基于能量法的压痕硬度和残余应力测试原理、方法和实验研究

• 作 者: 金宏平
• 发表日期: 2012年期
• 关键词: 压痕 能量法 硬度 残余应力 球压头

核主泵是核电装备的核心部件,表面硬化和残余应力是影响泵壳表面完整性的重要因素。因此,探索和发展压痕硬度与残余应力的压痕检测技术和方法,具有实际意义和学术价值。本文主要通过对压痕过程进行理论分析、有限元仿真和实验相结合,分析材料特性、压痕参数和残余应力对压痕响应的影响,研究基于能量法的压痕硬度和残余应力的测试原理和方法。基于Hertz接触理论和von Mises屈服准则,依据有限元仿真,建立了接触力与接触半径和接触深度间的半解析模型。根据球冠理论,推导了应力、应变和静水压力的解析公式。系统分析了材料特性、压痕参数和残余应力对材料堆积/沉陷的影响,建立了等效应变与材料堆积/沉陷的拟合函数关系。通过对球形接触过程的量纲分析和有限元仿真,建立了压痕硬度、压痕功与材料性能和压痕参数之间的关系,提出了基于能量法的压痕硬度测量方法,并进行了实验验证。通过对载荷一位移曲线的分析,实现了残余应力功的分离,根据Hertz接触理论,建立起压痕功与残余应力之间的解析模型。根据残余应力对压痕功与等效应变之间关系,提出了基于等效应变的残余应力的能量测量方法,并给出了求解算方法。通过在改造后的慢应变试验机上对对典型材料的压痕实验对比,验证了所提方法的有效性,其精度可以满足工程应用的需要。本文以接触力学和弹塑性力学为理论基础,通过理论分析、有限元仿真,对压痕接触过程的压痕响应进行分析,建立基于能量法的压痕响应与硬度和残余应力之间的约束求解模型。根据该模型可以快速有效的测量材料的压痕硬度和残余应力,为构件的表面完整性和剩余寿命的评价提供了强有力的保障。