抗分析仪测量各个压电梁上压电片的机电阻抗频响，通过机电阻抗频响获得压
入针尖与无残余应力样品的投影面积，分别记录每一点的无残余应力状态下的压入过程的
加载载荷F和投影面积S；
d)重复步骤b)～c)，得到无残余应力状态下压入过程的F-S数据，从而得到无残余应力
状态下压入过程的F-S曲线；
e)基于最小二乘法，根据公式F＝C01S2+C02S，对无残余应力状态下压入过程的F-S数据
进行拟合，获得拟合参数C01和C02。
5.如权利要求3所述的测量方法，其特征在于，在步骤7)中，残余拉应力会增加接触面
积，残余压应力会降低接触面积。若待测样品的压入过程的F-S曲线与无残余应力状态下的
压入过程的F-S曲线相比下降，下降的含义为相同S值情况下有残余应力的加载载荷更低，
那么残余应力为残余拉应力；若待测样品的压入过程的F-S曲线与无残余应力状态...

【专利技术属性】
技术研发人员：李法新，付际，夏荣煜，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11