CN111649858B - 利用纳米压痕法测试材料残余应力三向应力方法及系统 - Google Patents

利用纳米压痕法测试材料残余应力三向应力方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种一种利用纳米压痕法测试材料残余应力三向应力方法及系统，涉及残余应力测试技术领域，包括：对待检测试样进行纳米压痕测试，得到载荷和压入深度的关系；根据所述载荷和压入深度的关系得到所述待检测试样材料的硬度和所述待检测试样的压痕投影面积；根据待检测试样材料的各项同性，采用有限元分析法，计算三向应力比例；根据所述三向应力比例、所述待检测试样材料的硬度和所述待检测试样的压痕投影面积得到无应力状态下的三向应力和拉应力状态下的三向应力。本发明提供的方法及系统可以实现对测试微小区域三向残余应力的检测。

Description

利用纳米压痕法测试材料残余应力三向应力方法及系统
技术领域
本发明涉及残余应力测试技术领域，特别是涉及一种利用纳米压痕法测试 材料残余应力三向应力方法及系统。
背景技术
在石油化工、核能、航空航天等高能耗产业领域，机械装备均朝着更高效 热处理系统方向发展。如高温气冷堆、新一代航空发动机以及燃气轮机等高端 装备均将增强换热系统的高效紧凑性作为提高效率的关键。近年来，以板翅结 构作为基本散热单元的板翅式换热器(PFHE)得到了广泛的发展及应用。然 而，PFHE的紧凑高效在一定程度上制约着其安全可靠性。板翅换热器中存在 有大量的钎焊接头，由于钎焊工艺、母材和钎料之间材料机械性能不匹配等因 素的影响，接头部位在钎焊过程中会出现残余应力集中，这必将导致板翅结构 处于一种复杂的多轴应力状态。在恶劣的服役环境(高温、高压、腐蚀介质) 下，钎焊接头必然成为板翅结构断裂失效的首要发生部位。因此，准确获取接 头的力学性能及残余应力分布规律对板翅构件的结构完整性设计及评估显得 尤为重要。
对于钎焊接头的残余应力测试，由于其焊缝及扩散区的尺寸较小，常规的 测试方法如中子衍射法、X射线法很难直接测试。纳米压痕法测试残余应力当 前已有了较广泛的研究，但该方法测试残余应力的理论仅仅适用于双向应力， 即平面应力状态的测试，对与像钎焊接头等结构的三向应力状态难以直接测 试，因此亟需一种能够测试微小区域三向残余应力的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用纳米压痕法测试材料残余应力三向应力方 法及系统，以实现对测试微小区域三向残余应力的检测。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种利用纳米压痕法测试材料残余应力三向应力方法，包括：
对待检测试样进行纳米压痕测试，得到载荷和压入深度的关系；
根据所述载荷和压入深度的关系得到所述待检测试样材料的硬度和所述 待检测试样的压痕投影面积；
根据待检测试样材料的各项同性，采用有限元分析法，计算三向应力比例；
根据所述三向应力比例、所述待检测试样材料的硬度和所述待检试样的压 痕投影面积得到无应力状态下的三向应力和拉应力状态下的三向应力。
可选的，所述载荷和压入深度的关系具体包括：
无应力状态下，
Figure BDA0002580861800000021
其中，C0为测试过程中无应力待检测试样的材料参数，h0为纳米压痕测 试过程中无应力试样的压痕深度；P0为无应力状态下的载荷；
拉应力状态下，
Figure BDA0002580861800000022
其中，CT为测试过程中拉应力待检测试样的材料参数，hT为纳米压痕测 试过程中拉应力试样的压痕深度；PT为拉应力状态下的载荷。
可选的，所述根据所述载荷和压入深度的关系得到所述待检测试样材料的 硬度和所述待检测试样的压痕投影面积包括：
根据所述载荷和压入深度的关系得到压痕投影面积；
根据所述压痕投影面积和载荷得到待检测试样材料的硬度。
可选的，所述根据所述载荷和压入深度的关系得到压痕投影面积，具体包 括：
根据公式
Figure BDA0002580861800000023
计算无应力状态下压痕投影面积；
根据公式
Figure BDA0002580861800000024
计算拉应力状态下压痕投影面积；
其中，A0为无应力待检测试样测试过程中压头在垂直于轴向方向上的投影 面积，AT为拉应力待检测试样测试过程中压头在垂直于轴向方向上的投影面 积，D0为测试过程中无应力待检测试样的材料常数，DT为测试过程中拉应力 待检测试样的材料常数。
可选的，所述根据所述压痕投影面积和载荷得到待检测试样材料的硬度， 具体包括：
根据公式H0＝P0/A0计算无应力状态下待检测试样材料的硬度；
根据公式HT＝PT/AT计算拉应力状态下待检测试样材料的硬度；
其中，H0为测试过程中无应力待检测试样材料的硬度，HT为测试过程中 拉应力待检测试样材料的硬度。
可选的，所述测试过程中无应力待检测试样材料的硬度与所述测试过程中 拉应力待检测试样材料的硬度相同。
可选的，所述根据所述三向应力比例，所述待检测试样材料的硬度和所述 待检试样的压痕投影面积得到无应力状态下的三向应力和拉应力状态下的三 向应力，具体包括：
根据公式
Figure BDA0002580861800000031
Figure BDA0002580861800000032
和三向应力比例计算无应力状态下的三向应力和拉应力状态下的三向应力；
其中，PC为压应力状态下的载荷，AC为压应力状态下压头在垂直于轴向 方向上的投影面积，H为待检测试样材料的硬度，σz为轴向应力，σx为平面 X方向应力，σy为平面Y方向应力，α为压痕过程中锥形压头与最初平面的 角度。
一种利用纳米压痕法测试材料残余应力三向应力系统，包括：
荷载和压入深度计算模块，用于对待检测试样进行纳米压痕测试得到载荷 和压入深度的关系；
硬度和压痕投影面积计算模块，用于根据所述载荷和压入深度的关系得到 所述待检测试样材料的硬度和所述待检测试样的压痕投影面积；
三向应力比例计算模块，用于利用有限元分析，根据待检测试样材料的各 项同性，计算三向应力比例；
三向应力计算模块，用于根据所述三向应力比例，所述待检测试样材料的 硬度和所述待检试样的压痕投影面积得到无应力状态下的三向应力和拉应力 状态下的三向应力。
可选的，所述硬度和压痕投影面积计算模块包括：
压痕投影面积计算单元，用于根据所述载荷和压入深度的关系得到压痕投 影面积；
硬度计算单元，用于根据所述压痕投影面积和载荷得到待检测试样材料的 硬度。
可选的，所述压痕投影面积计算单元包括：
无应力状态下压痕投影面积计算子单元，用于根据公式
Figure BDA0002580861800000041
计算无应 力状态下压痕投影面积；
拉应力状态下压痕投影面积计算子单元，用于根据公式
Figure BDA0002580861800000042
计算拉应 力状态下压痕投影面积；
其中，A0为无应力待检测试样测试过程中压头在垂直于轴向方向上的投影 面积，AT为拉应力待检测试样测试过程中压头在垂直于轴向方向上的投影面 积，D0为测试过程中无应力待检测试样的材料常数，DT为测试过程中拉应力 待检测试样的材料常数。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种利用纳米压痕法测试材料残余应力三向应力方法及系 统，通过对待检测试样进行纳米压痕测试，得到载荷和压入深度的关系；根据 载荷载荷和压入深度的关系得到待检测试样材料的硬度和待检测试样的压痕 投影面积；根据待检测试样材料的各项同性，利用有限元分析法，计算三向应 力比例；根据载荷三向应力比例，载荷待检测试样材料的硬度和压痕投影面积 得到无应力状态下的三向应力和拉应力状态下的三向应力，从而实现对微小区 域三向残余应力的检测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是 本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性 的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明利用纳米压痕法测试材料残余应力三向应力方法流程图
图2为本发明利用纳米压痕法测试材料残余应力三向应力系统示意图；
图3为本发明纳米压痕测试待检测试样压痕形貌示意图；
图4为本发明纳米压痕测试过程中载荷等效图；
图5为本发明平面等双轴拉应力下压痕试样受力分析图；
图6为本发明平面等双轴压应力下压痕试样受力分析图；
图7为本发明三向应力计算流程图；
图8为本发明Inconel625/BNi-2钎焊接头和纳米压痕测试位置示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。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 性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种利用纳米压痕法测试材料残余应力三向应力方 法及系统，以实现对测试微小区域三向残余应力的检测。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和 具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供的一种利用纳米压痕法测试材料残余应力三向应 力方法，包括：
步骤101：对待检测试样进行纳米压痕测试，得到载荷和压入深度的关系。
步骤102：根据载荷和压入深度的关系得到待检测试样材料的硬度和待检 测试样的压痕投影面积。
步骤103：根据待检测试样材料的各项同性，采用有限元分析法，计算三 向应力比例。
步骤104：根据三向应力比例、待检测试样材料的硬度和待检试样的压痕 投影面积得到无应力状态下的三向应力和拉应力状态下的三向应力。
其中，载荷和压入深度的关系具体包括：
无应力状态下，
Figure BDA0002580861800000061
其中，C0为测试过程中无应力待检测试样的材料参数，h0为纳米压痕测 试过程中无应力试样的压痕深度；P0为无应力状态下的载荷。
拉应力状态下，
Figure BDA0002580861800000062
其中，CT为测试过程中拉应力待检测试样的材料参数，hT为纳米压痕测 试过程中拉应力试样的压痕深度；PT为拉应力状态下的载荷。
步骤102包括：
根据载荷和压入深度的关系得到压痕投影面积。
根据压痕投影面积和载荷得到待检测试样材料的硬度。
其中，根据载荷和压入深度的关系得到压痕投影面积，具体包括：
根据公式
Figure BDA0002580861800000063
计算无应力状态下压痕投影面积。
根据公式
Figure BDA0002580861800000064
计算拉应力状态下压痕投影面积。其中，A0为无应力待 检测试样测试过程中压头在垂直于轴向方向上的投影面积，AT为拉应力待检 测试样测试过程中压头在垂直于轴向方向上的投影面积，D0为测试过程中无 应力待检测试样的材料常数，DT为测试过程中拉应力待检测试样的材料常数。
其中，根据压痕投影面积和载荷得到待检测试样材料的硬度，具体包括：
根据公式H0＝P0/A0计算无应力状态下待检测试样材料的硬度。
根据公式HT＝PT/AT计算拉应力状态下待检测试样材料的硬度。其中，H0为测试过程中无应力待检测试样材料的硬度，HT为测试过程中拉应力待检测 试样材料的硬度。
在实际应用中，测试过程中无应力待检测试样材料的硬度与测试过程中拉 应力待检测试样材料的硬度相同。
步骤104，具体包括：
根据公式
Figure BDA0002580861800000071
和三向 应力比例计算无应力状态下的三向应力和拉应力状态下的三向应力。其中，PC为压应力状态下的载荷，AC为压应力状态下压头在垂直于轴向方向上的投影 面积，H为待检测试样材料的硬度，σz为轴向应力，σx为平面X方向应力，σy为平面Y方向应力，α为压痕过程中锥形压头与最初平面的角度。
如图2所示，本发明提供的一种利用纳米压痕法测试材料残余应力三向应 力系统，包括：
荷载和压入深度计算模块201，用于对待检测试样进行纳米压痕测试得到 载荷和压入深度的关系。
硬度和压痕投影面积计算模块202，用于根据载荷和压入深度的关系得到 待检测试样材料的硬度和待检测试样的压痕投影面积。
三向应力比例计算模块203，用于利用有限元分析，根据待检测试样材料 的各项同性，计算三向应力比例。
三向应力计算模块204，用于根据三向应力比例，待检测试样材料的硬度 和待检试样的压痕投影面积得到无应力状态下的三向应力和拉应力状态下的 三向应力。
在实际应用中，硬度和压痕投影面积计算模块包括：
压痕投影面积计算单元，用于根据载荷和压入深度的关系得到压痕投影面 积。
硬度计算单元，用于根据压痕投影面积和载荷得到待检测试样材料的硬 度。
在实际应用中，压痕投影面积计算单元包括：
无应力状态下压痕投影面积计算子单元，用于根据公式
Figure BDA0002580861800000081
计算无应 力状态下压痕投影面积。
拉应力状态下压痕投影面积计算子单元，用于根据公式
Figure BDA0002580861800000082
计算拉应 力状态下压痕投影面积。其中，A0为无应力待检测试样测试过程中压头在垂直 于轴向方向上的投影面积，AT为拉应力待检测试样测试过程中压头在垂直于 轴向方向上的投影面积，D0为测试过程中无应力待检测试样的材料常数，DT为测试过程中拉应力待检测试样的材料常数。
利用纳米压痕法测试材料残余应力三向应力方法的原理如下：
待检测试样的三向应力可表示为平面应力与第一轴向应力的矢量和，如公 式(1)所示：
Figure BDA0002580861800000083
其中σx、σy和σz分别表示待检测结构或待检测试样在X、Y和Z三个方 向上的应力。
根据Lee的理论，公式(1)中的平面应力可以进一步分解为等双轴平面 应力和纯剪切应力，如公式(2)所示：
Figure RE-GDA0002616463920000084
根据Suresh理论，等双轴平面应力可以表示静水应力与第二轴向应力的 矢量和，如公式(3)所示：
Figure RE-GDA0002616463920000085
纳米压痕测试残余应力需要根据有应力待检测试样和无应力待检测试样 在相同测试状态(相同压痕深度或加载速率)载荷差异进行计算。
在纯剪切应力状态下，有应力待检测试样和无应力待检测试样的载荷-位 移曲线几乎重合，因此，在纳米压痕测试残余应力过程中，公式(2)中纯剪 切应力部分的影响可以忽略不计，残余应力计算过程中的等效数据可认为是公 式(2)等双轴平面应力与公式(1)中第一轴向应力叠加。
对待检测试样采用纳米压痕法进行测试，如图3所示，图3为纳米压痕测 试过程中压痕的形貌及深度变化情况图。图中hmax为最大压痕深度，hc为最大 接触深度，hs为表面接触周边的偏离高度，hf为塑性深度，
Figure BDA0002580861800000091
为锥形压头角度 的一半值，即
Figure BDA0002580861800000092
为锥形压头的角度，α为压痕过程中锥形压头与最初平面的角 度，对于Berkovich锥形压头α＝24.7°。通过纳米压痕测试可以获得待检测试样 的载荷(P)-压入深度(h)曲线，即P-h曲线。整个纳米压痕测试过程中的 载荷等效图如图4所示，图中A为受力状态下压头在静水应力垂直面上的投影面积。
对于平面等双轴受拉应力状态的试样(σH＞0)，平面X、Y方向上的拉应 力具有远离测试压头的趋势，纳米压痕测试过程中无应力状态和拉应力状态下 载荷的差值为当时深度的静水应力σH，如图5所示。
纯平面等双轴受拉应力状态的载荷可表示为：
P0-PT＝σHAT (4)
其中σH为静水应力，P0为无应力状态下的载荷，PT为拉应力状态下的载 荷，AT为拉应力状态下压头在垂直于轴向方向上的投影面积。P0和PT可通过 纳米压痕测试过程中的P-h曲线直接获得，AT可通过P-h曲线中的压入深度h 计算获得。
当待检测试样为三向应力状态时，根据图4和公式(4)，整个纳米压痕测 试过程中的载荷关系为：
P0-PT＝(σH-σz)AT (5)
其中
Figure BDA0002580861800000093
静水应力σH与轴向应力σz为矢量和相加。
纳米压痕测试过程中，待检测试样材料的硬度值H可以在测试系统中根 据P-h曲线直接测出。根据Kick’s定律，无应力状态和拉应力状态下压痕试样 的载荷随压痕深度的变化关系可表示为：
Figure BDA0002580861800000101
Figure BDA0002580861800000102
C0为测试过程中无应力待检测试样的材料参数，CT为测试过程中拉应力 待检测试样的材料参数，h0为纳米压痕测试过程中无应力待检测试样的压痕深 度，hT为纳米压痕测试过程中拉应力待检测试样的压痕深度。
无应力状态和拉应力状态下待检测试样压痕投影面积可以表示为：
Figure BDA0002580861800000103
Figure BDA0002580861800000104
A0为无应力待检测试样测试过程中压头在垂直于轴向方向上的投影面积， D0为测试过程中无应力待检测试样的材料常数，DT为测试过程中拉应力待检 测试样的材料常数。
纳米压痕测试的待检测试样材料的硬度为载荷与待检测试样的压痕投影 面积的比值，因此，无应力状态和拉应力状态下压痕测试待检测试样材料的硬 度为：
H0＝P0/A0 (10)
HT＝PT/AT (11)
H0为测试过程中无应力待检测试样材料的硬度，HT为测试过程中拉应力 待检测试样材料的硬度。纳米压痕测试待检测试样材料的硬度通常不随受力状 态的改变而改变，即:
H＝H0＝HT (12)
因此，联立公式(6)-(12)，化简公式(5)，可得：
σH-σz＝H(A0/AT-1) (13)
根据静水应力的计算公式，公式(13)可化简为下式：
Figure BDA0002580861800000105
对于平面等双轴受压应力状态的待检测试样(σH＜0)，压应力的存在产生 的效应会阻碍压头的压入，其受力图如图6所示。根据图4和图6，无应力状 态和压应力状态下载荷的差值为当时深度的静水应力σHsinα与轴向应力σz矢 量和产生的力，即：
PC-P0＝(σHsinα+σz)AC (15)
PC为压应力状态下的载荷，AC为压应力状态下压头在垂直于轴向方向上 的投影面积。
结合公式(6)-(12)及静水应力的计算公式，公式(15)最终可化简为：
Figure BDA0002580861800000111
考虑到待检测试样材料的各项同性，各应力σx、σy和σz之间的比例可通 过有限元分析得出，根据有限元分析获得的比例、公式(14)、(16)以及纳米 压痕测试得出待检测试样材料的硬度与待检测试样压痕面积，可求出不同应力 状态下σx、σy和σz三向应力的大小。
三向应力计算的流程图如图7所示。
当静水应力大于0时，根据有限元获得的比例、公式(14)以及纳米压痕 测试得出待检测试样材料的硬度与待检测试样压痕面积，不同应力状态下σx、 σy和σz三向应力的大小。
当静水应力小于0时，根据有限元获得的比例、公式(16)以及纳米压痕 测试得出待检测试样材料的硬度与待检测试样压痕面积，不同应力状态下σx、 σy和σz三向应力的大小。
其中，不同应力状态表示的是无应力状态和拉应力状态。
具体案例：Inconel625/BNi-2钎焊接头，其示意图和残余应力测试位置如 图8所示。整个钎焊接头分为钎焊焊缝区、扩散区1、扩散区2以及金属基体 区域。测试加载点A1位于钎焊焊缝区域，测试加载点A2和测试加载点A3 位于扩散区域1，测试加载点A4和测试加载点A5位于扩散区域2，测试加载 点A6位于金属基体区域。测试过程中，最大压痕深度为800nm，加载速率为2mN/s，压头为Berkovich锥形压头。对于Berkovich锥形压头，各应力状态下 压痕的投影面积A与压痕深度h的关系为：A＝24.5h2。
有应力和无应力状态下纳米压痕测试加载点A1-A6的硬度、压痕面积A 及三向应力的比例如表1所示，表1为有应力和无应力下纳米压痕测试点硬度、 压痕面积A及三向应力的比例对照表。
表1有应力和无应力下纳米压痕测试点硬度、压痕面积A及三向应力的比例 对照表
Figure BDA0002580861800000121
最终获得的测试点A1-A6六个点的三向应力如表2所示，表2为测试点的 三向应力表。
表2测试点的三向应力表
加载点 σ<sub>x</sub>(MPa) σ<sub>y</sub>(MPa) σ<sub>z</sub>(MPa)
A1 239.9 -189.5 164.2
A2 320.2 -213.5 231.2
A3 284.5 -158.1 205.5
A4 159.0 -99.4 99.4
A5 -43.3607 -54.2009 -54.2009
A6 -45.3866 -54.4639 -36.3093
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是 与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于 实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较 简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施 例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的 一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变 之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种利用纳米压痕法测试材料残余应力三向应力方法，其特征在于，包括：
对待检测试样进行纳米压痕测试，得到载荷和压入深度的关系；
根据所述载荷和压入深度的关系得到所述待检测试样材料的硬度和所述待检测试样的压痕投影面积；
根据待检测试样材料的各项同性，采用有限元分析法，计算三向应力比例；
根据所述三向应力比例、所述待检测试样材料的硬度和所述待检测试样 的压痕投影面积得到无应力状态下的三向应力和拉应力状态下的三向应力；所述根据所述三向应力比例，所述待检测试样材料的硬度和所述待检测试样 的压痕投影面积得到无应力状态下的三向应力和拉应力状态下的三向应力，具体包括：
根据公式
Figure FDA0003145146730000011
Figure FDA0003145146730000012
和三向应力比例计算无应力状态下的三向应力和拉应力状态下的三向应力；
其中，PC为压应力状态下的载荷，AC为压应力状态下压头在垂直于轴向方向上的投影面积，H为待检测试样材料的硬度，σz为轴向应力，σx为平面X方向应力，σy为平面Y方向应力，α为压痕过程中锥形压头与最初平面的角度。
2.根据权利要求1所述的利用纳米压痕法测试材料残余应力三向应力方法，其特征在于，所述载荷和压入深度的关系具体包括：
无应力状态下，
Figure FDA0003145146730000013
其中，C0为测试过程中无应力待检测试样的材料参数，h0为纳米压痕测试过程中无应力试样的压痕深度；P0为无应力状态下的载荷；
拉应力状态下，
Figure FDA0003145146730000014
其中，CT为测试过程中拉应力待检测试样的材料参数，hT为纳米压痕测试过程中拉应力试样的压痕深度；PT为拉应力状态下的载荷。
3.根据权利要求2所述的利用纳米压痕法测试材料残余应力三向应力方法，其特征在于，所述根据所述载荷和压入深度的关系得到所述待检测试样材料的硬度和所述待检测试样的压痕投影面积包括：
根据所述载荷和压入深度的关系得到压痕投影面积；
根据所述压痕投影面积和载荷得到待检测试样材料的硬度。
4.根据权利要求3所述的利用纳米压痕法测试材料残余应力三向应力方法，其特征在于，所述根据所述载荷和压入深度的关系得到压痕投影面积，具体包括：
根据公式
Figure FDA0003145146730000021
计算无应力状态下压痕投影面积；
根据公式
Figure FDA0003145146730000022
计算拉应力状态下压痕投影面积；
其中，A0为无应力待检测试样测试过程中压头在垂直于轴向方向上的投影面积，AT为拉应力待检测试样测试过程中压头在垂直于轴向方向上的投影面积，D0为测试过程中无应力待检测试样的材料常数，DT为测试过程中拉应力待检测试样的材料常数。
5.根据权利要求4所述的利用纳米压痕法测试材料残余应力三向应力方法，其特征在于，所述根据所述压痕投影面积和载荷得到待检测试样材料的硬度，具体包括：
根据公式H0＝P0/A0计算无应力状态下待检测试样材料的硬度；
根据公式HT＝PT/AT计算拉应力状态下待检测试样材料的硬度；
其中，H0为测试过程中无应力待检测试样材料的硬度，HT为测试过程中拉应力待检测试样材料的硬度。
6.根据权利要求5所述的利用纳米压痕法测试材料残余应力三向应力方法，其特征在于，所述测试过程中无应力待检测试样材料的硬度与所述测试过程中拉应力待检测试样材料的硬度相同。
7.一种利用纳米压痕法测试材料残余应力三向应力系统，其特征在于，包括：
荷载和压入深度计算模块，用于对待检测试样进行纳米压痕测试得到载荷和压入深度的关系；
硬度和压痕投影面积计算模块，用于根据所述载荷和压入深度的关系得到所述待检测试样材料的硬度和所述待检测试样的压痕投影面积；
三向应力比例计算模块，用于利用有限元分析，根据待检测试样材料的各项同性，计算三向应力比例；
三向应力计算模块，用于根据所述三向应力比例，所述待检测试样材料的硬度和所述待检测试样 的压痕投影面积得到无应力状态下的三向应力和拉应力状态下的三向应力；所述根据所述三向应力比例，所述待检测试样材料的硬度和所述待检测试样 的压痕投影面积得到无应力状态下的三向应力和拉应力状态下的三向应力，具体包括：
根据公式
Figure FDA0003145146730000031
Figure FDA0003145146730000032
和三向应力比例计算无应力状态下的三向应力和拉应力状态下的三向应力；
其中，PC为压应力状态下的载荷，AC为压应力状态下压头在垂直于轴向方向上的投影面积，H为待检测试样材料的硬度，σz为轴向应力，σx为平面X方向应力，σy为平面Y方向应力，α为压痕过程中锥形压头与最初平面的角度。
8.根据权利要求7所述的利用纳米压痕法测试材料残余应力三向应力系统，其特征在于，所述硬度和压痕投影面积计算模块包括：
压痕投影面积计算单元，用于根据所述载荷和压入深度的关系得到压痕投影面积；
硬度计算单元，用于根据所述压痕投影面积和载荷得到待检测试样材料的硬度。
9.根据权利要求8所述的利用纳米压痕法测试材料残余应力三向应力系统，其特征在于，所述压痕投影面积计算单元包括：
无应力状态下压痕投影面积计算子单元，用于根据公式
Figure FDA0003145146730000041
计算无应力状态下压痕投影面积；
拉应力状态下压痕投影面积计算子单元，用于根据公式
Figure FDA0003145146730000042
计算拉应力状态下压痕投影面积；
其中，A0为无应力待检测试样测试过程中压头在垂直于轴向方向上的投影面积，AT为拉应力待检测试样测试过程中压头在垂直于轴向方向上的投影面积，D0为测试过程中无应力待检测试样的材料常数，DT为测试过程中拉应力待检测试样的材料常数。
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