CN109870258A - 一种平面任意残余应力的仪器化球形压入检测方法 - Google Patents

Abstract

一种平面任意残余应力的仪器化球形压入检测方法，包括以下步骤：第一步，采用仪器化压入技术或单轴拉伸试验获取材料力学参量屈服强度σ_y、屈服应变ε_y和幂硬化指数n；第二步，采用球形压头对有平面任意残余应力试样和无残余应力试样分别进行压入试验，压入深度固定为球形压头半径的0.01倍，分别获得在相对压入深度为0.01处，有平面任意残余应力试样和无残余应力试样对应的压入载荷F和F₀，并计算其相对变化值(F‑F₀)/F₀；第三步，计算有平面任意残余应力残余压痕的非对称λ，其椭圆形残余压痕长轴与短轴方向反应的是主应力方向；第四步，将屈服强度σ_y、屈服应变ε_y、幂硬化指数n、载荷相对变化量(F‑F₀)/F₀、残余压痕非对称性λ带入式(1)与式(2)即可计算与本发明高效实用，只需要一次压入测试即可检测出平面任意残余应力两个应力分量的大小和方向。

Description

一种平面任意残余应力的仪器化球形压入检测方法

技术领域

本发明涉及利一种残余应力的检测方法，尤其是用仪器化球形压入技术检测平面任意残余应力的方法。

背景技术

工程材料和结构受机械加工、温度变化等影响，不可避免产生残余应力，进而影响其力学性能。检测残余应力有助于预测材料寿命，为维护处理提供参考。与传统检测残余应力方法(如钻孔法和切割法等)相比，仪器化压入检测法具有微区、微损的特点，结合便携式压入仪，能够原位在线检测，具有广泛应用前景。

残余应力的仪器化压入检测方法按检测对象可分为两类：一类是针对等轴残余应力的检测方法，另一类针对平面任意残余应力的检测方法。其中，等轴残余应力是指残余应力两个应力分量的大小和方向相同，无需考虑主应力方向。由于实际工程中，材料和结构中残余应力两个应力分量的大小和方向都不相同，属于平面任意残余应力，因此等轴残余应力的检测方法在实际应用中受到限制。目前，针对平面任意残余应力的仪器化压入检测方法主要有两种：第一种是基于球形压入测试，采用残余压痕周边的堆起量(pile-up)作为分析参量来检测平面任意残余应力。该方法需要借助激光共聚焦显微镜等3D显微观测设备来测量残余压痕周边的堆起量。由于3D显微观测设备通常比较昂贵，导致该方法的成本较高。第二种是基于努氏压入测试，利用努氏压头对残余应力主应力方向的敏感性，通过进行互成45度角的4次压入测试，来检测材料中平面任意残余应力两个应力分量的大小和方向。该方法的不足是需要进行4次压入测试才能检测出平面任意残余应力，导致操作不便，效率较低。

发明内容

为克服现有残余应力仪器化压入检测方法在实际工程中应用受限、成本较高、操作不便、效率较低等不足，本发明提出一种针对平面任意残余应力的仪器化球形压入检测方法，本方法高效实用，只需要一次压入测试即可检测出平面任意残余应力两个应力分量的大小和方向。

为了解决上述技术问题，本发明提出以下技术方案：

一种平面任意残余应力的仪器化球形压入检测方法，所述检测方法包括以下步骤：

第一步，采用仪器化压入技术或单轴拉伸试验获取材料力学参量：屈服强度σ_y、屈服应变ε_y和幂硬化指数n；若材料上述参量已知，则可忽略本步骤；

第二步，采用球形压头对有平面任意残余应力试样和无残余应力试样分别进行压入试验，压入深度固定为球形压头半径的0.01倍(即相对压入深度等于0.01)；分别获得在相对压入深度为0.01处，有平面任意残余应力试样和无残余应力试样对应的压入载荷F和F₀，并计算其相对变化值(F-F₀)/F₀；

第三步，采用普通光学显微镜或放大镜测量有平面任意残余应力试样表面的椭圆形残余压痕的长轴直径和短轴直径，计算残余压痕的非对称性λ，其定义为λ＝(a-b)/b，其中，a为椭圆形残余压痕的长轴，b为椭圆形残余压痕的短轴；此外，由椭圆形残余压痕长轴与短轴方向可确定平面任意残余应力两个应力分量与在试样中的分布方向，其中长轴方向指示了最大主应力的方向；

第四步，将测量得到的有平面任意残余应力压入载荷F、无残余应力压入载荷F₀与椭圆形压痕非对称性λ带入式(1)与式(2)即计算出平面任意残余应力两个应力分量的大小与

式(1)和式(2)中，与的正值表示残余拉应力，负值表示残余压应力。

本发明的技术构思为：经过实验研究和数值模拟发现，当压入深度为特定深度(即等于球形压头半径的0.01倍)时，对材料进行仪器化球形压入测试后，若材料中无残余应力，材料表面的残余压痕为圆形；若材料中有平面任意残余应力，材料表面的残余压痕则为椭圆形。残余压痕的非对称性λ可以反映平面任意残余应力两个应力分量的大小和方向。

本发明的有益效果表现在：通过单次仪器化球形压入测试即可检测出材料中平面任意残余应力两个应力分量的方向与大小，无需进行多次压入测试；只需测量椭圆形残余压痕的非对称性，无需测量残余压痕的3D形貌。与现有方法相比，具有操作便捷、检测高效、应用广泛、成本低廉的优点。

附图说明

图1是无残余应力试样和有平面任意残余应力试样的残余压痕示意图。其中，与是残余应力主应力，a与b分别是椭圆形残余压痕长轴直径与短轴直径。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参照图1，一种平面任意残余应力的仪器化球形压入检测方法，选取3种典型金属(Al 2024、Al 7075和Ti Grade 5)作为仿真材料，采用有限元仿真方式验证所述平面任意残余应力检测方法。

第一步，已知材料屈服强度σ_y、屈服应变ε_y和幂硬化指数n，因此，无需采用其他测试手段进行获取。具体参数如表1所示：

表1

第二步，在商用有限元软件ABAQUS中模拟仪器化球形压入有平面任意残余应力和无残余应力的Al 2024、Al 7075和Ti Grade 5三种材料，分别获取相对压入深度为0.01时载荷相对变化量(F-F₀)/F₀，其结果参见表2。其中，将模拟时输入的平面任意残余应力的两个主应力分量与作为残余应力的约定真值，三种材料输入平面任意残余应力具体数值参见表2。

第三，测量有平面任意残余应力试样椭圆形残余压痕的长轴直径和短轴直径，计算残余压痕的非对称性λ，其结果参见表2。此外，由椭圆形残余压痕长轴与短轴方向可确定平面任意残余应力两个应力分量与在试样中的分布方向，其中长轴方向指示了最大主应力的方向。

第四，将已知的屈服强度σ_y、屈服应变ε_y、幂硬化指数n和测量得到的载荷相对变化量(F-F₀)/F₀、压痕非对称性λ带入式(1)与式(2)即可计算出平面任意残余应力两个应力分量的大小与最终计算结果参见表2。从计算结果可以看出，残余应力的检测误差普遍小于±30MPa，最大误差也不超过±56MPa 证实本发明能够较为准确计算出平面任意残余应力。

表2。

Claims (1)

1.一种平面任意残余应力的仪器化球形压入检测方法，其特征在于，所述检测方法包括以下步骤：

第一步，采用仪器化压入技术或单轴拉伸试验获取材料力学参量：屈服强度σ_y、屈服应变ε_y和幂硬化指数n；

第二步，采用球形压头对有平面任意残余应力试样和无残余应力试样分别进行压入试验，压入深度固定为球形压头半径的0.01倍，即相对压入深度等于0.01；分别获得在相对压入深度为0.01处，有平面任意残余应力试样和无残余应力试样对应的压入载荷F和F₀，并计算其相对变化值(F-F₀)/F₀；

第三步，采用普通光学显微镜或放大镜测量有平面任意残余应力试样表面的椭圆形残余压痕的长轴直径和短轴直径，计算残余压痕的非对称性λ，此外，由椭圆形残余压痕长轴与短轴方向可确定平面任意残余应力两个应力分量与在试样中的分布方向，其中长轴方向指示了最大主应力的方向；

第四步，将测量得到的有平面任意残余应力压入载荷F、无残余应力压入载荷F₀与椭圆形压痕非对称性λ带入式(1)与式(2)即计算出平面任意残余应力两个应力分量的大小与

式(1)和式(2)中，与的正值表示残余拉应力，负值表示残余压应力。