基于能量法的压痕硬度和残余应力测试原理、方法和实验研究

摘要

核主泵是核电装备的核心部件,表面硬化和残余应力是影响泵壳表面完整性的重要因素。因此,探索和发展压痕硬度与残余应力的压痕检测技术和方法,具有实际意义和学术价值。
　　本文主要通过对压痕过程进行理论分析、有限元仿真和实验相结合,分析材料特性、压痕参数和残余应力对压痕响应的影响,研究基于能量法的压痕硬度和残余应力的测试原理和方法。
　　基于Hertz接触理论和von Mises屈服准则,依据有限元仿真,建立了接触力与接触半径和接触深度间的半解析模型。根据球冠理论,推导了应力、应变和静水压力的解析公式。
　　系统分析了材料特性、压痕参数和残余应力对材料堆积/沉陷的影响,建立了等效应变与材料堆积/沉陷的拟合函数关系。
　　通过对球形接触过程的量纲分析和有限元仿真,建立了压痕硬度、压痕功与材料性能和压痕参数之间的关系,提出了基于能量法的压痕硬度测量方法,并进行了实验验证。
　　通过对载荷—位移曲线的分析,实现了残余应力功的分离,根据 Hertz接触理论,建立起压痕功与残余应力之间的解析模型。根据残余应力对压痕功与等效应变之间关系,提出了基于等效应变的残余应力的能量测量方法,并给出了求解算方法。
　　通过在改造后的慢应变试验机上对对典型材料的压痕实验对比,验证了所提方法的有效性,其精度可以满足工程应用的需要。
　　本文以接触力学和弹塑性力学为理论基础,通过理论分析、有限元仿真,对压痕接触过程的压痕响应进行分析,建立基于能量法的压痕响应与硬度和残余应力之间的约束求解模型。根据该模型可以快速有效的测量材料的压痕硬度和残余应力,为构件的表面完整性和剩余寿命的评价提供了强有力的保障。

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1. 绪论

1.1背景及研究意义

1.2压痕硬度测量的研究现状

1.3压痕法测量残余应力的研究现状

1.4压痕法测试硬度和残余应力的关键问题

1.5本文主要研究内容

2. 压痕接触的理论分析

2.1引言

2.2弹性接触

2.3弹塑性接触

2.4塑性接触

2.5量纲分析

2.6 本章小结

3. 有限元仿真及结果分析

3.1引言

3.2 有限元模型

3.3 载荷—位移曲线的影响因素分析

3.4接触压力分布的影响因素分析

3.5堆积/沉陷的影响因素分析

3.6 弹塑性接触变形分析

3.7 本章小结

4. 基于能量法的压痕硬度计算方法

4.1引言

4.2量纲分析

4.3仿真结果分析

4.4 压痕硬度

4.5 本章小结

5. 基于能量法的残余应力计算方法

5.1引言

5.2理论分析

5.3基于Hertz接触理论的能量法测量残余应力

5.4基于等效应变的能量法测量残余应力

5.5 残余应力层深分布的影响

5.6 本章小结

6. 压痕实验

6.1引言

6.2 压痕实验设备和装置

6.3压痕实验

6.4 数据处理程序

6.5本章小结

7. 结论与展望

7.1结论

7.2 展望

致谢

参考文献

附录：攻读学位期间发表的学术论文目录