CN104198313A - 一种基于仪器化压入技术的残余应力检测方法 - Google Patents

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彭光健
逯智科
张泰华
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Abstract

一种基于仪器化压入技术的残余应力检测方法,包括以下步骤:1)通过单轴拉伸或压入试验预先获得被测材料的力学参数;2)采用压头对有残余应力试样和无残余应力试样分别进行压入试验,获取压入载荷-深度(F-h)曲线,无残余应力试样作为参考样品,其材料与有残余应力试样的材料相同;3)利用F=Ch2,分别拟合有残余应力和无残余应力试样的压入载荷-深度(F-h)曲线的加载段,获得有残余应力试样的加载曲率C和无残余应力试样的加载曲率C0;4)选取相对加载曲率(C-C0)/C0作为分析参量,通过量纲分析和数值模拟,建立分析参量与残余应力之间关系式;5)将获得的参量C、C0和材料力学参数代入关系式,计算得到被测材料的残余应力。本发明准确性较高、可靠性良好。

Description

一种基于仪器化压入技术的残余应力检测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种残余应力的检测方法,尤其是一种基于仪器化压入技术检测材料表面残余应力的方法
背景技术
[0002] 工程材料中,残余应力的存在会改变其服役应力环境,造成意外失效,因此,残余应力的检测成为当前工程应用领域备受关注的力学问题。检测残余应力的传统方法大致可分为两类:机械检测法和物理检测法。机械检测法采用机械方式局部分割试件以释放残余应力,通过测定分割前后的变形,基于弹性力学理论确定残余应力。该类方法具有破坏性,其在工业应用中受到限制。物理检测法基于材料的物理指标受应力影响而变化的特性,通过测量材料物理参数的变化确定残余应力。该类方法通常无需分割试件,即可确定残余应力,属无损测试;其中以X射线衍射法应用最广,但主要适用于晶体材料。与上述两类方法相比,仪器化压入检测法是一种微尺度(约几十纳米至几十微米)的材料表面残余应力检测方法,适用于微小试样和微损检测,结合便携式压入仪可实现在线原位检测,具有较好的应用前景。
[0003]目前的仪器化压入检测法,根据压头的几何形状(圆锥、棱锥和球形),可以分为两类:锥形压入法和球形压入法。锥形压入法因分析表达式过多,需通过迭代求解才能确定材料参数和残余应力,导致求解结果的不收敛或求得的残余应力误差较大。球形压入法主要依赖于经验观察,缺乏机理性研究,尚不便实际应用。
发明内容
[0004] 为了克服已有仪器化压入残余应力检测方法的准确性较低、可靠性较差的不足,本发明提供一种准确性较高、可靠性良好的基于仪器化压入技术的残余应力检测方法。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0006] 一种基于仪器化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:
[0007] I)通过单轴拉伸或压入试验预先获得被测材料的力学参数:弹性模量E、屈服强度Qy、屈服应变ey和幂硬化指数η;
[0008] 2)采用压头对有残余应力试样和无残余应力试样分别进行压入试验,获取压入载荷-深度(F-h)曲线,其中,无残余应力试样作为参考样品,其材料与有残余应力试样的材料相同;
[0009] 3)利用F = Ch2,分别拟合有残余应力和无残余应力试样的压入载荷-深度(F-h)曲线的加载段,获得有残余应力试样的加载曲率C和无残余应力试样的加载曲率Cci ;
[0010] 4)选取相对加载曲率(C-Ctl)/Ctl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σ κ之间关系式:
Figure CN104198313AD00041
[0012] 5)将上述获得的参量CXtl和材料力学参数代入式(I),计算得到被测材料的残余应力ο R。
[0013] 进一步,所述步骤2)中,采用维氏压头或玻氏压头。
[0014] 本发明中,仪器化压入是指采用仪器化压入仪,将硬质(通常为金刚石)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。
[0015] 锥形压入是指选用圆锥或者棱锥压头进行的仪器化压入测试。对弹塑性材料进行仪器化锥形压入测试,其加载段的载荷-深度曲线满足Kick规律,即F = Ch2,如图1所示。其中,C即称为加载曲率。
[0016] 本发明的有益效果主要表现在:准确性较高、可靠性良好。
附图说明
[0017] 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;
[0018] 图2为ABAQUS有限元计算模型;
[0019] 图3为ABAQUS有限元模拟结果;
[0020] 图4为f ( ε y,n)与材料参数之间的关系;
[0021] 图5为4种典型金属在不同预加应力(名义残余应力)下的仪器化压入实验曲线。其中,(a)为Al 2024在5种应力状态下的的压入加载曲线;(b)为Al 7075在5种应力状态下的压入加载曲线;(c)为Copper C11000在5种应力状态下的压入加载曲线;(d)为TiGrade5在5种应力状态下的压入加载曲线。
具体实施方式
[0022] 下面结合附图对本发明作进一步描述。
[0023] 参照图1~图5,一种基于仪器化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:
[0024] I)通过单轴拉伸或压入试验预先获得被测材料的力学参数:弹性模量E、屈服强度Qy、屈服应变ey和幂硬化指数η;
[0025] 2)采用压头对有残余应力试样和无残余应力试样分别进行压入试验,获取压入载荷-深度(F-h)曲线,其中,无残余应力试样作为参考样品,其材料与有残余应力试样的材料相同;
[0026] 3)利用F = Ch2,分别拟合有残余应力和无残余应力试样的压入载荷-深度(F-h)曲线的加载段,获得有残余应力试样的加载曲率C和无残余应力试样的加载曲率Cci ;
[0027] 4)选取相对加载曲率(C-Ctl)/Ctl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σ κ之间关系式:
Figure CN104198313AD00051
[0029] 5)将上述获得的参量CXtl和材料力学参数代入式(I),计算得到被测材料的残余应力ο R。
[0030] 进一步,所述步骤2)中,采用维氏压头或玻氏压头。
[0031] 本实施例中,对有残余应力和无残余应力试样进行锥形压入测试,残余压应力引起压入载荷-深度(F-h)曲线升高(即加载曲率增大),而残余拉应力引起压入载荷-深度(F-h)曲线降低(即加载曲率减小),如图1所示。只要材料为弹塑性材料,无论试样有无残余应力,其加载段的载荷-深度曲线均满足Kick规律,即F = Ch2。
[0032] 选取能够表征残余应力的可测参量作为分析参量:分析参量的选取应该遵循以下原则:(I)易于精确直接测量;(2)不随压入深度变化;(3)对残余应力敏感,以提高分析方法的准确性。根据上述原则,本发明选取相对加载曲率(C-CciVCdt为分析参量。
[0033] 建立该分析参量(C-Ctl) /C0与残余应力σ κ之间关系式:
[0034] 假设压头为刚性压头,锥形压入有残余应力试样,压入载荷F是以下参量的函数:材料参量(弹性模量Ε、泊松比V、屈服强度Oy、幂硬化指数η),压头几何参量(等效半锥角α)、压入深度h和残余应力σκ,即
[0035] F = f(E, v, oy,n, a,h, σΕ) (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
Figure CN104198313AD00052
[0039] 同理,锥形压入无残余应力试样,压入载荷F可表示为
Figure CN104198313AD00053
[0041] 整理得
[0042]
Figure CN104198313AD00061
[0043] 联立式(5)和式(7),可得
Figure CN104198313AD00062
[0045] 本发明选用等效半锥角为70.3°的锥形压头(如Berkovich压头和Vickers压头)。由于等效半锥角α为定量,ey = E/0y,加之实验结果表明泊松比V对压入结果的影响可忽略,因此式(8)可简化为
[0046]
Figure CN104198313AD00063
[0047] 利用数值模拟进结果,确定式(9)的具体函数形式。本发明采用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锥形压入测试。由于锥形压入是轴对称性问题,采用轴对称模型进行计算,其中锥形压头的半锥角取70.3° (等效于Berkovich压头或Vickers压头)。根据常见金属的力学参数,弹性模量固定取值lOOGPa,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ε y)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:σ 7σ y = -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,oy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«7。1与相对加载曲率(C-CciVCtl呈线性关系,式(9)可进一步简化为
[0048]
Figure CN104198313AD00064
[0049] Π ( ε y, η)与材料参数的关系,参见图3。对于残余压应力,
Figure CN104198313AD00065
[0051] 对于残余拉应力,
Figure CN104198313AD00066
[0053] 因此,残余应力与分析参量之间的关系式为
Figure CN104198313AD00071
[0055] 检测残余应力的过程如下:
[0056] 第一步,选用与被检测试样相同材料的无残余应力试样作为参数样品,通过单轴拉伸或压入试验预先获得被检测材料的弹性模量E、屈服强度σ y和幂硬化指数η。
[0057] 第二步,采用Berkovich压头或Vickers压头,对有残余应力试样和无残余应力试样分别进行压入试验,获取压入载荷-深度(F-h)曲线。
[0058] 第三步,根据Kick规律,用F = Ch2拟合加载段的压入载荷-深度(F-h)曲线,获得有残余应力试样的加载曲率C和无残余应力试样的加载曲率C。。
[0059] 第四步,将oy、S(即oy/E)、n、C和C。代入式(I),计算出残余应力σ κ。
[0060]实例:选取 4 种典型金属(Al 2024,Al 7075, Copper C11000 和 Ti Grade5)作为实验材料,用于验证所述残余应变检测方法的可靠性。
[0061] 第一步,通过材料试验机MTS810对所述4种金属材料进行单轴拉伸试验,测得弹性模量E、屈服强度Oy、屈服应变ε y和幂硬化指数n,参见表1。
[0062]
Figure CN104198313AD00072
[0063]表1
[0064] 第二步,由于所述4种金属材料均无残余应力,通过对无残余应力试样施加预应力来等效残余应力,所施加的预应力值即为名义残余应力。每种材料准备5个试样,其中2个预加压应力、2个预加拉应力、I个不预加应力(作为参考试样),预加应力(即名义残余应力)大小参见表2。在Zwick仪器化压入仪ZHU2.5/Z2.5上,选用Vickers压头,对每个试样进行压入测试,得到所述4种金属材料在不同残余应力下的压入载荷-深度(F-h)曲线。
[0065] 第三步,根据Kick规律,用F = Ch2分别拟合不同残余应力下的加载段载荷-深度曲线(参见图5),获得不同残余应力试样的加载曲率C和无残余应力试样的加载曲率C。,参见表2。
[0066]
Figure CN104198313AD00081
[0068]表 2
[0069] 第四步,针对每种材料,分别将上述测得的oy、ey、n、C和Ctl代入式(I),计算出残余应力σκ,参见表2。将残余应力计算值与名义残余应力比较,最大相对误差控制在30%以内(现有方法的检测相对误差在50%左右)。

Claims (2)

1.一种基于仪器化压入技术的残余应力检测方法,其特征在于:所述检测方法包括以下步骤: 1)通过单轴拉伸或压入试验预先获得被测材料的力学参数:弹性模量E、屈服强度 、屈服应变ey和幂硬化指数η; 2)采用压头对有残余应力试样和无残余应力试样分别进行压入试验,获取压入载荷-深度(F_h)曲线,其中,无残余应力试样作为参考样品,其材料与有残余应力试样的材料相同; 3)利用F = Ch2,分别拟合有残余应力和无残余应力试样的压入载荷-深度(F-h)曲线的加载段,获得有残余应力试样的加载曲率C和无残余应力试样的加载曲率C。; 4)选取相对加载曲率(C-Ctl)/Ctl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σκ之间关系式:
Figure CN104198313AC00021
5)将上述获得的参量CXtl和材料力学参数代入式(I),计算得到被测材料的残余应力Oe0
2.如权利要求1所述的基于仪器化压入技术的残余应力检测方法,其特征在于:所述步骤2)中,采用维氏压头或玻氏压头。
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