一种利用压痕隆起量测量残余应力的方法
【专利摘要】本发明公开了一种残余应力测量方法，其基于压痕隆起并利用隆起量分布图直接得到残余应力，其特征在于，该方法包括如下步骤：1)将测试金属材料测试点表面打磨至光滑，并进行清洁处理；2)将清洁过的金属材料用压痕制造装置以恒力F施加静载，保持后卸载，得到球形压痕；3)用共聚焦显微镜对压痕表面进行三维立体成像，通过三维场高度信息还原得到表面隆起量高度信息；4)根据上述表面隆起度高度信息，即可计算出金属材料压痕点附近残余应力。本发明的方法在有限元仿真的基础上，通过仪器化压入与共聚焦显微镜相结合的方法，使之能根据隆起量分布图直接得到残余应力的大小和方向，从而可以解决测量灵敏度低、外界干扰引入测量误差的问题。
【专利说明】一种利用压痕隆起量测量残余应力的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于工程材料【技术领域】，具体涉及一种残余应力测量方法。
【背景技术】
[0002] 残余应力是指产生应力的各种外部因素撤除之后在材料内部依然存在，并通过自 身保持平衡的应力。在许多工程材料（如陶瓷、金属、玻璃）中，残余应力都会在加工、焊接、 喷丸等过程中产生。残余应力会影响结构的机械性能，如疲劳强度、断裂韧性及耐磨性等。 对于半导体产品，残余应力会影响其使用寿命。另一方面，内部应力能提高电子迁移率从而 大幅提高设备充电速度。因此，残余应力的测量在关键部件的使用寿命设计等方面具有非 常重要的意义。
[0003] 常规残余应力测量方法大致分为两类：机械应力释放法和物理参数分析法。机械 应力释放法包括钻孔法、切割法、分层释放法等应变计法，能直接估计残余应力而不需要参 考试样，但其有损性限制了在工业上的广泛应用。物理参数分析法包括X光衍射法、超声 法、压磁法、中子释放法等，其无损性和非接触性在某些工业领域广受欢迎。然而，此类方法 尚难以区分显微结构本质与残余应力的影响且测试技术复杂、易受外界干扰等而难以在现 场应用。
[0004] 目前，一种冲击压痕的方法得到广泛重视与发展，它以冲击加载的方式在物件表 面形成压痕，选择压痕区外弹性区作为测定部位，根据叠加应力场引起的应变增量计算原 始残余应力。
[0005] 如申请号为01106312. 2的中国专利申请的说明书中披露了一种残余应力测量方 法，其首先以冲击加载方式在物件表面形成压痕，并选择压痕区外弹性区作为测定部位，根 据叠加应力场引起的应变增量计算原始残余应力，具体包括选取双向应变花，在含有残余 应力的构件表面贴上所述双向应变花，粘贴时应变栅与主应力的方向一致；在应变片交点 中心处制作压痕；通过应变片测量输出应变值；读出压痕直径；参照压痕标定直线，得出原 始弹性应变值，按胡克定律计算出沿应变片方向的原始残余应力。但是，该方法通过采用应 变片的方式进行测量，测量精度有限，而且通过标定获取原始弹性应变值，精度不高，导致 进一步计算得到的测量值精度降低。
[0006] 申请号为201010587490. 1的中国专利文献公开了一种实时残余应力测量系统及 方法，其在钻孔法的基础上，采用三维数字图像相关技术获得钻孔前后的散斑图，对上述图 像进行处理得到残余应力。但是，该方法测量灵敏度较低，而且容易受外界干扰。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是提供一种测量残余应力大小及方向的方法，在有限元仿真的基础 上，通过仪器化压入与共聚焦显微镜相结合的方法，使之能根据隆起量分布图直接得到残 余应力的大小和方向，从而可以解决测量灵敏度低、外界干扰引入测量误差的问题。
[0008] 本发明为实现上述目的所采用的具体技术方案如下：
[0009] -种残余应力测量方法，其基于压痕隆起并利用隆起量分布图直接得到残余应 力，其特征在于，该方法包括如下步骤：
[0010] 1)将测试金属材料测试点表面打磨至光滑，并进行清洁处理；
[0011] 2)将清洁过的金属材料用压痕制造装置以恒力F施加静载，保持后卸载，得到球 形压痕；
[0012] 3)用共聚焦显微镜对压痕表面进行三维立体成像，通过三维场高度信息还原得到 表面隆起量高度信息；
【权利要求】
1. 一种残余应力测量方法，其基于压痕隆起并利用隆起量分布图得到残余应力，其特 征在于，该方法包括如下步骤： 1) 将测试金属材料测试点表面打磨至光滑，并进行清洁处理； 2) 将清洁过的金属材料用压痕制造装置以恒力施加静载，保持后卸载，得到球形压 痕； 3) 用共聚焦显微镜对压痕表面进行三维立体成像，通过三维场高度信息还原得到表面 隆起量高度信息； 4) 根据上述表面隆起度高度信息，通过如下公式计算出金属材料压痕点附近残余应 力：
其中，σ^χ为第一方向的残余应力，为金属表面平面上与所述第一方向垂直的 第二方向的残余应力，sx为第一方向的最大隆起量，其中该第一方向为压痕中心与压痕周 围最大隆起量所在点在金属表面投影点的连线方向，s y为第二方向的最大隆起量，S(l为无 残余应力下的压痕最大隆起量，σ Y为材料的杨氏模量，cn，C12, C21，C22为常数。
2. 根据权利要求1所述的一种残余应力测量方法，其中，所述表面隆起量高度信息包 括第一方向的最大隆起量，以及第二方向的最大隆起量。
3. 根据权利要求1或2所述的一种残余应力测量方法，其中，所述无残余应力下的压痕 最大隆起量通过对被测金属材料特性进行无残余应力同等实验条件仿真而获得。
4. 根据权利要求1-3中任一项所述的一种残余应力测量方法，其中，所述常数Cn、C12、 C21和C22取值可根据下表取得： X 1〇-''
5. 根据权利要求1-4中任一项所述的一种残余应力测量方法，其中，所述残余应力的 方向通过如下方式判别：
【文档编号】G01N21/00GK104122205SQ201410377258
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月31日 优先权日:2014年7月31日
【发明者】何玉明, 沈磊, 龚强, 刘大彪 申请人:华中科技大学