CN110530718B - 一种基于白光干涉测量表面形貌的双轴残余应力引入装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于白光干涉测量表面形貌的双轴残余应力引入装置，包括：上夹具和下夹具，所述上夹具和下夹具均为十字形结构，所述上夹具与下夹具为可拆卸连接，所述下夹具的表面中间开设有十字形凹槽，所述十字形凹槽内对称分布有多个试件定位柱，多个所述试件定位柱的顶端放置有试件，所述试件定位柱的顶端表面与试件的底端表面相接触；本发明提供的残余应力引入装置可以施加任意二向的拉应力和压应力，操作简单，残余应力施加数值大小可人为控制，且施加残余应力不必对试件造成破坏。利用该装置施加残余应力并进行压痕压入后，可在保持残余应力不卸载的前提下利用白光干涉仪器进行表面形貌观察。
Description
技术领域
本发明属于实验力学测试装置技术领域，具体涉及一种基于白光干涉测量表面形貌的双轴残余应力引入装置。
背景技术
陶瓷、金属和玻璃等材料在制造、焊接/连接和烧结过程中，都会由于热失配或机械/热加工而不同程度的引入残余应力。例如，金属焊接时所产生的热量可能会导致金属局部膨胀，当焊件冷却后，焊件中的这些区域会比其他区域冷却和收缩得更厉害，并因此而产生残余应力。残余应力的存在会影响着材料构件的尺寸稳定性，且其对结构的安全性和工程构件的使用寿命有着重要影响。此外，残余应力的存在具有难以预测性，因此，对残余应力进行精确测量以避免灾害的发生具有重大意义。
传统的残余应力的测试方法通常可以分为两种，即机械测试方法和物理测试方法。机械测试方法，包括钻孔法、环芯法和切槽法，该方法通常是在没有参考样品的情况下定量测量残余应力。然而，这些方法的破坏性限制了这些技术在工业上的广泛应用。而物理测试方法，包括超声法、拉曼光谱法、X射线衍射法、中子衍射法等，可以间接、无损地测量残余应力，上述方法部分已经应用于工业领域。然而，物理测试方法最大的问题是很难将材料内在微观结构的影响与残余应力的影响分开，因此，这些方法需要制备无应力参考样品进行比较。
申请号为201410377258.3的中国专利申请的说明书中公开了一种通过压痕压入与显微镜相结合，根据隆起量分布图直接得到残余应力大小和方向的方法，但该方法基于有限元模拟，未能考虑到实际操作中下显微镜操作平台较小，并非所有的试件都可以放在显微镜的操作平台上进行观察，因此需要设计一种能适用于大多数显微镜操作平台的加载装置。
申请号为201110322078.1的中国专利申请的说明书中公开了一种等双轴残余应力施加装置，但该装置不能引入任意二向应力状态的双轴残余应力。而对于隆起形貌与残余应力之间联系的研究更多的专注点是在非等双轴的残余应力上。因此，需要研发一种能够可控的施加双轴残余应力且不会对试件造成损伤的残余应力引入装置。
发明内容
为了克服在白光干涉仪器上操作空间狭小且实验过程中通常需要进行多组不同情况的双轴残余应力测试等问题，本发明提出了一种基于白光干涉测量表面形貌的双轴残余应力引入装置，可以可控地施加任意双轴残余应力，且可在压痕压入卸载后，保持残余应力不卸载的前提下利用白光干涉仪器进行原位表面形貌观察，克服了白光干涉仪器操作空间狭小，不能放置较大观测对象的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于白光干涉测量表面形貌的双轴残余应力引入装置，包括：上夹具和下夹具，所述上夹具和下夹具均为十字形结构，所述上夹具与下夹具为可拆卸连接，所述下夹具的表面中间开设有十字形凹槽，所述十字形凹槽内对称分布有多个试件定位柱，多个所述试件定位柱的顶端放置有试件，所述试件定位柱的顶端表面与试件的底端表面相接触；
所述试件通过贯穿上夹具的试件固定螺栓进行定位，所述试件固定螺栓的底端表面与试件的顶端表面相接触，所述试件通过贯穿上夹具的残余应力施加螺栓进行应力施加，所述残余应力施加螺栓的底端表面与试件的顶端表面相接触，所述上夹具的顶端中间设有显微镜观测窗，所述试件的顶端活动连接有应变片。
所述十字形凹槽中心开设有螺纹孔，所述螺纹孔的中间螺纹连接有加载接触平台。
所述上夹具的四个方向从内到外依次开设有试件固定螺孔，残余应力施加螺孔，所述试件固定螺孔的孔径为4mm，所述残余应力施加螺孔的孔径为10mm。
所述试件定位柱的圆心位于试件固定螺栓圆心的正下方，所述十字形凹槽中间的螺纹孔的圆心位于显微镜观测窗圆心的正下方。
所述上夹具与下夹具的四个方向靠近边缘处均开设有夹具固定螺孔，且所述夹具固定螺孔的内侧可拆卸连接有夹具固定螺栓，所述上夹具和下夹具通过夹具固定螺栓连接固定。
所述显微镜观测窗的孔径为32mm。
所述加载接触平台为螺纹杆，且所述螺纹杆与所述十字形凹槽中间的螺纹孔相匹配。
所述下夹具距离中心25mm处焊接四根直径4mm的试件定位柱，柱高9mm，柱顶平台面低于夹具表面1mm，所述试件定位柱用于定位试件。
所述加载接触平台为直径20mm，高14mm螺纹柱，所述加载接触平台组装完毕后上端与试件底部相接触，下部不超过下夹具底面，所述加载接触平台上端位置可根据试件形状适当进行调整，以与试件底部接触为宜。所述加载接触平台用于试件底部承台，保证压痕加载时，试件不产生弯曲。
所述试件为定制十字形试件，厚3mm，于底部距离中心点25mm处开直径4mm，深度1mm的圆形孔，所述圆形孔用于与试件定位柱相连接。
所述应变片粘贴于试件表面，距离压痕压入点3mm，所述应变片用于监测试件应变，进而控制残余应力施加。
所述螺纹孔、螺纹柱其规格(包括螺距，牙高等)均采用《普通螺纹基本尺寸》(GB/T196-2003)相关规定所制作。
依照上述技术方案，本发明所提供的双轴残余应力引入装置在使用时，首先将试件下部圆孔与下夹具的试件定位柱对应上，使得试件平稳的放置在下夹具上，通过夹具固定螺栓将上下夹具连接起来，再通过上夹具上的试件固定螺栓将试件固定住不产生移动。将加载接触平台从下夹具中心螺纹孔缓缓旋上直至与试件相接触，而后根据预设残余应力状态，拧紧残余应力施加螺栓。通过控制残余应力施加螺栓旋紧力的大小，结合应变片读数，可以控制施加不同数值的双轴拉应力或压应力。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：
本发明所提供的双轴残余应力引入装置操作简单，所施加应力数值大小及拉压状态可控，为后续理论推导提供了必要的条件。此外，与传统残余应力施加装置相比较，本装置可以施加任意二向应力状态的残余应力，包括单轴残余应力、等双轴残余应力以及非双轴残余应力，使得研究环境可以与实际工况更好的结合，且不必对试件产生破坏。本发明在完成残余应力施加后，可直接对其进行压痕实验，完成压痕实验后，可在保持不卸载残余应力的前提下，直接利用白光干涉仪器对其表面形貌进行观察，基于夹具独特的十字形构造形状，可以使得双镜头的白光干涉仪器其中一个镜头通过显微镜观测窗深入夹具贴近试件观测形貌时，另一个镜头不会撞击夹具，基于此，对于其他双镜头显微镜，可以适当微调本装置尺寸以适应显微镜镜头，使其不会撞击本装置造成镜头损坏。
附图说明
图1为本发明实施例提供的双轴残余应力施加装置的三维示意图；
图2为本发明实施例提供的双轴残余应力施加装置剖面示意图；
图3为本发明模拟等双轴残余应力加载方式所得应力云图；
图4为本发明模拟非等双轴残余应力加载方式所得应力云图。
其中，1-加载接触平台；2-上夹具；3-下夹具；4-夹具固定螺栓；5-残余应力施加螺栓；6-试件固定螺栓；7-试件定位柱；8-试件；9-应变片；10-显微镜观测窗。
具体实施方式
现结合附图对本发明具体结构和实施方式作进一步说明。应当理解，此处所描述具体实施例仅用于解释本发明，是本发明实施例其中之一，并不能代表全部实施例。
参阅图1-图4，图1为本发明实施例提供的双轴残余应力施加装置的三维示意图，图2为本发明实施例提供的双轴残余应力施加装置剖面示意图，图3为本发明模拟等双轴残余应力加载方式所得应力云图，图4为本发明模拟非等双轴残余应力加载方式所得应力云图。
本发明实施例提供的基于白光干涉测量表面形貌的双轴残余应力引入装置，包括上夹具2和下夹具3，其中上夹具2和下夹具3在边缘处具有同轴布置的四个孔径均为10mm的贯穿螺纹孔，上夹具2和下夹具3通过螺纹孔利用夹具固定螺栓4相连接，所述上夹具2和下夹具3用于放置试件，加载接触平台1为螺纹杆，可与十字形凹槽的中间开设的螺纹孔匹配使用，通过旋转加载接触平台1可抵住试件8的底端，起到支撑作用。
本发明实施例提供的基于白光干涉测量表面形貌的双轴残余应力引入装置，使用时，将试件8下部圆孔与下夹具3上的四个试件定位柱7对应上，使得试件平稳的放置在下夹具3上。通过夹具固定螺栓4将上夹具2和下夹具3连接成一个整体，再通过上夹具2上的试件固定螺栓6将试件8固定住使之不产生移动。
固定住试件8后，将加载接触平台1从下夹具3中心螺纹孔缓缓旋上直至与试件8相接触，而后根据预设残余应力状态，拧紧残余应力施加螺栓5。本发明通过控制残余应力施加螺栓5旋紧力的大小，结合应变片读数，可以控制施加不同数值的双轴拉应力或压应力。本发明所提供的双轴残余应力引入装置操作简单，所施加应力数值大小及拉压状态可控，为后续理论推导提供了必要的条件。此外，与传统残余应力施加装置相比较，本装置可以施加任意二向应力状态的残余应力，包括单轴残余应力、等双轴残余应力以及非双轴残余应力，使得研究环境可以与实际工况更好的结合，且不必对试件产生破坏。本发明在完成残余应力施加后，可直接对其进行压痕实验，完成压痕实验后，可在保持不卸载残余应力的前提下，直接利用白光干涉仪器对其表面形貌进行观察，基于夹具独特的十字形构造形状，可以使得双镜头的白光干涉仪器其中一个镜头通过显微镜观测窗深入夹具贴近试件观测形貌时，另一个镜头不会撞击夹具，基于此，对于其他双镜头显微镜，可以适当微调本装置尺寸以适应显微镜镜头，使其不会撞击本装置造成镜头损坏。
在本实施例中，通过在上夹具2拧紧残余应力施加螺栓5，可以在试件8上侧区域形成拉应力，而在试件8下侧区域形成压应力。与之相对应的，若在下夹具3拧紧残余应力施加螺栓5，则可以在试件8上侧区域形成压应力，而在试件8下侧区域形成拉应力。
在试件表面粘贴电阻应变，根据材料力学知识，物体的本构方程可以表达为：
σ＝Eε
式中，E为材料弹性模量，σ为材料应力，ε为材料应变。基于此，已知材料弹性模量的前提下，通过控制应变的数值，则可以在试件8中产生相对应的应力。
在本实施例中，通过控制残余应力施加螺栓5旋紧力的大小，结合电阻应变仪读数，则可以在试件8中形成所预设的残余应力。待施加的残余应力值稳定后，将本装置整体置于压痕设备平台上，通过显微镜观测窗10对试件8进行压痕压入实验。
完成压痕压入实验，可将本装置整体转移至白光干涉仪器测量平台上，观察双镜头位置，调整夹具位置，使得主测试镜头深入夹具贴近试件8表面进行形貌观测时，副镜头可以同步下降而避开夹具，落于十字形夹具空位处，使其不会撞击夹具造成镜头损坏。测试完所需数据后，更换试件重新加载新一组残余应力，重复上述过程，进行不同双轴残余应力状态下的测试。
实施例：
对于2024铝合金材料，分别施加等双轴残余应力(50MPa)和非等双轴残余应力(100MPa、50MPa)。
首先，制备材质为2024铝合金材料的十字形试件，将试件中心区域用1000#砂纸仔细打磨，保证试件待观测区域光滑平整，粗糙度小。而后，在试件两个方向靠近压入点中心点5mm处分别粘贴电阻应变片。待应变片粘贴完成后，将试件置于下夹具的试件定位柱上，通过夹具固定螺栓将上夹具和下夹具连接成一个整体，再通过上夹具上的试件固定螺栓将试件固定住使之不产生移动。
固定住试件后，将加载接触平台从下夹具中心螺纹孔缓缓旋上直至与试件相接触，而后将两块电阻应变片与应变仪连接，调试完成后备用。
首先，需要对试件施加50MPa的等双轴残余应力，根据标准拉伸实验测得用于实验的2024铝合金材料的弹性模量为71Gpa，泊松比为0.3，根据本构方程可推导，在试件表面形成50MPa的残余应力所对应的应变数值为704με，将应变仪开机，调整四个应力施加螺栓的拧紧程度，使得两块应变片读数均为704με，于是在试件表面便形成了50MPa的等双轴残余应力。待施加的应变数值稳定后，将本装置整体置于压痕设备平台上，通过显微镜观测窗对试件进行压痕压入实验。完成压痕压入实验，可将本装置整体转移至白光干涉仪器测量平台上，观察双镜头位置，调整夹具位置，使得主测试镜头深入夹具贴近试件表面进行形貌观测时，副镜头可以同步下降而避开夹具，落于十字形夹具空位处，使其不会撞击夹具造成镜头损坏。
完成50MPa的等双轴残余应力测试后，需要进行100MPa和50MPa的非等双轴残余应力施加，重复50MPa的等双轴残余应力施加的准备过程。施加100MPa和50MPa的非等双轴残余应力时，根据推导，在试件表面形成100MPa和50MPa的残余应力所对应的应变数值分别为1408με和704με，将应变仪开机，调整四个应力施加螺栓的拧紧程度，使得两块应变片读数分别为1408με和704με，于是在试件表面便形成了100MPa和50MPa的非等双轴残余应力，而后重复压入实验和白光干涉仪器的形貌测量实验。
为确保通过该加载装置在材料表面所施加的残余应力为我们所预想的残余应力状态，采用ABAQUS软件对该试件在实验中的加载情况进行模拟分析，等双轴残余应力状态模拟所得结果如图3所示，对于模拟施加50MPa残余应力后，试件表面产生的S11云图和S33云图基本一致，说明试件内部产生了均匀的等双轴残余应力，而对于图4，模拟试件两个方向分别施加100MPa和50MPa残余应力后，试件表面产生的S11云图和S33云图数值相差一倍，说明试件内部产生了如预期所施加的非等双轴残余应力。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下根据本发明构思所获得的等同技术手段，都属于本发明保护的范围。
Claims (5)
1.一种基于白光干涉测量表面形貌的双轴残余应力引入装置，包括：上夹具(2)和下夹具(3)，其特征在于：所述上夹具(2)和下夹具(3)均为十字形结构，所述上夹具(2)与下夹具(3)为可拆卸连接，所述下夹具(3)的表面中间开设有十字形凹槽，所述十字形凹槽内对称分布有多个试件定位柱(7)，多个所述试件定位柱(7)的顶端放置有试件(8)，所述试件定位柱(7)的顶端表面与试件(8)的底端表面相接触；
所述上夹具(2)与下夹具(3)的四个方向靠近边缘处均开设有夹具固定螺孔，且所述夹具固定螺孔的内侧可拆卸连接有夹具固定螺栓(4)，所述上夹具(2)和下夹具(3)通过夹具固定螺栓(4)连接固定；
所述试件(8)通过贯穿上夹具(2)的试件固定螺栓(6)进行定位，所述试件固定螺栓(6)的底端表面与试件(8)的顶端表面相接触，所述试件(8)通过贯穿上夹具(2)的残余应力施加螺栓(5)进行应力施加，所述残余应力施加螺栓(5)的底端表面与试件(8)的顶端表面相接触，所述上夹具(2)的顶端中间设有显微镜观测窗(10)，所述试件(8)的顶端活动连接有应变片(9)。
2.如权利要求1所述的双轴残余应力引入装置，其特征在于：所述十字形凹槽中心开设有螺纹孔，所述螺纹孔的中间螺纹连接有加载接触平台(1)。
3.如权利要求1所述的双轴残余应力引入装置，其特征在于：所述上夹具(2)的四个方向从内到外依次开设有试件固定螺孔，残余应力施加螺孔，所述试件固定螺孔的孔径为4mm，所述残余应力施加螺孔的孔径为10mm。
4.如权利要求1所述的双轴残余应力引入装置，其特征在于：所述试件定位柱(7)的圆心位于试件固定螺栓(6)圆心的正下方，所述十字形凹槽中间的螺纹孔的圆心位于显微镜观测窗(10)圆心的正下方。
5.如权利要求1所述的双轴残余应力引入装置，其特征在于：所述显微镜观测窗(10)的孔径为32mm。
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