一种基于偏应力等效的材料残余应力测定方法

1.本发明属于材料残余应力(或工作应力)测定技术领域，具体涉及一种基于偏应力等效的材料残余应力测定方法。


背景技术：

2.传统残余应力的测量方法包括有损检测法和无损检测法，有损检测法是通过局部机械加工释放部分或全部残余应力，然后在特定位置测量应力释放而产生的位移或应变，进而通过弹性理论推算出残余应力的大小和方向，例如，钻孔法、切槽法、环芯法和逐层铣削法等；无损检测法是通过特定手段测量由于残余应力导致某些物理量的变化量，进而根据这些变化量反求出残余应力导致某些物理量的变化量，例如，x射线衍射法、中子衍射法、超声波法、磁测法和拉曼光谱法。有损检测法精度较高，技术成熟，但检测过程中会对构件造成可能不被允许的破坏；无损检测法所需设备昂贵，测试复杂。
3.压入法是一种可用于检测残余应力的微损方法，至今尚不成熟。1998年，suresh和giannakopoulos把等双轴残余应力张量分解为由残余应力σ
r
构成的静水应力张量与偏应力张量之和，并假定偏应力σ
r
与锥压入平均应力(f
r
‑
f0)/a
c
等效，其中f
r
和f0分别为相同压入位移下有和无残余应力对应的压入载荷，a
c
为接触面积，方程看似简单，但压入位移与接触面积的关系与材料本构关系参数等诸多因素有关，很难用显式方程表征。该方法需要在有和无残余应力下的材料分别进行锥压入试验，当无法通过零残余应力压入获得材料的压入深度时，残余应力无法获得，这是该方法应用的最大局限。2003年，lee和kwon采用与suresh方法不同的应力等效方式，将接触面积表示为载荷的函数，结合最大压入位移处有和无残余应力下的载荷差值，建立了只与载荷相关的残余应力模型，该方法与suresh方法除存在上述的局限性外，所采用的最大压入位移是压入过程中的人为定值，采用压入过程中不同定值的压入位移是否能得到稳定预测结果，尚未有进一步研究揭示。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的基于偏应力等效的材料残余应力测定方法解决了现有的残余应力测定时，当使用基于能量密度等效的锥压入公式获取c0时，受无残余应力状态作为参考的局限性。
5.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于偏应力等效的材料残余应力测定方法，包括以下步骤：
6.s1、获取待测材料在无应力状态下的加载曲率c0；
7.s2、对含有残余应力的区域进行锥压，获取对应的加载曲率c
r
；
8.s3、基于加载曲率c0和c
r
，计算待测材料的无量纲残余应力，实现材料残余应力测定。
9.进一步地，所述步骤s1中，获取无应力状态下的加载曲率c0的方法包括通过无残余应力的区域压入获取载荷
‑
位移曲线，进而根据kick律进行拟合获取，或通过已知的h律
参数由基于能量密度中值等效的锥压入半解析式获取。
10.进一步地，所述步骤s3中待测材料的无量纲残余应力r为：
[0011][0012]
式中，σ
r
为残余应力，σ
y
为名义屈服强度α和η均为中间参数；
[0013]
其中，α＝e0n+e1，n为应变硬化指数，
[0014]
λ为中间变量，θ为压头半锥角，φ为残余应力类型参数；
[0015]
k为应变硬化系数，e为弹性模量，k0＝c0，k1＝c1+c2n，k2＝c3，k3＝c4+c5n，k4＝c6+c7n，k0～k4为中间变量，e0～e1和c0～c7均为无量纲常数。
[0016]
进一步地，所述步骤s3中，当残余应力为等双轴残余应力时，
[0017]
当残余应力为单轴残余应力时，
[0018]
本发明的有益效果为：
[0019]
(1)在实际操作测试时，现有相关技术一般需要在无残余应力和有残余应力两种状态下进行压入测试，本发明可以需要无残余应力状态作为参考，也可以不需要，因此测试更方便快捷；
[0020]
(2)本发明方法能够方便、微损地测量构件等双轴或单轴残余应力，是一种普适性强、操作方便且精度高的测定方法。
附图说明
[0021]
图1为本发明提供的基于偏应力效应的材料残余应力测定方法流程图。
[0022]
图2为本发明中的等双轴残余应力的有限元分析验证结果示意图。
[0023]
图3为本发明提供的单轴残余应力的有限元分析验证结果示意图。
[0024]
图4为本发明提供的45#钢等双轴残余应力压入载荷
‑
位移曲线及本方法预测结果比较示意图。
[0025]
图5为本发明提供的45#钢单轴残余应力压入载荷
‑
位移曲线及本方法预测结果比较示意图。
具体实施方式
[0026]
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
[0027]
实施例1：
[0028]
如图1所示，一种基于偏应力等效的材料残余应力测定方法，包括以下步骤：
[0029]
s1、获取待测材料在无残余应力区域的加载曲率c0；
[0030]
s2、对含有残余应力的区域进行锥压，获取对应的加载曲率c
r
；
[0031]
s3、基于加载曲率c0和c
r
，计算待测材料的无量纲残余应力，实现材料残余应力测定。
[0032]
上述步骤s1中，无残余应力的区域压入获取载荷
‑
位移曲线，进而根据kick律进行拟合获取，或通过已知的h律参数由基于能量密度中值等效的锥压半解析式获取。
[0033]
其中，通过无残余应力试样压入获取加载曲率c0时，使用半锥角为70.3
°
的锥形压头在无残余应力区进行锥压入获取载荷
‑
位移曲线，并按下式(1)回归获取加载曲率c0；
[0034]
锥形压入载荷
‑
位移曲线符合kick规律：
[0035]
f＝ch2ꢀꢀꢀ
(1)
[0036]
式中，f为压入载荷，h为压入位移，c为加载系数；
[0037]
通过基于能量密度中值等效的锥压入半解析式获取加载曲率c0时，材料的应力
‑
应变关系符合hollomon幂律(h律)：
[0038][0039]
式中，e为弹性模量，k＝e
n
σ
y1
‑
n
为应变硬化系数，σ为真实应力，ε为真实应变，σ
y
为初始屈服应力，
n
为应变硬化指数；
[0040]
用于求解c0的锥压入半解析式为：
[0041][0042]
式中，ε
y
＝σ
y
/e为初始屈服应变，d1为与ε
y
相关的参数，d2为常数，n为应变硬化指数，θ为压头半锥角，本实施例中取70.3
°
。
[0043]
另需说明的是，本实施例中的残余应力还指代了低于屈服强度的工作应力。
[0044]
本实施例中待测材料的无量纲残余应力r是基于偏应力等效的原理提出的；偏应力残余等效原理为：残余应力在压入方向的偏应力φσ
r
与(f
r
‑
f0)/a
c
等效，其中，φ为残余应力类型参数，σ
r
为残余应力，f
r
和f0为最大压力位移处有无残余应力在的载荷，a
c
为投影接触面；基于此，本实施例的步骤s3中待测材料的残余应力r为：
[0045][0046]
式中，σ
r
为残余应力，σ
y
为名义屈服强度，α和η均为中间参数；
[0047]
其中，α＝e0n+e1，n为应变硬化指数，
[0048]
λ为中间变量，θ为压头半锥角，φ为残余应力类型参数；
[0049]
k为应变硬化系数，e为弹性模量，k0＝c0，k1＝c1+c2n，k2＝c3，k3＝c4+c5n，k4＝c6+c7n，k0～k4为中间变量，e0～e1和c0～c7均为无量纲常数。
[0050]
其中，当残余应力为等双轴残余应力时，当残余应力为单轴残余应力时，对于等双轴残余应力，e0～e1和c0～c7的值取表1所列值，对于单轴残余应力，e0～e1和c0～c7的值取表2所列值，对于表1和表2内的参数值，能够涵盖大多数常用材料的残余应力测定；
[0051]
表示1：等双轴残余应力对应的e0～e1和c0～c7的参数值
[0052][0053]
表2：单轴残余应力对应的e0～e1和c0～c7的参数值
[0054][0055]
实施例2：
[0056]
本实施例中通过有限元分析获得各个工况下的压入载荷位移曲线，进而采用本发明方法获得无量纲残余应力和预先施加的无量纲残余应力如图2和图3所示，可以看出，在等轴和单轴残余应力的大范围工况下，本发明均能取得较好的效果。
[0057]
实施例3：
[0058]
对于45#钢，首先通过应力施加装置对其施加一定的应力，然后进行锥形压入，进而通过本发明方法预测施加的应力大小，结果如图4和图5所示，从图中内容可以看出采用
本方法预测的残余应力与预先施加的残余应力吻合良好。