[发明专利]一种连续压痕法测量残余应力和金属材料弹塑性力学性能的方法

说明书

本发明公开一种连续压痕法测量残余应力和金属材料弹塑性力学性能的方法，通过在无残余应力试样上施加横向载荷来模拟残余应力，进行连续球压痕实验，建立不同深度下压痕功比和金属材料力学性能之间的无量纲函数表达式，对待测材料进行压痕实验，从载荷‑位移曲线中得到真实压痕功比，通过反分析求解方法，选取三组以上不同压入深度使得反演压痕功比与真实压痕功比之间的误差绝对值的总和最小，此时的屈服强度、残余应力和应变硬化指数取值即为所求。

技术领域

本发明属于材料力学性能表征领域，具体涉及一种采用连续球压痕法测量金属材料的屈服强度、应变硬化指数和残余应力的方法。

背景技术

在机械加工制造过程中，材料的不均匀塑性变形或者温度失配，都会导致零部件中产生残余应力。由于残余应力的存在，对构件的疲劳强度、腐蚀开裂、材料脆性以及构件的尺寸稳定性和加工精度有着重要的影响，能够准确测量结构中的残余应力对评价材料的力学性能有着重要的意义。因为残余应力的形成机理是非常复杂的，目前为止还没有一套可靠的理论和方法来评价残余应力。因此，实验的方法被用来分析和测量材料中残余应力，传统方法测量残余应力通常是具有破坏性、复杂性和高成本，例如钻孔法、剥层法、X射线衍射法、超声波法和中子衍射法。近年来，一种新的测量技术压痕法具有应用广泛、操作方便、成本低廉和无损测量等特点，引起了国内外各大研究机构的密切关注。

压痕法被广泛应用于评价材料的残余应力、硬度、屈服强度和弹性模量等，采用压痕法测量残余应力主要包括以下两种方法：第一，无残余应力试样对比法，该方法需要制备和被测材料具有相同材料参数的无残余应力试样作参考，通过比较有残余应力和无残余应力两种试样在相同压入深度下，压痕接触面积的不同确定残余应力的大小，该方法的测量精度很大程度上依赖于对接触半径的测量；类似的还有两种试样在相同的压入深度下，通过比较加载载荷的不同计算残余应力的大小。在实际工程测量中，很难寻找一个无残余应力的试样作参考，同时也增加了实验的繁琐性。第二，量纲分析法，该方法基于Π定理，建立压痕响应参量与金属材料的力学参数之间的无量纲方程，通过数值模拟分析，获得准确的函数表达式，该方法无需参考试样便可求出未知参量，由于多个未知参量组(E,σ_y,n和σ_r)在无量纲方程中，所以很难得到一个准确的函数表达式描述压痕参量和材料参数之间的关系。同时，为了求解需要建立多个无量纲方程，不同的方程对应不同压痕参量，对于压痕参量的选取，有的科研人员选用卸载刚度S作为分析参量，而卸载曲线选取的长度对斜率的影响非常大，所以很难保证S的可靠性；此外，有的学者采用残余压痕深度和总压痕深度的比值h_r/h_m作为分析参量，不同的材料其h_r/h_m也可能会相同，所以不能唯一代表一种材料的压痕响应。确定未知参数解唯一性的前提一定要保证这种材料的压痕响应是唯一的，并且要便于准确测量。

目前，量纲分析和数值模拟方法在压痕技术领域得到广泛的应用，为了简化量纲方程，部分研究人员引入表观应变到无量纲方程中，使方程独立于应变硬化指数，虽然量纲方程得到简化，但在这些研究中并没有考虑残余应力的存在。另外，为了建立多个量纲方程采用不同形状的多个压头作为分析参量，同样也增加了实验的繁琐程度和实验成本。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种采用单个球形压头进行连续压痕实验提取材料中的残余应力和弹塑性力学参数的方法。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种连续压痕法测量残余应力和金属材料弹塑性力学性能的方法，包括如下步骤：

步骤一：在无残余应力试样上施加横向载荷来模拟残余应力，进行连续球压痕实验，并保持其残余应力在加卸载过程中大小不变，从实验结果中获取不同深度下的载荷-位移曲线，从加载曲线和卸载曲线分别获取加载功W_t和弹性恢复功W_e，压痕功比可以唯一表示一种材料压痕响应，基于Π定理，建立不同深度下压痕功比和金属材料力学性能之间的无量纲方程∏_γ的函数表达式：