一种降低表面粗糙度对球形压入识别弹性模量影响的修正方法

本发明涉及工程服役结构力学测试，具体涉及一种降低表面粗糙度对球形压入识别弹性模量影响的修正方法。

背景技术：

1、工程结构在其服役过程中，由于受到环境、温度、复杂应力等因素的影响，其结构内部的力学性能会发生不同程度地劣化。为及时排查工程服役结构潜在的安全隐患，避免发生安全事故，需要对工程结构的易失效部位进行定期的力学性能检测。与传统的检测方法相比，便携式压入仪因其高分辨率、轻量化设计以及检测微区微损等优势，可以实现在油气管道、高速铁轨等服役结构的原位进行仪器化球形压入测试，因此具有广泛且良好的工程应用前景。理论上便携式压入仪要求测试表面为光滑表面，然而工程结构的生产过程中由于加工工艺、生产成本等因素的制约，在其表面将存在不同程度的表面粗糙度。表面粗糙度会干扰仪器化压入仪对弹性模量的识别，降低测试结果的准确度。

2、目前可通过以下三类方式降低表面粗糙度对仪器化压入技术识别弹性模量的影响：一、修正接触深度，该方法需要在压入过程中准确获取压入凹陷或压入凸起的高度，这在工程现场难以实现；二、平移载荷-深度曲线，该方法中载荷-深度曲线的平移距离取决于材料特性和压头尖端几何形状；三、利用平压头降低测试区域局部的表面粗糙度，该方法在实际操作过程中需要使用数千牛的载荷。上述方式均不适合便携式压入仪在金属服役结构表面进行仪器化球形压入测试。因此针对工程现场进行的原位仪器化球形压入测试，需提出一种能有效降低表面粗糙度对球形压入识别弹性模量影响的修正方法。

技术实现思路

1、鉴于现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种降低表面粗糙度对球形压入识别弹性模量影响的修正方法，通过修正oliver-pharr方法计算所得的接触投影面积，该修正方法可降低表面粗糙度对测试弹性模量的影响，有效提高oliver-pharr方法计算所得弹性模量的准确度，使测试人员能获得更准确、可靠的测试数据。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种降低表面粗糙度对球形压入识别弹性模量影响的修正方法，包括如下步骤：

4、1)首先利用砂纸对金属材料待测区域进行打磨，对试样待测区域进行分区，并测量待测区域局部的表面粗糙度，所测量的粗糙度类别为均方根偏差sq；

5、2)在金属材料的待测区域进行仪器化球形压入测试，得到载荷-深度曲线，将得到的载荷-深度曲线通过oliver-pharr方法计算得到接触刚度s和接触投影面积a；

6、3)将2)步骤中的接触刚度s和接触投影面积a代入到oliver-pharr方法计算弹性模量的公式中，具体如公式1所示，并结合公式2可计算得到弹性模量；

7、

8、其中，er是折合模量；

9、

10、其中，e是弹性模量，ν是被测试样的泊松比，ei和νi分别是球形压头的弹性模量和泊松比；

11、4)通过有限元仿真软件的模拟，建立与金属材料待测区域表面粗糙度相关的修正系数λp，如公式3所示，

12、

13、通过将修正系数λp引入到oliver-pharr方法计算弹性模量的公式1中，可有效降低表面粗糙度对识别弹性模量引起的影响，引入后形式如公式4所示；

14、

15、将1)步骤得到的均方根偏差sq代入到公式3中，计算得到修正系数λp的具体数值，同时将2)步骤得到的到接触刚度s和接触投影面积a代入公式4中，结合公式5，可计算得到修正后的弹性模量；

16、

17、其中，epp-c是修正后的弹性模量。

18、进一步地，1)步骤中表面粗糙度均方根偏差sq通过商用便携式粗糙度测量仪和经验公式计算得到；将均方根偏差sq与球形压头的比值记为归一化粗糙度，其中归一化粗糙度的范围为1.34×10-3≤sq/r≤2.6×10-3。

19、进一步地，2)步骤中接触刚度s是通过拟合卸载曲线的前50％～95％的数据所得；将压入深度和球形压头的比值记为仪器化球形压入测试的归一化压入深度，其中，该修正方法要求归一化压入深度不超过5％。

20、进一步地，4)步骤中修正系数λp建立过程如下：

21、a.通过激光共聚焦显微镜扫描获取试样粗糙表面的三维形貌信息，在有限元软件comsol中将上述的形貌信息通过插值的方式重构出粗糙表面，并通过布尔操作构建具有真实粗糙表面的三维部件；将该部件导入到商用有限元软件abaqus中，构建用于模拟球形压入的有限元模型；

22、b.利用有限元模型对金属材料进行仿真，将有限元模型中弹性模量的输入值作为约定真值，在相同的归一化压入深度下，选择同一模型粗糙表面的九处位置进行数值模拟，利用oliver-pharr方法处理仿真结果，并计算弹性模量的均值，在具有不同的归一化压入深度和归一化粗糙度的仿真结果中，重复上述步骤；

23、c.计算弹性模量均值与约定真值的比值，并将该比值作为表面粗糙度的修正系数；根据数值模拟的结果发现该修正系数可用归一化压入深度和归一化粗糙度进行表示，如公式6所示：

24、

25、其中,λ是针对表面粗糙度的修正系数，h/r是归一化压入深度，sq/r是归一化粗糙度；

26、d.部分工程材料在压入过程中呈现压入凸起，当归一化压入深度不超过5％时，压入凸起对识别弹性模量产生的误差与归一化压入深度之间的关系如公式7所示：

27、

28、其中，ee是压入凸起对识别弹性模量产生的误差；为同时消除表面粗糙度和压入凸起的影响，可将修正系数表达式改写为如公式8所示：

29、

30、其中λp是可以同时降低表面粗糙度和压入凸起影响的修正系数。

31、进一步地，a步骤中选取aa 7075、aa 2014作为仿真材料，仿真的归一化压入深度选为1％、3％、5％、7％和10％。

32、与现有技术相比较，本发明的有益效果如下：

33、1)采用本发明的修正方法，可以有效修正在粗糙表面进行仪器化球形压入测试时，通过oliver-pharr方法计算得到的接触投影面积，使其在数值上更加接近真实数值，有利于提高基于接触投影面积识别得到的力学参量准确度；

34、2)采用本发明的技术方案，在工程现场对服役部件的粗糙表面进行球形压入测试时，通过使用该修正方法，可降低表面粗糙度对测试弹性模量的影响，有效提高oliver-pharr方法计算所得弹性模量的准确度，使测试人员能获得更准确、可靠的测试数据。

技术特征：

1.一种降低表面粗糙度对球形压入识别弹性模量影响的修正方法，其特征在于包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种降低表面粗糙度对球形压入识别弹性模量影响的修正方法，其特征在于1)步骤中表面粗糙度均方根偏差sq通过商用便携式粗糙度测量仪和经验公式计算得到；将均方根偏差sq与球形压头的比值记为归一化粗糙度，其中归一化粗糙度的取值范围为1.34×10-3≤sq/r≤2.6×10-3。

3.根据权利要求1所述的一种降低表面粗糙度对球形压入识别弹性模量影响的修正方法，其特征在于2)步骤中接触刚度s是通过拟合卸载曲线的前50％～95％的数据所得；将压入深度和球形压头的比值记为仪器化球形压入测试的归一化压入深度，其中，该修正方法要求归一化压入深度不超过5％。

4.根据权利要求1所述的一种降低表面粗糙度对球形压入识别弹性模量影响的修正方法，其特征在于4)步骤中修正系数λp建立过程如下：

5.根据权利要求1所述的一种降低表面粗糙度对球形压入识别弹性模量影响的修正方法，其特征在于a步骤中选取aa 7075、aa 2014作为仿真材料，仿真的归一化压入深度选为1％、3％、5％、7％和10％。

技术总结
本发明公开了一种降低表面粗糙度对球形压入识别弹性模量影响的修正方法，经数值模拟发现，在粗糙表面进行仪器化球形压入测试时，压头与试样接触区域的投影面积会根据压入位置和表面粗糙度数值的不同而发生改变，且普遍小于Oliver‑Pharr方法计算得到的接触投影面积。因此通过修正Oliver‑Pharr方法计算所得的接触投影面积，可以有效降低表面粗糙度对识别弹性模量产生的误差，提高弹性模量的测量准确度。

技术研发人员：彭光健,刘煜
受保护的技术使用者：浙江工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14