一种利用压痕隆起量测量残余应力的方法

摘要

本发明公开了一种残余应力测量方法，其基于压痕隆起并利用隆起量分布图直接得到残余应力，其特征在于，该方法包括如下步骤：1)将测试金属材料测试点表面打磨至光滑，并进行清洁处理；2)将清洁过的金属材料用压痕制造装置以恒力F施加静载，保持后卸载，得到球形压痕；3)用共聚焦显微镜对压痕表面进行三维立体成像，通过三维场高度信息还原得到表面隆起量高度信息；4)根据上述表面隆起度高度信息，即可计算出金属材料压痕点附近残余应力。本发明的方法在有限元仿真的基础上，通过仪器化压入与共聚焦显微镜相结合的方法，使之能根据隆起量分布图直接得到残余应力的大小和方向，从而可以解决测量灵敏度低、外界干扰引入测量误差的问题。

说明书

技术领域

本发明属于工程材料技术领域，具体涉及一种残余应力测量方法。

背景技术

残余应力是指产生应力的各种外部因素撤除之后在材料内部依然存在，并 通过自身保持平衡的应力。在许多工程材料(如陶瓷、金属、玻璃)中，残余 应力都会在加工、焊接、喷丸等过程中产生。残余应力会影响结构的机械性能， 如疲劳强度、断裂韧性及耐磨性等。对于半导体产品，残余应力会影响其使用 寿命。另一方面，内部应力能提高电子迁移率从而大幅提高设备充电速度。因 此，残余应力的测量在关键部件的使用寿命设计等方面具有非常重要的意义。

常规残余应力测量方法大致分为两类：机械应力释放法和物理参数分析法。 机械应力释放法包括钻孔法、切割法、分层释放法等应变计法，能直接估计残 余应力而不需要参考试样，但其有损性限制了在工业上的广泛应用。物理参数 分析法包括X光衍射法、超声法、压磁法、中子释放法等，其无损性和非接触 性在某些工业领域广受欢迎。然而，此类方法尚难以区分显微结构本质与残余 应力的影响且测试技术复杂、易受外界干扰等而难以在现场应用。

目前，一种冲击压痕的方法得到广泛重视与发展，它以冲击加载的方式在 物件表面形成压痕，选择压痕区外弹性区作为测定部位，根据叠加应力场引起 的应变增量计算原始残余应力。

如申请号为01106312.2的中国专利申请的说明书中披露了一种残余应力测 量方法，其首先以冲击加载方式在物件表面形成压痕，并选择压痕区外弹性区 作为测定部位，根据叠加应力场引起的应变增量计算原始残余应力，具体包括 选取双向应变花，在含有残余应力的构件表面贴上所述双向应变花，粘贴时应 变栅与主应力的方向一致；在应变片交点中心处制作压痕；通过应变片测量输 出应变值；读出压痕直径；参照压痕标定直线，得出原始弹性应变值，按胡克 定律计算出沿应变片方向的原始残余应力。但是，该方法通过采用应变片的方 式进行测量，测量精度有限，而且通过标定获取原始弹性应变值，精度不高， 导致进一步计算得到的测量值精度降低。

申请号为201010587490.1的中国专利文献公开了一种实时残余应力测量系 统及方法，其在钻孔法的基础上，采用三维数字图像相关技术获得钻孔前后的 散斑图，对上述图像进行处理得到残余应力。但是，该方法测量灵敏度较低， 而且容易受外界干扰。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量残余应力大小及方向的方法，在有限元仿真 的基础上，通过仪器化压入与共聚焦显微镜相结合的方法，使之能根据隆起量 分布图直接得到残余应力的大小和方向，从而可以解决测量灵敏度低、外界干 扰引入测量误差的问题。

本发明为实现上述目的所采用的具体技术方案如下：

一种残余应力测量方法，其基于压痕隆起并利用隆起量分布图直接得到残 余应力，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1)将测试金属材料测试点表面打磨至光滑，并进行清洁处理；

2)将清洁过的金属材料用压痕制造装置以恒力F施加静载，保持后卸载， 得到球形压痕；

3)用共聚焦显微镜对压痕表面进行三维立体成像，通过三维场高度信息还 原得到表面隆起量高度信息；

4)根据上述表面隆起度高度信息，通过如下公式计算出金属材料压痕点附 近残余应力：

${\sigma }_{\mathrm{res}-x}=\frac{\frac{s_0-s_y}{s_0}{C}_{12}-\frac{s_0-s_x}{s_0}{C}_{22}}{C_{12}{C}_{21}-C_{11}{C}_{22}}{\sigma }_Y$

${\sigma }_{\mathrm{res}-y}=\frac{\frac{s_0-s_y}{s_0}{C}_{11}-\frac{s_0-s_x}{s_0}{C}_{21}}{C_{12}{C}_{21}-C_{11}{C}_{22}}{\sigma }_Y$

其中，σ_res-x为X方向的残余应力，σ_res-y为Y方向的残余应力，s_x为第一方向 的最大隆起量，其中该第一方向为压痕中心与最大隆起量出现的点在金属表面 平面投影点的连线方向，s_y为金属表面平面上与所述第一方向垂直的第二方向的 最大隆起量，s₀为无残余应力下的压痕最大隆起量，σ_Y为材料的杨氏模量，C₁₁, C₁₂,C₂₁,C₂₂为常数。

作为本发明的改进，所述表面隆起量高度信息包括第一方向的最大隆起量， 以及与所述第一方向垂直的第二方向的最大隆起量。

作为本发明的改进，所述无残余应力下的压痕最大隆起量通过对被测金属 材料特性进行无残余应力同等实验条件仿真而获得。

作为本发明的改进，所述常数C₁₁、C₁₂、C₂₁和C₂₂取值如下：

当σ_res-x为压缩力即取负值时，优选C₁₁＝9.232，C₂₁＝42.432；σ_res-x为拉伸力即取正 值时，优选C₁₁＝91.68，C₂₁＝154.048。

当σ_res-y为压缩力即取负值时，优选C₁₂＝42.432，C₂₂＝9.232；σ_res-y为拉伸力即取正 值时，优选C₁₂＝154.048，C₂₂＝91.68。

其中，所有常数C₁₁、C₁₂、C₂₁和C₂₂的上述取值均应乘以10^-3。

具体可通过下表表示：

常数取值表/×10^-3

该表常数取值是根据有限元仿真结果，采用数值拟合得到，适用于符合弹 塑性本构关系的金属材料。本发明中，需要对s_x、s₀、s_y的关系进行比较以判断x、 y方向残余应力的方向来合理选择C₁₁,C₁₂,C₂₁,C₂₂的数值。

作为本发明的改进，残余应力的方向判别，即σ_res-x和σ_res-y为拉伸力还是压缩 力即其符号为正还是负，通过如下方式判定：

1)如果s_x＝s_y＝s₀，则σ_res-x＝σ_res-y＝0；

2)如果s_x＝s_y＞s₀，则σ_res-x和σ_res-y符号均为负；

3)如果s_x＝s_y＜s₀，则σ_res-x和σ_res-y符号均为正；

4)如果s_x＞s_y，则：

4.1)当s_x＞s₀，s_y＞s₀时，σ_res-x符号为正或负，σ_res-y符号为负；

4.2)当s_x＞s₀，s_y≤s₀时，σ_res-x符号为正，σ_res-y符号为负；

4.3)当s_x＜s₀，s_y＞s₀时，σ_res-x符号为正，σ_res-y符号为正或负；

上述判定可采用如下方式表述：

残余应力方向判别表

表中，“+”表示残余应力为拉伸残余应力，“-”表示残余应力为压缩残余应力。

本发明中，优选将物件放置于布氏硬度仪下，采用2.5mm直径的压头以恒 力F压入后保持一定时间并卸载，使得物件表面产生带有表面隆起的球形压痕。

本发明中，将带有压痕的物件放置于共聚焦显微镜下进行三维立体成像， 采集压痕隆起量最大处的方向(与水平方向夹角θ)，并得到最大隆起量高度s_x(与表面高度均值的差)及与该方向呈90°的最大隆起量高度s_y。

本发明中，运用Abaqus有限元软件根据被测金属材料特性进行无残余应力 同等实验条件仿真，得到无残余应力下的压痕表面最大隆起量s₀。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下 有益效果：

第一，本发明基于球形压头压入金属材料继而卸载后产生的压痕表面隆起 量。特别是，当金属材料内部的残余应力大小不同时，在相同加载力及时间条 件下，卸载后产生的隆起量具有明显的区别并呈现有规律的变化。

第二，本发明基于Abaqus计算出同等加载力及时间条件下，而金属材料具 有不同残余应力的情况下球形压头卸载后压痕表面隆起量的分布及相关的数 据。其中，通过更为直观的压痕表面全场干涉条纹图来表现隆起量的高度分布 情况，并通过观察隆起量高度全场分布来判断残余应力主应力方向。

第三，本发明基于制造压痕后运用光学方法(如共聚焦显微镜等)还原压 痕表面隆起量的分布情况得到最大隆起量高度的大小及方向。

附图说明

图1：本发明的基于Abaqus有限元软件在相同加载力及时间条件下，而金 属材料具有不同残余应力的情况下球形压头卸载后压痕表面隆起量的分布及相 关数据仿真示意图。

图2：本发明的基于布氏硬度计直径2.5mm压头在测量表面以恒力F持续加 载后卸载而产生隆起量操作示意图。

图3：本发明的基于共聚焦显微镜对压痕表面进行成像处理，得到其表面高 度信息示意图。

图4：本发明的方法在卸载后压痕表面隆起量在各方向的分布示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实 施例，下面结合附图对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图所示，本实施例的一种测量残余应力大小及方向的方法，在有限元仿 真的基础上，通过仪器化压入与共聚焦显微镜相结合的方法，使之能根据隆起 量分布图直接得到残余应力的大小和方向。该方法具体步骤如下：

1)、将测试金属材料测试点表面打磨至光滑，并进行清洁处理；

2)、将清洁过的金属材料用压痕制造装置以恒力F施加静载，保持后卸载， 得到球形压痕；

3)、将包含有球形压痕的金属材料用共聚焦显微镜对压痕表面进行三维场 高度信息还原，得到表面隆起量高度信息；

4)、基于弹塑性力学，运用有限元法，得到残余应力与隆起量最大高度的 关系模型为：

$s_x/s_0=-C_{11}\frac{{\sigma }_{\mathrm{res}-x}}{{\sigma }_Y}-C_{12}\frac{{\sigma }_{\mathrm{res}-y}}{{\sigma }_Y}+1$

$s_x/s_0=-C_{11}\frac{{\sigma }_{\mathrm{res}-x}}{{\sigma }_Y}-C_{12}\frac{{\sigma }_{\mathrm{res}-y}}{{\sigma }_Y}+1$

其中，σ_res-x为X方向的残余应力，σ_res-y为Y方向的残余应力，s_x为X方向的 最大隆起量，s_y为Y方向的最大隆起量，s₀为无残余应力下的压痕最大隆起量。 σ_Y为材料的杨氏模量，C₁₁,C₁₂,C₂₁,C₂₂为常数。其中，如图4所示，X方向 为压痕中心与压痕周围最大隆起量出现的点其在平面上投影点的连线方向，Y方 向与X方向垂直，隆起量即离面位移，其方向为z方向即高度方向，X方向和Y 方向在同一平面上，该平面为金属表面所在的平面，即与高度方向垂直的平面。

其中，当σ_res-x为压缩力即取负值时，优选C₁₁＝9.232，C₂₁＝42.432；σ_res-x为拉伸力 即取正值时，优选C₁₁＝91.68，C₂₁＝154.048。当σ_res-y为压缩力即取负值时，优选C₁₂＝42.432， C₂₂＝9.232；σ_res-y为拉伸力即取正值时，优选C₁₂＝154.048，C₂₂＝91.68。其中，所有常数C₁₁、 C₁₂、C₂₁和C₂₂的上述取值均应乘以10^-3。

本实施例的C₁₁,C₁₂,C₁₂和C₂₂取值见通过下表表示：

表1：方程参数取值表/×10^-3

该表常数取值是根据有限元仿真结果，采用数值拟合得到，适用于符合弹 塑性本构关系的金属材料。当然，上述取值仅是本实施例的优选值，其取值范 围可根据实际情况具体选择。另外，C₁₁,C₁₂,C₂₁,C₂₂的数值与x、y方向 残余应力的方向相关，一般通过通过对s_x、s₀、s_y的关系进行比较以判断x、y方向 残余应力的方向来合理选择C₁₁,C₁₂,C₂₁,C₂₂的数值。

残余应力的方向判别，即σ_res-x和σ_res-y为拉伸力还是压缩力即其符号为正还是 负，通过如下方式判定：

1)如果s_x＝s_y＝s₀，则σ_res-x＝σ_res-y＝0；

2)如果s_x＝s_y＞s₀，则σ_res-x和σ_res-y符号均为负；

3)如果s_x＝s_y＜s₀，则σ_res-x和σ_res-y符号均为正；

4)如果s_x＞s_y，则：

4.1)当s_x＞s₀，s_y＞s₀时，σ_res-x符号为正或负，σ_res-y符号为负；

4.2)当s_x＞s₀，s_y≤s₀时，σ_res-x符号为正，σ_res-y符号为负；

4.3)当s_x＜s₀，s_y＞s₀时，σ_res-x符号为正，σ_res-y符号为正或负；

具体地，上述判定可采用如下表2进行表述：

表2：残余应力方向判别表

表中，“+”表示残余应力为拉伸残余应力，“-”表示残余应力为压缩残余应力。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并 不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换 和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。