一种基于显微硬度压痕距离变化的表层内应力测量方法

摘要

本发明公开了一种基于显微硬度压痕距离变化的表层内应力测量方法，通过显微硬度计在零件的表面留下成对的显微硬度压痕，用移测显微镜测量其之间的初始距离，在真空炉中对零件进行去应力退火操作，使得零件内的内应力得到释放，待其冷却后再次测量显微硬度压痕之间的距离并计算其距离的变化，可以认为该变化是完全由于内应力的释放而引起，因此可以根据所测得的压痕间的距离的变化最终计算得表层内应力。本发明所公开的测量方法操作简单，所需的设备价格低廉，且精度可靠。

说明书

技术领域

本发明公开了一种基于显微硬度压痕距离变化的表层内应力测量方法，涉及机械工程中应力测量方法技术领域。

背景技术

如今已有的内应力测量技术主要分为破坏性方法，非破坏性方法以及微破坏性方法。各种测量法各有自身的优缺点，其所能测量的深度范围不一，在不同的场合需要根据具体的需要选择正确的测量方法。根据内应力自身的性质，可以将其划分为微观内应力和宏观内应力。微观内应力主要是在材料的晶粒内部存在的内应力,其测量主要依赖于无损测量法，即非破坏性方法，且在垂直于零件表面的方向上的应力能够一定程度地得到确定。微观内应力的测量过程是一个比较复杂的过程，其需要昂贵的仪器和受到专业训练的技术人员才能完成操作。

目前X射线衍射法是使用较多的一种测量微观内应力的方法，在汽车和航空领域其已经有半个世纪的使用历史，该方法在基于材料的线弹性基础上，测量由内应力引起的晶粒内部所发生的畸变。X射线衍射法是一种纯粹的非破坏性方法，但是其使用存在一定的局限性，该方法要求被测材料必须有较规则的晶粒，且该方法的测量结果会受到被测工件表面粗糙度和晶粒尺寸的影响，这在沙模铸件的测量中是不得不考虑的一个问题。

由于X射线对于工业常用金属的穿透力很浅，通常只有数微米，因此若要测量在零件深度方向上的内应力，必须对零件进行剥层去除材料，这就使得X射线法的非破坏性的优点被打破。

另一种基于材料晶粒位错位移内应力测量技术为中子衍射法，该方法所需要的设备非常昂贵，只有极少的实验室和研究机构拥有，而且由于该方法得到的是被测区域的内应力的平均值，因此其分别率不是很高，对于微观内应力的测量该方法会显得较为困难。

其他的无损检测方法包括磁性法和超声波法，磁性法是一种比较简答的方法，其根据零件在受力状态下其磁性会发生一定的变化的特征进行测量，该方法可以用来测量双轴应力。另一种磁性法利用巴克豪森效应，通过测量与磁性成比例的电动势的变化从而确定内应力值。磁性法的局限性为其只能测量磁性材料，而磁性对于微结构的变化很敏感，因此在每次测量之前都必须对其磁性进行校准。

超声波法主要利用材料在受力状态下超声波在其内部的传播速率会发生变化的这一特点确定内应力值，该方法的缺点为其测量结果相对于被测材料的微结构具有一定的不规则性。

宏观内应力的分布远大于材料的晶粒尺寸，在设计和破坏分析中宏观内应力往往是主要的考虑对象。当前测量宏观内应力的最为直接有效且方便、便宜的方法为钻孔法，通过钻孔去除材料使得内应力得到部分释放，通过测量此过程中孔周边的应变的变化从而算得材料内部的值。钻孔法本身所存在的缺点为其自身具有一系列的不确定性，例如应变值的测量，钻孔的同心性，钻孔直径的大小以及钻孔的深度等，钻孔会对零件造成一定程度的破坏，且零件的表面必须要进行一定程度的处理使得应变片能够较为顺利地贴于其上，这会对表面应力产生一定的影响，尽管是微量的影响钻孔法最基本的假设为材料是各向同性的且具有线弹性，同时其假设在深度方向上内应力并没有明显的变化，因此若所钻孔的深度大于孔的直径，其在很多实际情况下并不是很有意义，因此钻孔法往往被描述为半损检测法。

若需要测量更深部分的内应力，在20实际70年代出现的另一种形式的钻孔法，称为深孔法，该方法需要首先在被测工件上钻一个参考孔，并测量其在深度方向上的直径的变化，然后在参考孔的周边再进行钻孔，对参考孔和周边孔进行重新测量，根据空之间距离的变化计算得应变的变化，该方法可以测得深度为10厘米的内应力的分布情况，然而该方法得到的结果与有限元分析的结果相比，其基本没有什么相关性，因此该方法得到的结果的准确性还有待商榷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提供一种基于显微硬度压痕距离变化的表层内应力测量方法，其所需的测量设备低廉，对操作人员没有严格的要求，且其精度能满足绝大部分工业上的要求。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于显微硬度压痕距离变化的表层内应力测量方法，包括如下步骤：

步骤(1)、在被加工零件表面打下成对的微硬度压痕；

步骤(2)、测量微硬度压痕之间的初始距离；

步骤(3)、对零件进行去除内应力处理；

步骤(4)、测量微硬度压痕之间在指定方向上距离的变化；

步骤(5)、根据材料的弹性模量、泊松比以及所测得的显微硬度压痕之间距离的变化对内应力值进行计算。

作为本发明的进一步优选方案，所述步骤(5)的计算方法如下：

X和Y方向的表层内应力σ₁、σ₂的计算公式分别为:

σ₁＝-E(Δd₁/d₁+μΔd₂/d₂)/(1-μ²)；

σ₂＝-E(Δd₂/d₂+μΔd₁/d₁)/(1-μ²)；

其中，E和μ分别为材料的弹性模量和泊松比，d₁和d₂分别为压痕在X和Y方向的初始距离，Δd₁和Δd₂分别为压痕在X和Y方向的距离的变化。

作为本发明的进一步优选方案，所述步骤(1)中成对的微硬度压痕之间的距离大于或者等于50mm。

作为本发明的进一步优选方案，所述步骤(2)中，当需要测量进给方向和切削方向的内应力时，设置两个微硬度压痕的连线与进给方向成45°角。

作为本发明的进一步优选方案，所述步骤(3)中去除内应力的方法为退火处理，在真空炉中进行加热退火，保持指定的时间之后随炉冷却，退火的温度和时间要根据不同的材料进行选择。

作为本发明的进一步优选方案，所述步骤(2)、步骤(4)中，微硬度压痕的距离通过移测显微镜测得。所述步骤(1)中，使用微硬度压痕仪给被加工零件打下微硬度压痕。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明所公开的测量方法操作简单，所需的设备价格低廉，且精度可靠。

附图说明

图1为用微硬度压痕仪在加工后的零件表面留下为硬度压痕示意图，并用移测显微镜测得其初始距离d₀。

图2为给零件去应力处理后测得其之间的距离d_t相比之前的d₀变小，可以判断初始内应力为拉应力状态。

图3为给零件去应力处理后测得其之间的距离d_c相比之前的d₀变大，可以判断初始内应力为压应力状态。

图4为同时测得在进给方向和切削方向的距离的变化，进而可以同时求得两个方向的内应力。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

根据显微硬度压痕随着内应力的变化而发生的变化，首先可以确定该内应力是压应力还是拉应力。根据观察，可以发现当零件的弹性内应力部分得到释放时显微硬度压痕的形状会发生一定的变化，其会对本方法的测量精度产生一定的影响。当内应力达到其弹性极限的百分之四十以上时材料的硬度会发生较大的变化，进而引起微硬度压痕产生较大的变形，而当其值低于弹性极限的百分之四十时其对硬度的影响不是很大，因此为了克服该方法上的缺点，本发明通过测量内应力释放前后微硬度压痕之间距离的变化实现对内应力的测量，其主要包括如下步骤：

(1)用微硬度压痕仪在被测表面打下硬度压痕。在零件机械加工(如切削加工)完毕后，在零件的被加工表面打下成对的微硬度压痕，成对的微硬度压痕之间的距离要适当，通常成对的微硬度压痕之间的距离不少于50mm，以保证其变化能够较为准确地被测得。

用微硬度压痕仪在加工后的零件表面留下硬度压痕，并用移测显微镜测得其初始距离d₀，如图1所示；给零件去应力处理后测得其之间的距离d_t相比之前的d₀变小，可以判断初始内应力为拉应力状态，如图2所示；给零件去应力处理后测得其之间的距离d_c相比之前的d₀变大，可以判断初始内应力为压应力状态，如图3所示。

(2)测量压痕之间的初始距离。为了能测得零件表面多方向的内应力，显微硬度压痕的布置要比较科学，最好与被测方向成45°角，若要测量进给方向和切削方向的内应力，只需设置两个微硬度压痕的连续与进给方向成45°角即可，如图4所示，可以同时测得在进给方向和切削方向的距离的变化，进而可以同时求得两个方向的内应力。

(3)对零件进行去除内应力处理。通常采取的去内应力方法为退火，退火的温度和退火的时间要根据不同的材料进行选择，为避免材料表面被氧化后对实验结果的影响，这里可以采取在真空炉中进行加热退火，先将炉内空气抽空，再根据指定的速率将零件加热到指定的温度，并保持指定的时间，然后随炉冷却，完成退火去内应力的操作。

(4)测量微硬度压痕之间距离的变化，其需要根据指定的方向测量该方向上的距离的变化。

(5)根据材料的弹性模量E，泊松比μ以及所测得的为硬度压痕之间距离的变化对内应力值进行计算。图4中的距离d₁的变化Δd₁可以认为有两个方面的因素共同作用而引起，第一，X方向的的表面内应力σ₁的释放与材料的弹性模量的作用，第二，Y方向的表面内应力σ₂的释放与材料的泊松比的作用，其关系式为：

ε₁＝Δd₁/d₁＝-(σ₁-μσ₂)/E(1)

同样的道理可以得到关系式:

ε₂＝Δd₂/d₂＝-(σ₂-μσ₁)/E>

最终可以得到计算X和Y方面的表层内应力σ₁、σ₂的公式分别为:

σ₁＝-E(Δd₁/d₁+μΔd₂/d₂)/(1-μ²)>

σ₂＝-E(Δd₂/d₂+μΔd₁/d₁)/(1-μ²)>

对于一些应力的松弛具有时滞效应的材料，固然应力的松弛会引起材料的硬度发生一定的变化，但是材料的弹性模量的变化却是很小的，以至于可以忽略不计，这是由于材料的弹性模量只取决于原子间的作用力，而不包含任何的塑性变形。

为了能较为准确测得显微硬度压痕之间的距离的变化，经过计算，显微硬度压痕之间的距离不能少于50mm，其距离的变化用移测显微镜进行测量。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。