一种非等双轴残余应力的压入标定方法技术

本发明专利技术涉及一种非等双轴残余应力的压入标定方法，包括：确定被测材料的标准状态参数；基于压入塑性区偏移标定单轴残余应力系数；基于压入载荷差标定双轴残余应力系数；标定结果的收敛性判定：将计算得到的双轴残余应力系数与计算单轴残余应力系数时采用的双轴残余应力系数的初始值对比，若两者的相对误差小于允许值，则认为标定结果真实，否则将基于压入载荷差标定的等双轴残余应力系数用于单轴残余应力系数的标定，重复标定步骤直至满足收敛性判据。最终在求解以压入方向为法线的平面内沿x轴和沿y轴方向的残余应力。本发明专利技术也适用于等双轴残余应力及单轴残余应力的测定，对增材制造、冷加工等原因导致的残余应力标定具有普适性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
一种非等双轴残余应力的压入标定方法


[0001]本专利技术涉及材料残余应力测定
，尤其是一种非等双轴残余应力的压入标定方法。

技术介绍

[0002]现有技术中，残余应力测试方法包括机械方法和物理方法两大类。机械方法也称为破坏性检测方法，包含钻孔法、切割法、环芯法等，这类方法主要是利用破坏性的方式，诱发被测点的残余应力释放，通过电阻应变片等方式测量释放出的残余应变，从而实现残余应力的标定，这类检测方法相对简单、测量结果较为准确，但会对被测装备造成破坏，甚至直接导致装备报废。物理方法也称为无损检测方法，包含X射线法、磁性法、超声波法等，其测量原理包括利用晶体的X射线衍射现象、材料磁性随应力的变化规律和材料的超声效应。这些残余应力的无损检测方法不仅需要复杂而昂贵的检测仪器，而且检测精度不高，在实际应用中存在局限性。
[0003]2004年，Lee等在《Acta Materialia》第52期1555
‑
1563页发表了题为“Estimation of biaxial surface stress by instrumented indentation with sharp indenters”的论文，将表面残余应力分解为球张量和偏张量两部分，并指出只有延加载轴方向的残余应力偏张量分量才会对压入载荷造成影响，提出通过对比含残余应力与无残余应力试样的压入载荷
‑
压入位移曲线标定等双轴残余应力。
[0004]2012年，Sakharova等在《Strain》第48期75<br/>‑
87页发表题为“ASimple Method for Estimation ofResidual StressesbyDepth
‑
SensingIndentation”的论文，总结了归一化残余应力(σ
s
/σ0)与压入载荷相对变化((P
‑
P0)/P0)间的规律，提出了通过压入载荷
‑
压入位移曲线标定轴对称残余应力的方法。
[0005]2019年，Kim等在《Journal of Materials Research》第34期1103
‑
1111页发表题为“An indentation method for evaluation of residual stress：Estimation of stress
‑
free indentation curve using stress
‑
independent indentation parameters”的论文，研究了压入测试中与残余应力状态无关的压入参数，并提出了无需对比试样(例如无残余应力试样)的等双轴残余应力标定方法。
[0006]目前基于残余应力的压入标定方法主要针对等双轴残余应力，无法辨别非等双轴残余应力的大小与方向，缺乏实际工程应用价值。

技术实现思路

[0007]针对现有技术的不足，本专利技术提供一种非等双轴残余应力的压入标定方法，目的是克服现有残余应力压入确定方法只适用于等双轴残余应力或单轴残余应力场合的局限性，从而提高标定方法的适用范围。
[0008]本专利技术采用的技术方案如下：
[0009]一种非等双轴残余应力的压入标定方法，包括以下步骤：
[0029]式中，σ0为被测试材料的应力比例极限。
[0030]本专利技术的有益效果如下：
[0031]本专利技术标定方法的通用性强，以压痕接触面塑性区半径的椭圆度和压入载荷差为特征参量，实现非等双轴残余应力大小与方向的标定，适用于非等双轴残余应力、以及单轴残余应力和等双轴残余应力的标定，对增材制造、冷加工等原因导致的残余应力标定具有更强的普适性。本专利技术残余应力的标定误差小，具有较高的工程应用精度。
附图说明
[0032]图1为本专利技术实施例的非等双轴残余应力的压入标定流程图。
[0033]图2为本专利技术实施例的试样材料SA508应力
‑
应变曲线。
[0034]图3本专利技术实施例中残余应力状态与标准状态压入载荷
‑
压入位移曲线对比图。
[0035]图4本专利技术实施例中施加双轴应力的十字形板状压入试样示意图。
[0036]图5本专利技术实施例中试样表面的数字散斑分布图(压入测试前)。
[0037]图6本专利技术实施例中圆球形压头压入示意图。
[0038]图7本专利技术实施例中试样表面的数字散斑分布图(压入测试后)。
[0039]图8本专利技术实施例中试样表面的塑性应变分布图。
[0040]图6中：1、外部载荷；2、球形压头；3、试样材料。
具体实施方式
[0041]以下结合附图说明本专利技术的具体实施方式。
[0042]本申请的一种非等双轴残余应力的压入标定方法，可参考图1，包括以下步骤：
[0043]S1、确定被测材料的标准状态参数，包括被测试材料的单轴应力
‑
应变关系和被测试材料在无残余应力状态下的压入载荷
‑
压入位移曲线；
[0044]具体的，当被测试材料单轴应力
‑
应变关系未知，但无残余应力试样可以获得时，对无残余应力状态的被测试材料进行压入测试，获取无残余应力状态下的压入载荷
‑
压入位移曲线，通过Holloman强化材料的应力σ
eq
‑
应变ε
eq
关系单轴应力
‑
应变关系；当被测试材料单轴应力
‑
应变关系已知，但无残余应力试样无法获得时，通过有限元模拟或已知的Holloman强化材料参数与压入载荷
‑
压入位移间的关联公式推导无残余应力状态下的压入载荷
‑
压入位移曲线。Holloman强化材料的应力σ
eq
‑
应变ε
eq
关系如下式所示：
[0045][0046]式(1)中，E为被测试材料的杨氏模量，ε0为被测试材料的应变比例极限，n为被测试材料的加工硬化指数；
[0047]S2、基于压入塑性区偏移标定单轴残余应力系数T
s
，标定公式如下：
[0048][0049]式(2)中，ψ
R
为压入接触面的塑性变形区轮廓的椭圆度，ε0为被测试材料的应变比例极限，n为被测试材料的加工硬化指数；T
D
为等双轴残余应力系数；
[0050]f0(ε0，n)，f1(ε0，n)，f2(ε0，n)为关于ε0和n的拟合多项式，可分别通过下列表达式
确定：
[0051][0052]式中，k
jlm
(j＝0，1，2；l＝0，1，2；m＝0，1，2)为拟合系数；
[0053]具体的，采用硬质合金轴对称(如圆柱形、球形、圆锥形)压头在对被测试材料含有残余应力的光滑表面进行单调加载的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非等双轴残余应力的压入标定方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、确定被测材料的标准状态参数，包括被测试材料的单轴应力
‑
应变关系和被测试材料在无残余应力状态下的压入载荷
‑
压入位移曲线；S2、基于压入塑性区偏移标定单轴残余应力系数T
s
，标定公式如下：式中，ψ
R
为压入接触面的塑性变形区轮廓的椭圆度，ε0为被测试材料的应变比例极限，n为被测试材料的加工硬化指数；f0(ε0，n)，f1(ε0，n)，f2(ε0，n)为关于ε0和n的拟合多项式；T
D
为等双轴残余应力系数，计算时对其进行初始化；S3、基于压入载荷差标定等双轴残余应力系数T
D
，标定公式如下：式中，ΔP为压入载荷差，a
ijk
(i＝1，2；j＝0，1；k＝1，2)为拟合系数；S4、标定结果的收敛性判定：将S3中计算得到的双轴残余应力系数T
D
与S2中计算单轴残余应力系数T
s
时采用的双轴残余应力系数的初始值对比，若两者的相对误差小于允许值，则认为标定结果真实，否则将基于压入载荷差标定的等双轴残余应力系数T
D
用于步骤S2的单轴残余应力系数T
s
标定，重复步骤S2至S4直至满足收敛性判据。2.根据权利要求1所述的非等双轴残余应力的压入标定方法，其特征在于，步骤S1中，当被测试材料单轴应力
‑
应变关系未知，但无残余应力试样可以获得时，对无残余应力状态的被测试材料进行压入测试，获取无残余应力状态下的压入载荷
‑
压入位移曲线，通过Holloman强化材料的应力σ
eq
‑<...

【专利技术属性】
技术研发人员：张泰瑞，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：