一种基于零压力下应变增量确定压痕应变法中应力计算函数的方法与流程

本发明涉及残余应力测试技术领域，具体涉及一种基于零应力下应变增量确定压痕应变法中应力计算函数的方法。

背景技术

压痕应变法是根据压痕诱导获得的应变变量信息(称为压痕叠加应变增量，简称应变增量)，通过实验或模拟计算获得弹性应变和应变增量之间的关系，即应力计算函数，再利用胡克定律而求出构件中残余应力的一种几乎无损的应力测试方法。从测试的准确性出发，它本身只是压痕引起的应变变化，是一个宏观的不依赖于材料微观组织的变化量，只与材料性能和应力水平有关，所以准确度只和测试者的操作水平和应力计算函数的确定结果有关。

应力计算函数的确定是决定应力测量准确与否的关键。目前，应力计算函数的确定都是采用实验标定的方法获得，其规律见图1所示。实验标定时，所用标定试板的应力状态和试板尺寸都有相应要求，对于无法提供符合条件的标定试板，标定实验无法完成；同时弹性应变的加载实施也难以达到理想状态。虽然引用有限元数值模拟技术，可以实现应力计算函数的非实验标定，但掌握有限元模拟技术并能获得准确结果，对于普通技术人员难度很大。如果不能准确获得待测材料的应力计算函数，将阻碍压痕应变法在测量应力中的应用。

现有技术中曾有采用实验和模拟计算的方法对特定材料的标定结果进行过研究[如文献1：孙渊，王庆明，夏风芳，等.残余应力测量法中压痕标定实验的分析[j].机械制造，2006：44：70-72；文献2：曲鹏程.屈服强度对压痕应变法测量残余应力的影响[d].沈阳：中国科学院金属研究所,2006；文献3：陈静阚盈姜云禄陈怀宁，一种基于有限元模拟确定压痕应变法应力测量常数的方法，申请号201711277423.8]，但尚未发现任何有关材料应力计算函数的非标定获得方法研究和应用。

本发明旨在建立可以在非标定情况下快速而较准确地获得合金钢材料的压痕应变法应力计算函数，以方便压痕应变法测试残余应力的应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于零应力下应变增量确定压痕应变法中应力计算函数的方法，通过数值模拟和实验验证，可以证实本发明提供的计算方法可以快速、准确地获得合金钢材料的应力计算函数。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于零应力下应变增量确定压痕应变法应力计算函数的方法，该方法采用非标定方法，将待测合金钢材料在零应力下获得的应变增量和力学性能带入该材料的应变增量计算函数的统一表达式中，进而获得该材料的应力计算函数。该方法包括如下步骤：

(1)通过压痕试验获得待测材料在零应力下的压痕应变增量δε0；

(2)通过拉伸实验获得待测材料的力学性能参数，所述力学性能参数为屈强比σy/σb及屈服应变εy；所述屈强比为材料的屈服强度σy与抗拉强度σb的比值；

(3)将步骤(1)和步骤(2)获得的压痕应变增量δε0、屈强比σy/σb和屈服应变εy带入材料应力计算函数的统一表达式即公式(1)中，计算获得待测材料在不同弹性应变下对应的应变增量值；并采用非标定方法获得材料的应力计算函数；

公式(1)中，z＝δε/δε0，δε0为待测材料在零应力下的压痕应变增量，δε为待测材料其他各应力下的压痕应变增量；x为弹性应变ε与屈服应变εy之比ε/εy，y为屈强比σy/σb，p1-p12为采用一些已知合金钢材料标定结果获得的公式系数，其中：p1-[12的数值如表1。

表1

步骤(1)中，进行压痕试验前，将待测材料进行无应力处理，处理过程中不能改变材料的力学性能；材料零应力下的应变增量δε0是在不改变材料原始性能前提下，经过退火或其它消除应力方法后在材料表面采用压痕应变法得到的应变增量值。

步骤(3)中，应力计算函数的非标定过程为：根据步骤(3)中计算出的各弹性应变下的应变增量，以弹性应变为横坐标，相应的应变增量为纵坐标，所得的数据点[弹性应变ε，应变增量δε]按照3次方函数进行数据拟合，即得到压痕应变法的应力计算函数，如公式(2)；

δε＝b0+b1ε+b2ε²+b3ε³(2)；

公式(2)中，b0、b1、b2、b3是由公式(1)确定的应力计算系数。

本发明具有如下优点和有益效果：

1、本发明方法基于待测合金钢材料零应力下的应变增量和力学性能，将有关参量带入已知的应变增量统一表达式，可以快速、准确地获得该材料的应力计算函数，完全实现该材料非标定情况下采用压痕应变法测试残余应力的需求。

2、利用本发明获得的合金钢类材料应变增量计算函数统一表达式，方便用户扩大压痕应变法的使用范围，解决某些测试场合由于得不到应力计算函数而不能采用压痕应变法的难题。

附图说明

图1为压痕应变法应力计算函数确定方法示意图。

图2为1#材料利用公式1的非标定和模拟标定结果对比。

图3为2#材料利用公式1的非标定和模拟标定结果对比。

具体实施方式

以下结合实施例和附图详述本发明，其中实验标定部分按照gb/t24179-2009《金属材料残余应力测定压痕应变法》进行，模拟标定部分参照文献3(陈静阚盈姜云禄陈怀宁，一种基于有限元模拟确定压痕应变法应力测量常数的方法，申请号201711277423.8)进行。

本发明为基于零应力下应变增量确定压痕应变法应力计算函数的方法，该方法是采用合金钢材料压痕应变法应变增量计算函数的统一表达式来实现待测材料的非标定方法，具体过程为：首先，通过压痕实验获得无应力材料的应变增量；其次，通过拉伸试验获得材料的屈服强度，抗拉强度和屈服应变；然后，将所得参数带入应变增量计算函数的统一表达式(公式1)，计算不同弹性应变下的应变增量；最后，利用上述结果确定公式2中的各个系数，从而实现应力计算函数(即公式2)的非标定确定。

实施例1：

首先通过热处理等手段彻底消除1#合金钢材料中的残余应力，采用压痕法获得无应力材料的应变增量δε0；然后获得1#材料的拉伸性能曲线，得到屈服强度σy、抗拉强度σb和屈服应变εy。将得到的参数带入应变增量统一表达式(即公式1)，可以获得在-0.9εy～0.9εy区间任意弹性应变和应变增量的关系；将所得结果按3次方进行拟合，获得的方程即为非标定方法得到的应力计算函数(即公式2)。

图2为1#材料利用公式1的非标定和模拟标定结果的对比图。对比结果显示，非标定方法和模拟标定结果吻合的很好。

实施例2：

首先通过实验获得合金钢材料2#材料无应力下的压痕应变增量δε0；获得拉伸性能曲线，得到屈服强度σy、抗拉强度σb和屈服应变εy。将得到的参数带入应变增量统一表达式(即公式1)，可以获得在-0.9εy～0.9εy区间任意弹性应变和应变增量的关系；将所得结果按3次方进行拟合，获得的方程即为非标定方法得到的应力计算函数(即公式2)。

图3为2#材料利用公式2的非标定和模拟标定结果的对比图。对比结果显示，非标定方法和模拟标定结果吻合的很好。