[發明專利]一種利用納米壓痕技術測量材料表面殘余應力的方法

有效

• 申請號: 202110475802.8
• 申請日: 2021-04-29
• 公開（公告）號: CN113188890B
• 公開（公告）日: 2022-03-08
• 發明（設計）人: 劉平平;鐘韋;詹倩;萬發榮;韓文妥;易曉鷗
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: G01N3/02
• 分類號: G01N3/02;G01N3/42
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司 11401
• 代理人: 朱艷華

本發明涉及殘余應力測試技術領域，具體涉及是一種利用納米壓痕技術測量材料表面殘余應力的方法，該方法的具體步驟為：對擬測量材料進行納米壓痕測試，得到擬測量材料的載荷?位移關系曲線；對得到擬測量材料的載荷?位移關系曲線進行微分運算；根據獲得的微分運算結果得到載荷?位移的微分曲線和微分曲線的斜率值，根據得到的斜率值對比后得到擬測量材料表面殘余應力狀態。本發明的有益效果是，該方法具有測量方法簡單、可直接獲得被測樣品表面的殘余應力情況，無需無應力樣品作為標樣的特點。因此可以對一些特殊材料比如金屬鈹的表面殘余應力進行測量。

技術領域

本發明涉及殘余應力測試技術領域，具體涉及是一種利用納米壓痕技術測量材料表面殘余應力的方法。

背景技術

目前，殘余應力對于材料的性能和組件的使用壽命至關重要，一直以來受到廣泛的關注和研究。殘余應力是材料中的一種靜態應力，并和周圍環境保持平衡。它是在生產、加工、連接、熱處理過程中，由于加載的力、溫度場或化學行為的變化造成的局部非均勻彈性或塑性變形從而產生的一種內應力。殘余應力的存在將不僅影響材料在加工過程中的工藝水平，還將給后續構件服役過程中的性能和使用壽命埋下隱患。而且殘余應力廣泛的存在于工程應用的各個方面，因此對于材料殘余應力的處理和測量就變得尤為重要。

測量材料殘余應力的方法有多種，大體分為兩類：有損檢測(包括鉆孔法、逐層剝離法、輪廓法等)和無損檢測(X射線衍射法、同步輻射法、中子衍射法、納米壓痕法等)。但對于一些特別的材料如金屬鈹，不宜采用有損檢測和X射線衍射法，而同步輻射和中子衍射法則太過昂貴，因此納米壓痕法又稱為深度敏感壓縮技術，作為一種較新的材料表面殘余應力檢測技術受到了各國科學家的重點關注。目前已經發展了2類基本的模型(Suresh模型和Lee模型)來通過納米壓痕法測量材料表面的殘余應力。然而這兩種方法的共同特點是都需要一個無應力的標準樣品，然后通過被測樣品載荷-位移曲線與標準樣品的載荷-位移曲線進行比較和計算從而定性和定量的獲得材料表面的殘余應力。但是有時對于某些特殊材料獲得一個無應力的標樣是比較困難的，也增加的測量本身的復雜程度。

發明內容

本發明公開了一種利用納米壓痕技術測量材料表面殘余應力的方法，以解決現有技術的上述技術問題以及其他潛在問題中的任意問題。

為了解決上述問題，本發明技術方案是：一種納米壓痕測量材料表面殘余應力的方法，所述方法具體包括以下步驟：

S1)對待檢測試樣進行納米壓痕測試，得到載荷和壓入深度(位移)的關系曲線和納米硬度值；

S2)對S1)得到載荷和位移關系曲線進行微分運算，

S3)根據S2)獲得的微分運算結果得到載荷-位移的微分曲線和該曲線的斜率值，得到測量材料表面殘余應力。

進一步，所述S1)具體包括以下步驟：

S1.1)將擬測量材料進行表面處理并用丙酮清洗干凈，

S1.2)將處理后的樣品裝入納米壓痕儀中，設置加載壓入深度，進行測量，

S1.3)獲得載荷-位移曲線和材料納米硬度值H。

進一步，所述S1.2)中壓入深度取值為取5倍以上擬測殘余應力深度。

進一步，所述S1.3)中獲得材料納米硬度值H的方法，計算公式如下：

H＝F/A，(1)

式中，A為壓痕投影面積(可以根據壓入深度和壓頭形狀計算或直接測量得到)，F為加載的力即載荷。

進一步，所述S3)的具體步驟為：

S3.1)根據S2)得到微分計算結果，繪制載荷-位移的微分曲線，得到曲線前段和后段的斜率值K_I和K_II，