压痕法残余应力测试
采用显微硬度压痕法测量微区残余应力
采用显微硬度压痕法测量微区残余应力陈超,潘春旭,傅强(武汉大学物理科学与技术学院,声光材料与器件教育部重点实验室,湖北武汉430072)摘 要:测量材料微区残余应力的大小和分布,对于研究微观断裂机制具有非常重要的意义,一直是研究的热点和难点。
尝试利用常规的维氏显微硬度压痕法研究和测量了材料中微米级微区的残余应力,推导出了残余应力与压痕面积比之间的理论公式,并选取低碳钢、紫铜和铝合金等三种具有不同性能的薄板材料,利用“三点弯曲”人为“原位”引入应力,通过试验测量对该方法进行了验证,并与原有的理论和方法进行了对比。
结果表明:该测量方法测量准确。
关键词:残余应力;显微硬度;压痕;弯曲中图分类号:TB302.5 文献标识码:A 文章编号:100023738(2007)0120008204Micro2residual Stress Measurement Using Vickers Micro2indentationCHEN Chao,PAN Chun2xu,FU Q iang(Wuhan University,Wuhan430072,China)Abstract:The measurement of the value and distribution for micro2residual stress in materials was crucial and difficult for micro2f racture theory.A regular Vickers micro2indentation for evaluating the micro2residual stress in micron2range was introduced.Three common metals including mild steel,copper and aluminum alloy were used in the experiment,and residual stresses were induced“in2situ”by using three2point bending.The results show that the present measurement is accurate.K ey w ords:residual stress;micro2hardness;indentation;bending0 引 言残余应力的传统测量技术一般分为具有一定损伤性的机械释放测量法和非破坏性无损伤的物理测量法[1],其中又以盲孔法和X射线衍射法较为成熟。
压痕法残余应力测试
压痕法残余应力测试压痕法残余应力测试是一种常用的测试方法，用于评估材料表面的残余应力。
在材料制备或使用过程中，由于各种因素的影响，材料内部会形成一定的应力场。
这些残余应力可能会影响材料的性能和寿命，因此了解和控制残余应力对于材料工程来说非常重要。
在进行压痕法残余应力测试时，首先需要在待测试材料的表面施加一个样品尺寸相对较小的压痕。
这个压痕通常采用金刚石压头或硬质球体进行，因为金刚石具有较高的硬度和刚性，能够施加较大的压力而不易变形。
通过压痕产生的弹性变形和塑性变形，可以间接地测量出残余应力的大小和分布情况。
压痕法残余应力测试的原理是基于弹性力学和塑性力学的基本理论。
在施加压痕之前，材料表面是没有残余应力的。
但是，由于压痕会引起材料的局部弹性变形和塑性变形，会在其周围产生一定的应力场。
这些残余应力是由变形过程中的弹性回复和塑性留下的位错等缺陷引起的。
通过测量压痕的大小和形状以及周围材料的变形情况，可以计算出残余应力的大小和分布情况。
通常，在进行压痕法残余应力测试时，会使用光学显微镜或扫描电子显微镜等设备对压痕进行观测和测量。
通过分析压痕的几何形状参数，结合合适的数学模型和理论，可以得到残余应力的精确值。
压痕法残余应力测试在材料科学和工程的许多领域中得到了广泛的应用。
它可以用于评估不同材料的制备工艺对残余应力的影响，以及不同材料在使用过程中的变化情况。
压痕法残余应力测试还可以用于研究材料的应力分布和应力引起的变形行为，进一步理解材料的力学性能和行为规律。
总结回顾起来，压痕法残余应力测试是一种基于压痕的方法，用于评估材料表面的残余应力。
通过测量压痕的大小和形状，以及分析周围材料的变形情况，可以计算出残余应力的大小和分布情况。
这项测试在材料科学和工程领域具有广泛的应用，对于了解和控制材料的残余应力非常重要。
在本次的文章中，我们介绍了压痕法残余应力测试的基本原理和测试方法。
通过这项测试，可以评估材料表面的残余应力，进一步了解材料的性能和寿命。
压痕法测试金属材料力学性能理论
下压过程
为了确定的临界点，应该分析压 痕试验的全过程，在压痕试验中，随 着载荷不断增加，压头下逐渐形成一 个塑性区域，塑性区域不断增加直到 该区域扩展到接触表面。
材料的表面开始出现塑形区域
24
塑形区域不断扩大(c/a ↑)
c/a
a
c
h* h
a
h*
c
材料出现完全的塑形区域
假设
(c/a 不变)
随着塑性区域的不断增大，塑性区
最后，可以研究不稳定裂纹在发生完全塑性变形时，裂纹 的扩展能量与压头下材料发生完全塑形变形时压痕能量，存在 何种关系。
能量等效过程
KJC
JC E
(1 2)
J = 裂纹扩展所需的能量 C 压痕法所测试等效的断裂能量
分析材料在压头下变化情况
通过分析压头下应力场来确定他们之间的联系。在压痕试验中， 等效的断裂能量与裂纹扩展所需的能量存在一定的联系。因此，如 何确定临界压痕点所具有的断裂能是关键。
结束
在压痕试验过程中，压 头下的材料伴随着弹性变形 和塑性变形，在确定压痕深 度的过程中，必须考虑挤出 和凹陷现象。通过接触力学 的方法确定弹性变形的深度
hd:
hd
Lmax S
Lmax是载荷-深度曲线上的最大载荷， ε是压头形状参数。这里S是刚度， 即初始卸载曲线的斜率。
塑性变形与弹性变形的分析不尽相同，在塑性变形区域中，
max
(3) 绘制Pm-h 曲线
- 每一个卸载深度时的平均压力
pm
Lmax ac 2
Pm - h curve
1500
Pc m
1000
500
h*
(4) 确定 h*
- 通过Pm-h曲线在 Pmc 确定深度
化工设备残余应力无损检测方法
化工设备残余应力无损检测方法发布时间：2021-07-05T17:18:54.650Z 来源：《基层建设》2021年第10期作者：刘智[导读] 摘要：残余应力可导致金属材料发生应力腐蚀开裂、疲劳寿命下降等问题，是设备失效的主要诱因之一。
陕西西宇无损检测有限公司摘要：残余应力可导致金属材料发生应力腐蚀开裂、疲劳寿命下降等问题，是设备失效的主要诱因之一。
据统计，应力腐蚀开裂造成的设备事故在整个石化设备腐蚀破坏事故中的比例高达50%左右。
化工设备制造过程中的焊接等工艺将产生明显的残余应力，是生产环境下焊接接头失效的重要诱因。
化工设备在焊接后通常会进行整体或局部热处理以降低有害的残余拉应力，但一般不会对处理后的残余应力进行检测，难以保证处理的有效性。
因此，选择适用于化工设备的残余应力测量方法，可根据应力值评估设备的安全风险，指导、评价残余应力的处理和改善，对提高设备的安全性能和使用寿命具有重要意义。
关键词：化工设备；残余应力；无损检测引言残余应力检测方法可分为有损方法和无损方法两大类。
有损检测方法是指移除被测对象的部分材料使残余应力得到释放，通过测量产生的应变实现残余应力的检测，包括剥层法[2]、全应变释放法、环芯法和钻孔法等。
但该类方法对材料会产生不同程度的破坏，对于安全性要求较高的化工设备难以应用。
因此，对于化工设备尤其是在用设备的残余应力，一般选择无损方法进行检测。
目前，已有部分学者对各类残余应力检测方法进行了综述和比较[6-8]，但并未结合化工设备的实际检测条件进行分析和评估。
本文结合化工设备的特点和实际应用情况，分析了化工设备对残余应力检测方法的具体要求，对现有方法的技术特点和适用工况进行了整理和总结，并对化工设备残余应力的检测方案进行了探讨。
1无损检测技术概述无损检测技术是一种在不损坏被检测对象使用性能及结构特征的前提下，借助声、光、电、磁等介质对被检测对象中是否存在结构缺陷或者材质不均匀等问题进行检测，并将缺陷的大小位置等信息进行判定显示的检测技术。
纳米压痕测残余应力的原理
纳米压痕测残余应力的原理
纳米压痕测残余应力是一种用于测量材料表面或薄膜中残余应力的方法。
其原理基于材料受压后产生的弹性变形。
下面是一种常见的纳米压痕测残余应力的原理：
1. 硬度与残余应力关系：纳米压痕技术中使用的压头通常是针对性材料的圆锥或棱柱形状，通过将压头接触到材料表面并施加一定的负载来进行实验。
当负载超过材料的弹性极限时，材料会发生塑性变形并留下一个压痕。
2. 压痕形状分析：通过观察和测量压痕的形状和尺寸参数，可以推导出材料的硬度。
压痕的形状受到材料的力学性质、压痕深度和压头形状等因素的影响。
3. 弹性恢复的测量：在施加负载后，当负载减小或卸去时，材料会发生一定程度的弹性恢复。
通过测量压痕的弹性恢复行为（包括压痕直径、卸载弹性深度等参数），可以计算出残余应力。
4. 本构关系：利用材料的本构关系（描述应力与应变之间的关系），可以将弹性恢复行为转化为应力的变化。
然后可以通过解析方法或数值方法来计算残余应力。
纳米压痕测残余应力的优点在于它能够对材料表面的应力分布进行快速、准确的测量，并且对样品的尺寸要求较低。
然而，纳米压痕测量也存在一些限制，包括对材料的特定形状和力学性质的要求，以及测量过程中可能引入的误差等。
显微硬度压痕法测量焊接微区残余应力
髓源工程焊接国际论坛ＩＦＷＴ２００５动转塔显微硬度计进行测量。
压痕大小测量在荷兰ＦＥｌ公司的Ｓｉｒｉｏｎ型场离子发射枪高分辨扫描电镜（ＳＥＭ）上进行，在高倍下精确测出压痕的面秘比，，这比般的光学会相品微镜的测量精度要高得多。
３实验结果及讨论３．１显微压痕与残余应力的关系图５是纯铜片样品经二点弯曲后受拉伸应力部位的显微硬度压痕和未弯曲时的同一区域乐痕的形貌特征。
可以看Ⅱｊ纯铜片被弯曲之后，表面产生了大量孪晶和滑移带，说明此处有较大的应力集中，如图５ａ所示。
与无变形的区域相比，有孪晶和滑移带区域的压痕并没有明显的增大趋势，但是其面积比Ｃ。
有较人的变化。
由测量可知，有变形和应力集中时产为１，０８０８５，无变形时∥为０９７０１ｌ。
可见，残余戍力对压痕面积影响并不是很大，而是很大程度影响Ｊ．压痕的面积比。
ａ）有批应力集ｒｆｌ区域的乐痕ｂ）无扣应力集巾区域的压痕图５纯铜中拉伴残余应力时压痕朐影响图６显示出随着弯曲度的增大，每次弯曲后得到的硬度值基本上是不变的。
这与Ｏｌｉｖｅｒ所得结果相符‘７一Ｉ，也说明我们的面积测量方法是准确的。
另外，Ｃａｒｌｓｓｏｎ等人”’”１也指出硬度只与残余应变有关，而与残余应力几乎无关，图６巾的曲线显示硬度几乎不变，可知在弯曲后产牛＾的残余应变极小，其值为常数。
在Ｃａｒｌｓｓｏｎ和Ｓｔｔｒｅｓｈ口’９１”１的研究中发现，当材料中存在拉伸残余应力时，压痕的面积比会小十没有残余应力时的面积比。
即面积比随着拉伸残余应力的增人而减小。
这是由ｆ其压痕的面积是根据加载卸载曲线获得的，主要由乐入深度ｈ决定，当存在批应力时，压痕的四周产生凹陷（Ｓｉｎｋ．ｉｎ）或凸起（Ｐｉｌｅ－ｕｐ）减小，造成真实面积Ａ［Ａ＝４ｈ２／（ｔａｎ２２。
）２】减小，从而得到的面积比减小。
而在本实验中，压痕面积比随着弯曲度的增大ｌ叮增大，压痕面积比随着弯曲度变化而呈线性变化，如图７所示。
这是由于我们的压痕面积测鼍是根据眶痕的‘个俯视图得到的（见图４）。
KS B 0951 钢焊接部位仪器化压痕试验-残余应力测量
计量及检测分会审议委员名单姓名工作单位职务(董事长) 郑秀日韩国仁荷大学产业工程系教授(委员) 金英卓中央大学机械工程系教授苏成信（株）三星设计质检组次长李贵顺产业技术试验院精密仪器检测组责任研究员郑庆秀韩国先进技术认证协会技术理事玄东勋韩国产业技术大学机械工程系教授（专职委员）郑锡元韩国计量检测协会技术事业部部长李光英韩国机械优化试验研究院计量鉴定部部长安钟灿韩国标准科学研究院标准推广中心部长（干事）朴柱承技术标准院支柱产业技术标准部材料部件标准科柳用宰技术标准院支柱产业技术标准部材料部件标准科起草：技术标准院制定：2005年5月3日技术标准院第2005-0237号原稿起草协助方：产业标准审议委员会计量及测试分会审议分会：产业标准审议委计量及测试分会（会长郑秀日）如对本标准有意见或疑问，请联系技术标准院产业技术标准部材料部件标准科。
韩国产业标准是根据产业标准化法第七条所规定，每5年在产业标准审议会上审议、确认、修改或废除。
韩国产业标准钢焊接部位仪器化压痕试验-残余应力测量Instrumented indentation tests on welds in steel－Measurement of residual stress on welded joints序文本标准是以仪器化压痕法测量钢焊接部位（金属融化焊接部及热影响部）残余应力而2005年制定的韩国产业标准。
仪器化压痕试验相关的标准有定义压痕弹性模量，压痕曲线等的KS B ISO 14577－1标准和测量压痕拉伸性能的KS B 0950标准。
1.适用范围：本标准规定，以维氏压头和球形压头压入试样时测量压痕载荷和压痕深度的仪器化压痕试验测量钢焊接部位表面焊接残余应力的测试方法。
这个标准适用于宏观范围的载荷（参考KS B ISO 14577－1表1）中2 N以上3 kN以下的载荷范围。
本标准是一种利用仪器化压痕试验方法测量钢焊接部位焊接残余应力的微创性测量方法，是对在役构件或较小材料等无法取样或不能制作试样的材料的安全性能评价方面具有优势。
未知主应力方向残余应力的压痕应变法测量及其程序设计
（ １ ． Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｍｅ ｔ ａ ｌ Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ａ ｃ ａ ｄ ｅ ｍ ｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ， Ｓ ｈ ｅ ｎ ｙ ａ ｎ ｇ １ １ ０ ０ １ ６ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ； ２ ． Ｓ Ｉ Ｎ Ｏ Ｈ Ｙ Ｄ Ｒ ０ Ｂ ｕ ｒ ｅ ａ ｕ １ Ｃ ｏ ． ， Ｌ ｔ ｄ ． ， Ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｃ ｈ ｕ ｎ １ ３ ０ ０ ６ ２ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
（ 称附加应力场） 与构件 中原始 的残余应力场 的
叠加， 根 据叠 加前 后 应 力 场 在压 头 周 围弹 性 区 引
起的应变的变化 （ 称为应变增量 ） 计算 出原始残 余应 力 ’ ］ 。 压痕应变法测量残余应力有两条基本的试验 规律 ： 相 同尺寸的压痕在残余应力场 的主应力方 向上产生的应变增量与原始残余主应变成正 比； 在相同的残余应力场 中， 主应力方 向上距压痕中
变增 量 ， 然后 依 据 事 先标 定 得 到 的弹 性 应 变一应
进行标定试验。将待标定 的材料加工成 ５ ０ ０ ｍ ｍ × ６ ０ ｍ ｍ ×１ ６ ｍ ｍ 的试板 ， 然 后 进行 退 火 处理 ， 去
变增量关系反推 出该处的应变 ， 从而计算 出残余 应 力 。上述测 量 的关键 是 由测得 的应 变增 量反 推
ｒ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｕ ｎ ｋ ｎ ｏ ｗｎ ｈ ａ ｓ ａ ｂ ｅ ｔ ｔ ｅ ｒ ｐ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｃ ｌｉ ａ ｔ ｙ ａ ｎ ｄ ｉ ｔ ｓ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ａ ｈ ｉ ｇ ｈ ｅ ｒ ａ ｃ ｃ ｕｒ ａ ｃ ｙ ．
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压痕法残余应力测试
一、什么是压痕法残余应力测试？
压痕法残余应力测试是一种非破坏性的材料力学测试方法，用于测量
材料表面的残余应力。
该方法通过在材料表面制作一个微小的凸起，
然后测量凸起周围的表面形变来计算出该区域的残余应力。
这种测试
方法可以用于各种材料，包括金属、陶瓷、塑料等。
二、压痕法残余应力测试原理
1. 原理概述
压痕法残余应力测试是通过对材料表面进行微小的变形来测量其残余
应力。
当在材料表面施加一定大小的载荷时，会形成一个微小的凸起。
这个凸起周围会产生一定程度的塑性变形，从而导致该区域内存在着
残余应力。
2. 测试步骤
压痕法残余应力测试主要分为以下几个步骤：
（1）选择适当的载荷和工具尖头；
（2）将工具尖头放置在待测材料表面上，并施加一定大小的载荷；
（3）卸载载荷并移除工具尖头；
（4）测量凸起周围的表面形变，并根据形变计算出残余应力。
三、压痕法残余应力测试的应用
1. 应用领域
压痕法残余应力测试可以用于各种材料的残余应力测量，特别是对于那些难以进行传统拉伸或压缩测试的材料，如薄膜、涂层等。
该测试方法在金属、陶瓷、塑料等行业中得到广泛应用。
2. 应用案例
（1）汽车工业：在汽车发动机活塞环上使用该方法来检测其表面的残余应力，以确保其正常工作并延长使用寿命。
（2）航空航天工业：在航空航天部件上使用该方法来检测其表面的残余应力，以确保其安全可靠。
（3）电子行业：在电子元器件上使用该方法来检测其表面的残余应力，以确保其性能和可靠性。
四、压痕法残余应力测试的优点和局限性
1. 优点
（1）非破坏性：与传统拉伸或压缩测试相比，压痕法残余应力测试不会对材料造成破坏。
（2）简便易行：该测试方法只需要一些简单的工具和设备就可以完成，不需要复杂的仪器和设备。
（3）适用范围广：该方法适用于各种材料，包括金属、陶瓷、塑料等。
2. 局限性
（1）精度受限：由于测量的是表面残余应力，因此该测试方法的精度受到表面形貌和材料性质的影响。
（2）局部性强：由于测量的是一个小区域内的残余应力，因此该测试方法不能反映整个材料内部的应力分布情况。
（3）数据处理复杂：由于该测试方法需要进行数据处理和计算，因此需要一定的专业知识和技能。
五、结论
压痕法残余应力测试是一种非常有用的测试方法，可以用于各种材料表面残余应力的测量。
虽然该方法存在一些局限性，但其优点明显，已经在许多领域得到了广泛应用。