[發明專利]一種基于圓錐形壓頭的已知材料殘余應力測定方法

有效

• 申請號: 201810706088.7
• 申請日: 2018-06-27
• 公開（公告）號: CN108844824B
• 公開（公告）日: 2020-09-08
• 發明（設計）人: 蔡力勛;陳輝
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08;G01L5/00
• 代理公司: 成都信博專利代理有限責任公司 51200
• 代理人: 王沙沙

本發明公開了一種基于圓錐形壓頭的已知材料殘余應力測定方法，包括以下步驟：步驟1：獲取被測材料在無應力狀態下的加載曲率C₀；步驟2：通過圓錐形壓頭對含有殘余應力的被測材料表面進行準靜態壓入加載試驗，獲取連續的載荷?深度曲線；步驟3：根據步驟2得到的載荷?深度曲線得到加載曲率C_R，并建立C₀和C_R的關系式；步驟4：根據步驟1獲取的C₀和步驟3建立的關系式即可獲得被測材料的殘余應力；本發明方法簡單有效，并且具有普適性。

技術領域

本發明涉及材料殘余應力的測定方法，具體涉及一種基于圓錐形壓頭的已知材料殘余應力測定方法。

背景技術

殘余應力由不均勻的塑性應變或相變(如機械加工或表面強化等)引起，其廣泛存在于實際工程結構中，且對材料疲勞、斷裂、腐蝕、磨損等性能的影響(多為不利)較大；因而在對材料或結構進行力學分析、安全評價時，準確測量其參與應力顯得尤為重要；一般地，獲取材料殘余應力的傳統方法主要包括切片/鉆孔法(1930s～)與X射線/中子射線衍射法(1940s～)；此兩類測試雖已成熟應用但各自具有較明顯的缺陷，切片/鉆孔法勢必造成結構的破壞，且測試精度受限于粘貼應變片的位置和尺寸；輻射衍射法穿透深度100μm～10⁵μm而其分辨力只有10²μm～10³μm；然而隨著結構小型化(如微機電系統等)，傳統方法受材料或結構服役條件限制，難以實現并有效地展開試驗；此外，對于在役航空航天、高鐵、核電等關鍵工程廣泛存在的焊接結構，采用傳統方法難以分別獲得不同區域(焊縫區、熱影響區等)的殘余應力，并且預測精度受限；目前還缺乏精確且重復性良好的用于材料或結構殘余應力的便捷檢測技術。

圓錐形壓入試驗是一種傳統上用于材料洛氏硬度測量的試驗方法；由于壓入理論的發展與試驗技術的進步，錐形壓入逐漸被用來測量材料的彈性模量、屈服強度和殘余應力等；通過單體雙錐度壓入可一次性獲得包含足夠材料彈塑性性能信息的載荷-深度關系；但是現有的技術方案精確度不夠，并且計算較為繁瑣。

例如Chen等人(Zhao M.,Chen X.,Yan J.,Karlsson A.M.Determination ofuniaxial residual stress and mechanical properties by instrumentedindentation[J].Acta Materialia,2006,54:2823-2832.)采用70.3°圓錐形壓頭獲取近似理想彈塑性材料的殘余應力、彈性模量及屈服應力；由大量有限元計算得到不同殘余應力下圓錐壓入載荷-深度(P-h)曲線圍線面積，即加載功和卸載功；并進一步建立無量綱加載功與殘余應力比及模量屈服比的關系式：

式中：W_l為加載功，W_u為卸載功，σ_R為殘余應力，σ_Y為屈服應力，E為彈性模量，ξ＝E/σ_Y，η＝σ_R/σ_Y，式中a₁-a₁₇，b₁-b₂₂及c₁-c₁₇均為通過有限元計算確定的無量綱參數，δ_max、δ_f分別為加載最大深度和卸載殘余深度；該技術方案主要通過將式(1)三個方程聯立可得到材料的彈性模量E、屈服應力σ_Y和殘余應力σ_R；但該技術方案僅適合于理想彈塑性材料的殘余應力獲取，所得求解公式幾乎完全基于涵蓋大范圍材料的有限元計算，缺乏有效的理論支撐，并且擬合得到的求解公式形式復雜，包含多大56個；并且均需要P-h曲線的加載卸載段，需要計算和處理的參數過多，最終給求解和應用造成了諸多不便。