一种基于显微压痕的测量金属试样表面残余应力的方法

摘要

一种基于显微压痕的测量金属试样表面残余应力的方法。利用维氏显微硬度计对试样表面进行显微压痕实验，采用扫描电子显微镜记录压痕形貌，通过对显微压痕对角线长与边长的计算得到试样表面压痕的名义投影面积和实际投影面积；由标准拉伸实验获得该材料的强度系数与应变硬化指数。根据试样表面的二维等轴残余应力场的假设，可得含有显微压痕实际投影面积与名义投影面积比值、强度系数和应变硬化指数的压痕法测量残余应力的理论公式，进而获取试样表面的残余应变及残余应力的大小。该测量方法属于基本无损或者微损测量，具有测量费用低、操作简单方便、测量效率高等优点。如果结合便携式带测距功能的高倍光学显微镜，可以在工程领域推广使用。

主权项

一种基于显微压痕的测量金属试样表面残余应力的方法，具体包括以下步骤：步骤1：1.1根据国家标准将存在残余应力的试样加工成标准拉伸样品；1.2根据在拉伸试验机上对标准拉伸样品进行拉伸实验得到该材料的应力应变曲线，通过应力应变曲线求得材料的强度系数σ₀与应变硬化指数n，备用；步骤2：2.1将存在残余应力的经步骤1处理过的试样表面进行处理得到光滑、平整的符合维氏显微硬度实验的表面；2.2采用维氏显微硬度试验机对试样进行显微压痕实验，在显微压痕实验过程中注意选择适当的加载载荷与加载时间；记录显微压痕的对角线长度D和维氏显微硬度值HV；2.3利用扫描电子显微镜测量得到显微压痕的边长a；2.4根据对角线长度D计算得到显微压痕的名义投影面积A_nom，A_nom＝D*D/2，由边长a得到显微压痕的实际投影面积A，若压痕为外凸形状，A＝a*a*0.96,其中0.96为形状因子，进而得到两面积的比值c²；步骤3：3.1根据基于压入响应和弹塑性接触理论的压痕法测量残余应力，通过公式(1)求出残余应变值ε_res，如下所示：其中，式中ε_res是残余应变；σ₀是材料的强度系数；n是材料的应变硬化指数；HV为维氏显微硬度的测量值；3.2根据的公式(1)得到的残余应变ε_res，代入公式(2)计算得到试样表面的二维等轴残余应力σ_res，如下所示：${\sigma }_{\mathrm{res}}={\sigma }_0\left[\right|{ϵ}_{\mathrm{res}}|{]}^n\times [\exp \left(\frac{1-c^2}{0.32}\right)-1]---\left(2\right)$其中，式中ε_res是残余应变；σ_res是残余应力；σ₀是材料的强度系数；n是材料的应变硬化指数；HV为维氏显微硬度的测量值；c²为压痕实际投影面积A与名义投影面积A_nom的比值。