微结构三维残余应力拉曼测量理论与技术及其应用

Micro-Raman spectroscopy, which is sensitive to both the intrinsic and the extrinsic stresses of the materials, is one of the most potential methods of the micro-scale experimental mechanics. For the quantitative analysis of stress state and its space distribution, however, this method still has two key scientific problems to resolve in the basic measurement theory and application technology. The one is namely "the complex stress state of tensor resolution measurement theory", and the other is "the measurement technology of three dimensional stress components". This project intends, under the support of the national natural science foundation, to develop the measurement theory and technology of three dimensional residual stresses. For the precise characterization of processing residual stress distribution and the change in engineering microstructure, the Raman stress analysis method with depth resolution will be developed by constructing a complete set of analytic theory to distinguish all the components of the stress tensor, and then presenting a new technology for the three dimensional measurement of residual stresses in microstructures. The methodology studied in this project may realize the online measurement and analysis for the three dimensional gradient residual stress fields, and their processing- sequence evolution, in the microstructure/micro-area.

微拉曼光谱技术具有对材料本征与非本征应力精细测量的特点，是一种具有发展潜力的微尺度实验力学测试新技术。然而，目前该方法对于应力状态及其空间分布的定量分析，在测量基础理论和应用技术方面尚需着力解决"复杂应力状态的张量分辨测量理论"和"三维空间分辨测量技术"两个关键性科学问题。本项目拟在国家自然科学基金的支持下，面向工程微结构工艺残余应力分布及其变化的精细表征，发展三维拉曼残余应力测量理论与技术。通过构建较为完备的张量分辨三维拉曼残余应力测量理论，发展可实现深度分辨的拉曼应力分析方法，进而建立三维空间解析的拉曼残余应力测量技术，并最终实现微结构/微区域任意应力状态的三维梯度残余应力场及其工艺时序演化的在线精细测量与分析。

微拉曼光谱技术具有对材料本征与非本征应力精细测量的特点，是一种具有发展潜力的微尺度实验力学测试新技术。然而，目前该方法在测量基础理论和应用技术方面尚需着力解决一些关键性科学问题。本项目在国家自然科学基金的支持下，面向微结构工艺残余应力分布及其变化的精细表征，发展拉曼残余应力测量理论与技术，在构建张量分辨的拉曼残余应力测量理论、发展拉曼残余应力测量技术、微结构/微区域任意应力状态的梯度残余应力场及纳米复合材料多尺度力学行为的精细测量表征三个主要方面取得了较为突出的学术进展。.1.建立了六方纤锌矿型晶体的拉曼频移-应力张量分量理论关系式，为用拉曼光谱法测定纤锌矿型晶体残余应力分量奠定了理论基础；开展了氧化锌材料应力张量-拉曼频移系数矩阵的实验标定，进而确定出了氧化锌材料应力分量-拉曼频移定量关系式，为氧化锌材料复杂应力状态残余应力的拉曼测量提供了理论依据。.2.提出了运用拉曼光谱技术测量纤锌矿材料晶体学方向（欧拉角）的实验方法，解决了拉曼残余应力测量中确定晶体取向的难题；开展并完成了可实现平行、交叉线偏振方向连续控制的偏振控制装置的设计和加工；研制了大量程的微拉曼光谱仪显微载物台用拉/压加载装置。.3.开展了氧化锌单晶三角形压痕区梯度残余应力分布的拉曼测量与分析；发展了面向多物理量协同测量的拉曼光谱全谱形分析方法；提出了一种基于微拉曼光谱技术的针对多级结构变形测量的多尺度实验方法，并开展了碳纳米管纤维和薄膜材料的多尺度力学行为的精细测量与分析。. 在本项目支持下，共计发表（含收录待发表）学术期刊论文12篇，其中SCI检索论文4篇；申请专利3项。参加国际学术会议6人次，国内重要学术会议3人次，到国外高校开展一年期学术合作研究1人次，培养研究生3名（已毕业1名），项目负责人入选天津市“131”创新型人才培养工程。