基于微壓痕法的韌性塊體材料微小區(qū)域殘余應(yīng)力測試方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于微壓痕法的韌性塊體材料微小區(qū)域殘余應(yīng)力測試方法，屬于微小區(qū)域殘余應(yīng)力無損測試的【技術(shù)領(lǐng)域】。所述測試方法對測試樣塊、標(biāo)準(zhǔn)樣塊做微壓痕實驗得到加卸載曲線，根據(jù)加卸載曲線結(jié)合無量綱函數(shù)得到計算殘余應(yīng)力的參數(shù)，再根據(jù)加卸載曲線分析殘余應(yīng)力類別由平均接觸壓強和殘余應(yīng)力表達(dá)式計算殘余應(yīng)力。本發(fā)明利用微壓痕法實現(xiàn)韌性塊體材料微小區(qū)域的殘余應(yīng)力測試。
【專利說明】基于微壓痕法的韌性塊體材料微小區(qū)域殘余應(yīng)力測試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明公開了基于微壓痕法的韌性塊體材料微小區(qū)域殘余應(yīng)力測試方法，屬于微小區(qū)域殘余應(yīng)力無損測試的【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著航空，航天，生物醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展需求，機電產(chǎn)品正朝著微型化的方向發(fā)展，小體積材料、器件以及微細(xì)加工方法隨之發(fā)展。經(jīng)過微細(xì)加工方法或其他特殊工藝加工的小體積塊體材料其宏觀體積在毫米尺度范圍，由于尺度效應(yīng)的存在，在進(jìn)行機械加工后具有不同于傳統(tǒng)宏觀材料的微觀組織結(jié)構(gòu)和殘余應(yīng)力分布。另外一種情況，工業(yè)應(yīng)用中常對大體積塊體材料進(jìn)行局部加載的加工工藝，僅使器件在需要承受載荷部分的力學(xué)性能得到強化，經(jīng)過加載變形和未經(jīng)受加載變形的部分應(yīng)力狀態(tài)有差別，因而在經(jīng)過不均勻加載變形的殘余應(yīng)力分布呈現(xiàn)局部化特征。小體積塊體材料和經(jīng)過不均勻加載變形后的大體積塊體材料都表現(xiàn)出殘余應(yīng)力在微小區(qū)域分布的特征，本發(fā)明將測試材料本身體積在毫米范圍和殘余應(yīng)力集中于毫米范圍的局部區(qū)域測試方法統(tǒng)稱為對微小區(qū)域的殘余應(yīng)力測試。
[0003]目前已有的殘余應(yīng)力測試方法包括機械釋放測量法和無損測量法。機械釋放測量法需要在測試區(qū)域粘貼應(yīng)變計并采用機械方法釋放應(yīng)力，通過測量應(yīng)變計電阻的變化利用相關(guān)的公式計算出殘余應(yīng)力，主要包括鉆孔法、環(huán)芯法、分割切條法。無損測量法是在一定區(qū)域范圍內(nèi)利用材料的物理性能測量并計算平均殘余應(yīng)力，主要包括X射線衍射、拉曼光譜測量法、超聲法，該方法對具有特定物理性質(zhì)的材料適用。無論是機械釋放測量法還是無損測量法都需要較大的測試區(qū)域，其測試量級一般都在毫米級，所獲得的結(jié)果也是這一區(qū)域殘余應(yīng)力的平均值。而微小區(qū)域的尺度在毫米級，因此，采用傳統(tǒng)的殘余應(yīng)力測試方法不能獲得精確的殘余應(yīng)力分布，而殘余應(yīng)力的分布影響材料的承載和疲勞性能，是器件重要的材料參數(shù)。殘余應(yīng)力測試的不準(zhǔn)確直接制約了微小體積器件及局部加載技術(shù)的工業(yè)化進(jìn)程。因此，亟需發(fā)展與之相適應(yīng)的針對微小區(qū)域殘余應(yīng)力測試技術(shù)方法。
[0004]近年發(fā)展起來的微壓痕技術(shù)為實現(xiàn)微小區(qū)域性能表征提供了可行的技術(shù)方案，微壓痕技術(shù)通過對材料表面施加載荷獲得微米尺度的加卸載曲線，對卸載曲線進(jìn)行計算后獲得材料的彈性模量和與尺度相關(guān)的硬度。試驗完成后僅在試樣表面留下幾微米的壓痕，實現(xiàn)了快速，精確，無損測量的方法。但現(xiàn)有的殘余應(yīng)力測量方法僅針對脆性材料或薄膜材料，缺乏針對韌性塊體材料的有效測量方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述【背景技術(shù)】的不足，提供基于微壓痕法的韌性塊體材料微小區(qū)域殘余應(yīng)力測試方法，解決的技術(shù)問題是利用壓痕法實現(xiàn)韌性材料微小區(qū)域的殘余應(yīng)力測試。
[0006]本發(fā)明為實現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案:
[0007]基于微壓痕法的韌性塊體材料微小區(qū)域殘余應(yīng)力測試方法，包括如下步驟:[0008]步驟1，將待測韌性塊體材料制備成的金相試樣作為測試樣塊，將與測試樣塊同材質(zhì)且無殘余應(yīng)力的塊體材料制備成金相試樣作為標(biāo)準(zhǔn)樣塊；
[0009]步驟2，對所述測試樣塊、標(biāo)準(zhǔn)樣塊做微壓痕測試得到測試樣塊加卸載曲線、標(biāo)準(zhǔn)樣塊加卸載曲線，分析加卸載曲線得到計算殘余應(yīng)力的參數(shù):
[0010]步驟2-1，獲取測試樣塊、標(biāo)準(zhǔn)樣塊加卸載曲線壓痕參數(shù)；
[0011]步驟2-2，擬合測試樣塊、標(biāo)準(zhǔn)樣塊的加卸載曲線，獲取測試樣塊、標(biāo)準(zhǔn)樣塊性能表征量；
[0012]步驟2-3，利用無量綱函數(shù)求取:塑性應(yīng)變量為0.033時測試樣塊的應(yīng)力以及應(yīng)變硬化指數(shù)，塑性應(yīng)變量為0.033時標(biāo)準(zhǔn)樣塊的應(yīng)力以及應(yīng)變硬化指數(shù)；
[0013]步驟2-4，根據(jù)塑性變形本構(gòu)關(guān)系式求得塑性應(yīng)變量為O時測試樣塊的應(yīng)力、塑性應(yīng)變量為O時標(biāo)準(zhǔn)樣塊的應(yīng)力；
[0014]步驟3，根據(jù)測試樣塊殘余應(yīng)力類別，計算殘余應(yīng)力。
[0015]所述基于微壓痕法的韌性塊體材料微小區(qū)域殘余應(yīng)力測試方法中，步驟3【具體實施方式】如下:
[0016]步驟3-1，由塑性應(yīng)變量為0.033時標(biāo)準(zhǔn)樣塊的應(yīng)力σ Q Q33以及塑性應(yīng)變量為O時標(biāo)準(zhǔn)樣塊的應(yīng)力σ。，由表達(dá)式
【權(quán)利要求】
1.基于微壓痕法的韌性塊體材料微小區(qū)域殘余應(yīng)力測試方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟1，將待測韌性塊體材料制備成的金相試樣作為測試樣塊，將與測試樣塊同材質(zhì)且無殘余應(yīng)力的塊體材料制備成金相試樣作為標(biāo)準(zhǔn)樣塊； 步驟2，對所述測試樣塊、標(biāo)準(zhǔn)樣塊做微壓痕測試得到測試樣塊加卸載曲線、標(biāo)準(zhǔn)樣塊加卸載曲線，分析加卸載曲線得到計算殘余應(yīng)力的參數(shù): 步驟2-1，獲取測試樣塊、標(biāo)準(zhǔn)樣塊加卸載曲線壓痕參數(shù)； 步驟2-2，擬合測試樣塊、標(biāo)準(zhǔn)樣塊的加卸載曲線，獲取測試樣塊、標(biāo)準(zhǔn)樣塊性能表征量; 步驟2-3，利用無量綱函數(shù)求取:塑性應(yīng)變量為0.033時測試樣塊的應(yīng)力以及應(yīng)變硬化指數(shù)，塑性應(yīng)變量為0.033時標(biāo)準(zhǔn)樣塊的應(yīng)力以及應(yīng)變硬化指數(shù)； 步驟2-4，根據(jù)塑性變形本構(gòu)關(guān)系式求得塑性應(yīng)變量為O時測試樣塊的應(yīng)力、塑性應(yīng)變量為O時標(biāo)準(zhǔn)樣塊的應(yīng)力； 步驟3，根據(jù)測試樣塊殘余應(yīng)力類別，計算殘余應(yīng)力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微壓痕法的韌性塊體材料微小區(qū)域殘余應(yīng)力測試方法，其特征在于，步驟3【具體實施方式】如下: 步驟3-1，根據(jù)塑性應(yīng)變量為0.033時標(biāo)準(zhǔn)樣塊的應(yīng)力σ Μ3以及塑性應(yīng)變量為O時標(biāo) 準(zhǔn)樣塊的應(yīng)力σ。，由表達(dá)式
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于微壓痕法的韌性塊體材料微小區(qū)域殘余應(yīng)力測試方法，其特征在于，步驟I利用如下方法獲取金相試樣:采用電解拋光技術(shù)拋光韌性塊體材料至鏡面，隨后進(jìn)行淺腐蝕。
【文檔編號】G01N3/42GK103439206SQ201310420244
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月13日
【發(fā)明者】何敏, 王啟立, 楊峰, 張寧, 王曉溪 申請人:徐州工程學(xué)院