基于压痕隆起量的残余应力测试方法与实验研究

摘要

在机械加工过程中，外力和温度变化引起的不均匀塑性变形是产生残余应力的主要原因,残余应力对材料的力学行为和使用寿命有着重大的影响。压痕法因具有操作简单、快捷、微损伤的特点，在测量材料的力学性能和残余应力方面得到了较为广泛的应用。但到目前为止，压痕测量法只能获得一个测点的平均应力，无法获得残余应力的应力分量及其方向。因此，本文从实验与仿真两个方面探索新的压痕检测分析技术，以测量一般应力状态下残余应力的大小和方向。
　　在压痕试验中，由于材料的塑性变形，压痕周围会出现材料的堆积和沉陷。通过分析发现，压痕卸载后的变形量，特别是压痕周边的最大隆起量，与残余应力的大小和方向有关。为获得最大隆起量与残余应力的定量关系，本文首先采用有限元分析方法，对球形压痕条件下不同的残余应力组合进行了大量的分析计算，拟合出了残余应力大小与隆起量的双线性定量关系，得到了拉伸残余应力使隆起量变小，压缩残余应力使隆起量变大的一般规律。在残余应力方向的研究方面，发现最大隆起量出现的方向与平面最大应力方向相同，与最大隆起量方向垂直的方向即为平面最小应力方向。另外，通过提取压痕周边离面位移数据，根据干涉原理形成了模拟干涉条纹图，与相关文献的实验干涉条纹图进行了对比，在形状上高度吻合。
　　为验证仿真结果的正确性，本文设计制造了一个可以施加单轴与双轴应力的实验装置。在对试件施加已知应力后，在压痕试验机上用直径为2.5mm的布氏压头和大小恒定的压力对试件中部位置进行静态压痕实验。卸载后，采用高精度的激光共聚焦方法对压痕表面轮廓进行了非接触式测量。实验验证了理论与仿真的结果，即残余应力与隆起量的双线性关系。实验表明可以运用卸载后压痕隆起量来表征残余应力。
　　另外，本文运用中科院KJS-3型冲击压痕产生装置，对不同应力状态下的试件进行了冲击压痕试验，然后用光学方法测量卸载后的轮廓。结果表明，冲击压痕状态下卸载后压痕隆起量与残余应力之间也存在和静态压痕类似的规律。
　　根据理论仿真和实验分析的结果，本文提出了压痕隆起量与二维残余应力之间的一般经验公式，据此公式可以直接根据压痕试验后的隆起量来计算二维残余应力的方向以及各分量的大小。
　　本文提出的方法的精确度很大程度上取决于三维轮廓测量的精确度，故本文研究了三种非接触式的全场轮廓测量方法：激光三角法，层析聚焦法和投影条纹法。运用光学方法来精确测量卸载之后压痕周围的隆起量。
　　本文以布氏压痕试验为基础，提出了一种新的完整测量二维残余应力的新方法。该方法可以快捷准确的测定物体内部的残余应力，其精度可以满足工程应用的需要，为构件的表面性能和剩余寿命的评价提供了一种的新的测量与分析技术。

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1 绪 论

1.1研究背景和意义

1.2国内外残余应力测量研究概述

1.3 压痕法测量的研究现状

1.4 压痕法测量残余应力的关键科学问题

1.5 本文的主要研究内容

2 压痕接触理论分析

2.1弹性接触的Hertz理论

2.2物体表面硬度、压痕接触面积和残余应力的计算

2.3量纲分析

2.4压痕周围的隆起与沉陷

2.5本章小结

3 有限元仿真

3.1 有限元模型

3.2 卸载后的压痕形貌

3.3 材料特性对隆起量的影响

3.4 单轴残余应力下的静态压痕隆起量

3.5 双轴残余应力下的静态压痕隆起量

3.6残余应力对冲击压痕隆起量的影响

3.7 本章小结

4 压痕表面三维形貌测量研究

4.1非接触式光学测量方法

4.2激光三角法中的数字散斑相关法[112]

4.3层析聚焦法测量离面位移

4.4投影条纹相移技术

4.5本章小结

5 预应力场下的压痕实验研究

5.1实验材料及预处理

5.2实验平台和装置设计

5.3冲击压头装置

5.4压痕实验

5.5实验结果及分析

5.6本章小结

6 基于压痕隆起量的残余应力测试方法

6.1卸载后压痕隆起量与残余应力的关系

6.2压痕隆起量计算残余应力的一般方法

6.3灵敏度分析和实验误差

6.4本章小结

7 总结与展望

7.1总结

7.2展望

致谢

参考文献

附 录1 攻读学位期间发表论文及成果目录

附 录2 攻读博士学位期间参加(主持)的科研项目