残余应力分析方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种残余应力分析方法及应用，属于光测力学、微电子器件技术领域。该分析方法包括将切割前的图像与切割后图像进行匹配，并结合相应的计算公式计算出释放的残余应力。该方法不仅可以应用于金属和非金属材料表面残余应力的测量和分析，而且还能够用于极薄取向硅钢片和非金属类材料表面残余应力的测试分析。

【技术实现步骤摘要】
残余应力分析方法及应用
本专利技术涉及一种应力分析方法，属于光测力学、微电子器件
，具体地涉及一种残余应力分析方法及应用。
技术介绍
不论是在科学研究领域还是工业生产中，残余应力都受到广泛的关注。传统工业领域，宏观结构件铸造与加工生产过程中常常需要经过强烈的热失配和塑性变形，从而导致内应力，而残余应力对于其疲劳寿命与断裂强度的影响至关重要。在微观机械结构与材料的研究中，残余应力也有深远的影响，其作用可以归结为在点、线、面结构上的影响。如在微机电系统中，刻蚀与沉积过程会引入残余应力，并常常导致预变形甚至尺寸不准等问题；在Nb3Sn超导线中，残余应力会导致临界电流急剧下降甚至导线失效；在片状结构的镀膜过程中，常常会因晶格失配引入残余应力，引起明显的翘曲。当然在有些情况下，残余应力也有有利的一面。例如，在半导体工业领域，人们利用应力对载流子浓度的影响提出了应变工程的概念，使得二极管的性能大大提高。为了减少残余应力的不利影响，发挥其优势，对残余应力的测量与分析具有重要的意义。目前，残余应力分析技术主要可以分为以下几大类：衍射法、应力释放法和物理量转化类方法。衍射法通过X射线或中子衍射谱反映材料内部晶面间距的大小或者相对变化，以此来反演应力，但其只适用于晶体材料，对无定形材料无计可施。物理量转化类方法包括力学与非力学方法。例如，力学方法的典型代表为压痕法，非力学方法包括利用声场和磁场等进行的应力分析。应力释放法是在应力作用位置去除部分材料后，通过测量去除材料附近区域的前后变形来实现对原应力状态的推算。该方法不仅适用于宏观残余应力测量，也适用于微观残余应力测量，并且适用于各种不同得材料。由于薄膜得破坏往往是局部破坏，微区得残余应力测量具有非常重要得意义。具有微纳米加工能力得聚焦离子束系统和光学测量方法相结合，为实现微区的残余应力测量提供了可能。Sabate等在N.Sabate,D.Vogeletal.JournalofMicroelectromechanicalSystems,2007报道了利用聚焦离子束在薄膜表面钻孔或者切槽结合数字图像相关的方法测量悬空梁薄膜的残余应力；Korsunsky在A.Korsunsky,M.Sebastianietal.SurfaceandCoatingsTechnology,2020中报道了利用聚焦离子束加工环形槽结合数字图像相关的方法测量薄膜的残余应力。钻孔或者切槽的方法会在刻蚀区域引起应变集中，而环芯法释放的应变较为均匀，是释放残余应力的最佳选择。利用数字图像相关方法测量由残余应力释放引起的位移或应变需要记录钻孔或者切槽前后的试件表面图像，但是在聚焦离子束的微加工过程中边缘区域形貌破坏比较严重，试件表面灰度形貌也会受影响，这些都会显著影响数字图像相关方法的计算精度。中国专利技术专利申请(申请公布号：CN110110390A，申请公布日：2019-08-09)公开了基于三维几何形貌匹配的应变测试方法，被测样品表面进行处理以形成具有微米级粗糙度结构的表面形貌，采样获得被测样品表面考察区域的微米级三维形貌数据，在被测样品承受外力发生变形过程中对被测样品表面考察区域的三维形貌信息进行连续测量直至试验停止，分别记为M1、M2、…、Mn，对记录的三维形貌数据M0、M1、…、Mn进行处理，计算被测样品表面考察区域的应变；能够在没有样品表面形变过程的照片或照片清晰度不够时，可以依据几何形貌数据的匹配分析获得该样品表面的应变分布，是一种有别于传统数字散斑图像分析方法进行应变测量的新途径。该方法的优点是不依赖于是否有图像或者图像是否清晰，然而其与本申请相比缺点是对局部微区应变的分析精度不够高，不适合残余应力释放导致的小应变分析。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术公开了一种残余应力分析方法及应用，该方法不仅可以应用于金属和非金属材料表面残余应力的测量和分析，而且还能够用于极薄取向硅钢片和非金属类材料表面残余应力的测试分析。为实现上述目的，本专利技术公开了一种残余应力分析方法，它包括如下步骤：1)准备样片并确定所述样片表面残余应力待分析位置；2)获取所述待分析位置的2D初始灰度图像M0；3)对所述待分析位置采用等离子束加工环形槽，获取所述环形槽内部的2D灰度图像M1；4)对加工前后的图像M0、M1进行匹配分析，具体分析过程如下：4.1)图像预处理：去除图像M1的环形槽上不可靠数据点，并将所述图像M1离散为N个均匀分布的子图像m1,n，n为自1至N之间的任意自然数；4.2)图像匹配分析：以所述图像M1的子图像m1,1中间部位像素点作为分析的起始点Q1,1，并同所述图像M0进行匹配分析，找到所述图像M0对应的子图像m0,1及所述子图像m0,1的起始点Q0,1；4.3)计算子图像m0,1处残余应力：由于残余应力释放在子图像m0,1处产生的主应变ε1和ε2满足如下数学关系式：且ε1与x轴的夹角满足如下数学关系式：根据胡克定律可以计算出释放的残余应力σ1和σ2：其中，E为材料的弹性模量，μ为材料的泊松比；4.4)计算其他子图像m0,n处的释放应变和释放的残余应力；5)对M0中各子图像分析计算的残余应力进行平均以获得等离子束切割区域释放的平均残余应力。进一步地，所述ux、uy、vx、vy还满足子图像m1,1所属像素点(xi，yi)与子图像m0,1匹配像素点(xi’，yi’)之间的误差函数Er(u0,v0,ux,uy,vx,vy)，且该误差函数Er满足如下数学关系式：Er＝∑i(g0(xi’,yi’)-g1(xi,yi))2；其中，g0(xi’,yi’)为子图像m0,1像素点(xi’，yi’)的灰度值，g1(xi,yi)为子图像m1,1中像素点(xi，yi)的灰度值；u0、v0的初始值取0，ux、uy、vx、vy的初始值取1，通过优化求解参数u0、v0、ux、uy、vx、vy以使得误差函数Er趋于最小。进一步地，所述子图像m1,1所属像素点(xi，yi)与子图像m0,1匹配像素点(xi’，yi’)之间的匹配过程如下：假设子图像m1,1、m0,1的灰度分布满足一阶变换关系，数学关系式如下：其中，上述数学关系式中(x0，y0)为起始点Q1,1的坐标，(u0，v0)为起始点Q0,1与起始点Q1,1的相对坐标，Δxi、Δyi为子图像m1,1所属像素点(xi，yi)与起始点Q1,1的像素点(x0，y0)之间的相对位置，则(xi’，yi’)为像素点(xi，yi)在m0,1中的匹配点。进一步地，m1,1中起始点Q1,1(x0，y0)在m0,1中的对应起始点为Q0,1的坐标为(x0+u0，y0+v0)。进一步地，步骤4.1)中，去除图像M1的环形槽上不可靠数据点的过程包括设环形槽内部边界的直径为D，等离子束的影响范围半径为R，M1的有效数据点为环形槽内边界偏移R后的包围区域本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种残余应力分析方法，其特征在于，它包括如下步骤：/n1)准备样片并确定所述样片表面残余应力待分析位置；/n2)获取所述待分析位置的2D灰度图像M

【技术特征摘要】
1.一种残余应力分析方法，其特征在于，它包括如下步骤：
1)准备样片并确定所述样片表面残余应力待分析位置；
2)获取所述待分析位置的2D灰度图像M0；
3)对所述待分析位置采用等离子束加工环形槽，获取所述环形槽内部的2D灰度图像M1；
4)对加工前后的图像M0、M1进行匹配分析，具体分析过程如下：
4.1)图像预处理：去除图像M1的环形槽上不可靠数据点，并将所述图像M1离散为N个均匀分布的子图像m1，n，n为自1至N之间的任意自然数；
4.2)图像匹配分析：以所述图像M1的子图像m1，1中间部位像素点作为分析的起始点Q1，1，并同所述图像M0进行匹配分析，找到所述图像M0对应的子图像m0，1及所述子图像m0，1的起始点Q0，1；
4.3)计算子图像m0，1处残余应力：由于残余应力释放在子图像m0，1处产生的主应变ε1和ε2满足如下数学关系式：






且ε1与x轴的夹角满足如下数学关系式：



根据胡克定律可以计算出释放的残余应力σ1和σ2：






其中，E为材料的弹性模量，μ为材料的泊松比；
4.4)计算其他子图像m0，n处的释放应变和释放的残余应力；
5)对M0中各子图像分析计算的残余应力进行平均以获得等离子束切割区域释放的平均残余应力。


2.根据权利要求1所述残余应力分析方法，其特征在于，所述ux、uy、vx、vy还满足子图像m1，1所属像素点(xi，yi)与子图像m0，1匹配像素点(xi’，yi’)之间的误差函数Er(u0，v0，ux，uy，vx，vy)，且该误差函数Er满足如下数学关系式：
Er＝∑i(g0(xi’，yi’)-g1(xi，yi))2；
其中，g0(xi’，yi’)为子图像m0，1像素点(xi’，yi’)的灰度值，g1(xi，yi)为子图像m1，1中像素点(xi，yi)的灰度值；
u0、v0的初始值取0，ux、uy、vx、vy的初始值取1，通...

【专利技术属性】
技术研发人员：祝洪川，胡宽辉，王俊霖，陈一鸣，孙伟华，孟庆格，
申请(专利权)人：武汉钢铁有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42