基于激光干涉技术的压痕残余应力测试方法研究

Residual stress is vital to designing, surface modification and life assessment of engineering materials and structures. To meet the demand of residual stress measurement in engineering and development of experimental methods and techniques, this project aims to develop indentation measurement method of residual stress based on laser interference technique. Research priorities include: 1) mechanism of residual stress measurement during indentation based on in situ measurement of indentation countor and relation of force and displacement, its corresponding influence factors and calculation models of residual stress based on multi-factors including indentation contour. 2) micro-scale shearography technology and its corresponding measurement system for the high-resolution measurement of indentation contour. 3) characterization and measurement of residual stress of materials, such as copper, superalloy, and so on, based on theoretical models and experimental measurement, and applications to others engineering materials and structures. The project will not only propose novel experimental methods and techniques, and expand the application of indentation technique, but also contribute to provide new ways for residual stress measurement of engineering materials and structures

工程材料与结构中的残余应力对于产品设计、表面改性和寿命评估等至关重要。本项目以残余应力测试工程需求为牵引，发展实验力学方法和技术，建立基于压痕形貌原位测量的残余应力测试方法和技术，研究内容主要包括：1）研究基于压痕载荷-位移曲线和压痕形貌原位表征的残余应力测试机理，分析相关影响因素，同时建立基于压痕形貌等多参量的残余应力计算模型；2）研究微尺度剪切散斑干涉法，建立相应的测试系统，高精度地原位表征压痕形貌；3）理论与实验相结合，实现单晶铜、高温合金等材料中的残余应力快速、准确的测量与表征，并逐步应用于其他工程材料与结构的残余应力测试研究。本项目的研究，不仅可以提供新的实验方法和技术，拓展压痕法的应用范围，同时也为工程材料与结构的残余应力测试提供新的途径。

工程材料与结构中的残余应力对于产品初期的设计、中期的使用状况和后期的服役寿命评估提供重要的参考价值。因此，开展残余应力测试方法和技术研究，不仅具有重要的科学意义而且具有很强的工程应用价值。本项目研究了压痕形貌原位表征的残余应力测试机理，分析了基于压痕相貌的残余应力测试灵敏度，结果表明，球形压头的隆起高度对残余应力具有更高的敏感性，提出了基于压痕隆起高度直接测量残余应力的思路。分析了基于压痕相貌的残余应力测试过程中，材料参数对隆起高度的影响，明确了基于压痕隆起高度的残余应力测量方法的适用对象。结果表明，材料硬化指数和弹性模量是制约本研究适用材料的两个重要因素，硬化指数大于0.3或弹性模量超过400GPa的材料不建议使用本方法；另外，表面以下超过0.6mm深度的残余应力对表面的隆起高度几乎无影响。设计了可实现任意二向应力状态的加载装置，搭建了实验测试平台，压痕实验结果表明，通过一次测量即可获得任意二向应力状态下三个参数（主应力大小和方向），其中应力方向需要根据压痕形貌轮廓云图进行判断；两个主应力方向上的隆起高度与模型预测具有较好的一致性，实验误差不超过10%。研究了微尺度变形测量中显微镜镜头畸变引起的测试误差及其矫正方法，结果表明，采用散斑平移误差矫正后能够消除60%的位移测试误差；采用光栅点阵误差矫正后能过消除97%的位移测试误差。本项目的研究成果将为压痕法的发展和应用注入新的活力；同时为材料和结构残余应力检测提供一种新的有效途径。除此以外，本项目所提出新技术也可以进一步推广应用于其它新型材料与结构的微尺度力学行为研究。