[發(fā)明專利]一種材料表面殘余應(yīng)力的測量方法及其系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610333203.1
• 申請日: 2016-05-19
• 公開（公告）號: CN105784238B
• 公開（公告）日: 2018-06-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李法新;付際;夏榮煜
• 申請（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號: G01L5/00
• 分類號: G01L5/00
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11360
• 代理人: 王巖

1.一種材料表面殘余應(yīng)力的測量系統(tǒng)，其特征在于，所述測量系統(tǒng)包括：殘余應(yīng)力探測器、阻抗分析儀、應(yīng)變儀和計算機控制系統(tǒng)；其中，所述殘余應(yīng)力探測器包括支撐環(huán)、高度可調(diào)支座、壓電梁、壓電片、壓入針尖和應(yīng)變片；所述支撐環(huán)的底部設(shè)置多個呈中心分布的高度可調(diào)支座，以調(diào)節(jié)支撐環(huán)的高度；所述支撐環(huán)內(nèi)部設(shè)置有多個呈中心對稱分布的壓電梁，每一個壓電梁的一端固定在支撐環(huán)上，另一端與其他壓電梁相交于支撐環(huán)的中心；在每一個壓電梁的上下表面分別設(shè)置壓電片；在多個壓電梁相交的中心的下表面設(shè)置壓入針尖；在多個壓電梁相交的中心的上表面設(shè)置應(yīng)變片；所述壓電片連接至阻抗分析儀；所述應(yīng)變片連接至應(yīng)變儀；所述阻抗分析儀和應(yīng)變儀分別通過數(shù)據(jù)線連接至計算機控制系統(tǒng)。

2.如權(quán)利要求1所述的測量系統(tǒng)，其特征在于，所述計算機控制系統(tǒng)包括：阻抗測量模塊，用于控制阻抗分析儀對殘余應(yīng)力探測器的機電頻響進行測量；應(yīng)變測量模塊，用于測量和分析應(yīng)變儀輸出的應(yīng)變信號；計算分析模塊，獲取壓入過程的F-S曲線之后計算表征殘余應(yīng)力，其中F為加載載荷，S為壓入針尖與待測樣品的接觸區(qū)域的投影面積。

3.一種如權(quán)利要求1所述的材料表面殘余應(yīng)力的測量系統(tǒng)的材料表面的等雙軸殘余應(yīng)力的測量方法，等雙軸殘余應(yīng)力表示為σ_R＝σ_x＝σ_y，σ_R為殘余應(yīng)力，σ_x為x方向的殘余應(yīng)力大小，σ_y為y方向的殘余應(yīng)力大小，其特征在于，所述測量方法，包括以下步驟：

1)將材料表面殘余應(yīng)力的測量系統(tǒng)組裝完成；

2)通過無殘余應(yīng)力樣品得到無殘余應(yīng)力狀態(tài)下的壓入過程的F-S曲線，從而得到擬合參數(shù)C₀₁和C₀₂；

3)通過多個高度可調(diào)支座將殘余應(yīng)力探測器固定于待測樣品的表面；

4)通過調(diào)整高度可調(diào)支座調(diào)整支撐環(huán)的高度，使得壓入針尖與待測樣品的待測區(qū)域發(fā)生接觸并逐點壓入待測樣品；

5)應(yīng)變儀通過應(yīng)變片輸出的應(yīng)變信號測量加載載荷F，同時采用阻抗分析儀測量各個壓電梁上壓電片的機電阻抗頻響，通過機電阻抗頻響獲得壓入針尖與待測樣品的接觸區(qū)域的投影面積S，分別記錄每一點的加載載荷F和投影面積S；

6)重復(fù)步驟4)～5)，連續(xù)壓入待測樣品，得到待測樣品的壓入過程的F-S數(shù)據(jù)，從而得到待測樣品的壓入過程的F-S曲線；

7)將待測樣品的壓入過程的F-S曲線與無殘余應(yīng)力狀態(tài)下的壓入過程的F-S曲線進行比對，判斷殘余應(yīng)力是殘余拉應(yīng)力還是殘余壓應(yīng)力；

8)根據(jù)步驟7)判斷的結(jié)果，基于最小二乘法，結(jié)合已得到的擬合參數(shù)C₀₁和C₀₂，采用殘余拉應(yīng)力或者殘余壓應(yīng)力公式，得到殘余應(yīng)力。

4.如權(quán)利要求3所述的測量方法，其特征在于，在步驟2)中，得到無殘余應(yīng)力狀態(tài)下的壓入過程的F-S曲線得到擬合參數(shù)C₀₁和C₀₂包括以下步驟：

a)通過多個高度可調(diào)支座將殘余應(yīng)力探測器固定于無殘余應(yīng)力樣品的表面；

b)通過調(diào)整高度可調(diào)支座調(diào)整支撐環(huán)的高度，使得壓入針尖與無殘余應(yīng)力樣品發(fā)生接觸并逐點壓入無殘余應(yīng)力樣品；

c)應(yīng)變儀通過應(yīng)變片輸出的應(yīng)變信號測量無殘余應(yīng)力狀態(tài)下的壓入過程的加載載荷，同時采用阻抗分析儀測量各個壓電梁上壓電片的機電阻抗頻響，通過機電阻抗頻響獲得壓入針尖與無殘余應(yīng)力樣品的投影面積，分別記錄每一點的無殘余應(yīng)力狀態(tài)下的壓入過程的加載載荷F和投影面積S；

d)重復(fù)步驟b)～c)，得到無殘余應(yīng)力狀態(tài)下壓入過程的F-S數(shù)據(jù)，從而得到無殘余應(yīng)力狀態(tài)下壓入過程的F-S曲線；

e)基于最小二乘法，根據(jù)公式F＝C₀₁S²+C₀₂S，對無殘余應(yīng)力狀態(tài)下壓入過程的F-S數(shù)據(jù)進行擬合，獲得擬合參數(shù)C₀₁和C₀₂。