一种无需参考试样检测任意残余应力的仪器化球压入方法技术

一种无需参考试样检测任意残余应力的仪器化球压入方法，包括以下步骤：1)建立球形压入试样的三维有限元模型，建立分析参量与残余应力分量σ

【技术实现步骤摘要】
一种无需参考试样检测任意残余应力的仪器化球压入方法


[0001]本专利技术涉及金属表面残余应力的检测方法，尤其涉及一种无需参考试样检测金属表面任意残余应力的仪器化球形压入方法。

技术介绍

[0002]工程材料或构件在加工中，由于不均匀塑性变形或不均匀温度场等原因，会在其内部引入不同程度的残余应力。残余应力的存在会影响材料或构件的服役寿命，需对残余应力进行检测。与传统检测方法相比，仪器化压入检测方法凭借微区、微损和测试材料广泛的特点，迅速发展起来。该类检测方法可应用于便携式微米压入仪，实现对油气管道等服役结构的原位检测，具有良好的应用前景。
[0003]残余应力压入检测法根据是否需要参考试样可分为两类：比较分析法和直接分析法。比较分析法需要无残余应力的试样作为参考，实际应用中受到一定限制；直接分析法可直接检测试样或构件中的残余应力，不需要参考试样。残余应力压入检测法按研究对象可分为：等轴残余应力检测法和任意残余应力检测法。任意平面残余应力可等效为两个正交的主应力分量当两个主应力大小和拉/压状态相等时，称为等轴残余应力；否则称为非等轴残余应力。通常定义为最大主应力，两个主应力分量可进一步分解为等轴残余应力部分σ
R
与剪切残余应力部分τ
R
，即：
[0004][0005]实际工程中，焊接或热喷涂等原因通常导致材料中存在非等轴残余应力。目前，已有的直接分析法主要针对等轴残余应力，不便于实际应用。而针对非等轴残余应力的直接分析法，利用努氏压头对主应力方向敏感的特点，需对材料进行多次压入，操作不便，效率较低。

技术实现思路

[0006]为克服已有的仪器化压入检测法受参考试样限制、操作不便等不足，本申请提出一种无需参考试样检测金属表面任意残余应力的仪器化球形压入方法，该方法仅需一次压入测试，便可在无参考试样下同时检测出残余应力两个主应力分量的大小。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种无需参考试样检测任意残余应力的仪器化球压入方法，包括以下步骤：
[0008]1)建立球形压入试样的三维有限元模型，固定相对压入深度h/R＝0.01，R为球形压头半径，h为压入深度，获得载荷深度(F
‑
h)曲线；选取归一化卸载功的相对变化量M和残余压痕椭圆率的对数lnη作为分析参量，借助量纲分析和数值模拟，建立分析参量与残余应力分量σ
R
,τ
R
之间的关系式；
[0009]其中，M的计算公式如下：
[0010]M＝(W
u
/Eh3‑
W
u0
/Eh3)/W
u0
/Eh3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0011]上式中，W
u0
/Eh3为无残余应力下归一化卸载功，W
u
/Eh3为含残余应力下归一化卸载功；此外，η由(dⅠ‑
dⅡ)/(dⅠ+dⅡ)计算得到，dⅠ为椭圆形压痕的长轴直径，dⅡ为椭圆形压痕的短轴直径；
[0012]分析参量与残余应力分量σ
R
,τ
R
之间的关系式如下：
[0013][0014][0015]上式中，σ
y
为屈服强度，ε
y
为屈服应变，n为硬化指数；
[0016]2)通过数值模拟建立无残余应力下归一化卸载功与材料参数之间的关系，即
[0017][0018]将已知材料力学参数代入式(5)，得到无残余应力下归一化卸载功W
u0
/Eh3；
[0019]3)采用球形压头对含任意残余应力试样进行压入试验，将球形压头压入到相对压入深度h/R＝0.01，得到含残余应力试样的归一化卸载功W
u
/Eh3，计算归一化卸载功相对变化量M；
[0020]4)采用光学显微镜测量含残余应力试样表面的椭圆形压痕的长轴与短轴，计算残余压痕的椭圆率η；
[0021]5)将通过仪器化压入试验获得的参量M和lnη代入式(3)和式(4)，计算被测材料的残余应力分量σ
R
和τ
R
。
[0022]本专利技术中，以数值模拟的方法构建无残余应力材料卸载功与弹塑性之间的关系，从而避免对参考试样的需求。
[0023]本专利技术的有益效果是：不需要对参考试样(即无残余应力试样)进行压入试验，提高了效率与工程适用性；同时，只需一次压入便可得到任意残余应力的两个主应力的大小。
附图说明
[0024]图1是为无残余应力时，归一化卸载功与屈服应变和硬化指数的关系图。
具体实施方式
[0025]下面将结合附图对本专利技术专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的
实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0026]在本专利技术的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0027]在本专利技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本专利技术中的具体含义。
[0028]下面参照图1，对本专利技术做进一步描述。
[0029]选取3种典型金属(AA7075、AA2014和TC4)作为有限元仿真材料，用于验证所述残余应力检测方法。
[0030]第一步，借助数值模拟，建立无残余应力球形压入模型，构建归一化卸载功与ε
y
,n之间的关系，如图1。将材料力学参数代入式(5)中，获得无残余应力试样在相对压入深度h/R＝0.01处的归一化卸载功W
u0
/Eh3。
[0031]第三步，在有限元软件中模拟球形压入含有任意平面残余应力的AA7075、AA2014、TC4三种材料，分别获得相对压入深度h/R＝0.01处的归一化卸载功W
u
/Eh3，计算归一化卸载功的相对变化量M，参见表1。对试样施加两个主应力分量来等效任意残余应力，将两个主应力分量作为约定真值，具体数值参见表1。
[0032]第四步，测量试样表面椭圆形压痕的长轴与短轴直径，计算椭圆率的对数lnη，计算结果参见表1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无需参考试样检测任意残余应力的仪器化球压入方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立球形压入试样的三维有限元模型，固定相对压入深度为hR＝0.01，R为球形压头半径，h为压入深度，获得载荷深度(F
‑
h)曲线；选取归一化卸载功的相对变化量M和残余压痕椭圆率的对数lnη作为分析参量，借助量纲分析和数值模拟，建立分析参量与残余应力分量σ
R
,τ
R
之间的关系式；其中，M的计算公式如下：M＝(W
u
/Eh3‑
W
u0
/Eh3)W
u0
/Eh3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)上式中，W
u0
/Eh3为无残余应力下归一化卸载功，W
u
/Eh3为含残余应力下归一化卸载功；此外，η由(dⅠ‑
dⅡ)(dⅠ+dⅡ)计算得到，dⅠ为椭圆形压痕的长轴直径，...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭光健，张亮，李赛飞，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：