本發(fā)明公開了一種基于顯微硬度壓痕距離變化的表層內(nèi)應(yīng)力測量方法，涉及機(jī)械工程中應(yīng)力測量方法技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

如今已有的內(nèi)應(yīng)力測量技術(shù)主要分為破壞性方法，非破壞性方法以及微破壞性方法。各種測量法各有自身的優(yōu)缺點(diǎn)，其所能測量的深度范圍不一，在不同的場合需要根據(jù)具體的需要選擇正確的測量方法。根據(jù)內(nèi)應(yīng)力自身的性質(zhì)，可以將其劃分為微觀內(nèi)應(yīng)力和宏觀內(nèi)應(yīng)力。微觀內(nèi)應(yīng)力主要是在材料的晶粒內(nèi)部存在的內(nèi)應(yīng)力,其測量主要依賴于無損測量法，即非破壞性方法，且在垂直于零件表面的方向上的應(yīng)力能夠一定程度地得到確定。微觀內(nèi)應(yīng)力的測量過程是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，其需要昂貴的儀器和受到專業(yè)訓(xùn)練的技術(shù)人員才能完成操作。

目前X射線衍射法是使用較多的一種測量微觀內(nèi)應(yīng)力的方法，在汽車和航空領(lǐng)域其已經(jīng)有半個(gè)世紀(jì)的使用歷史，該方法在基于材料的線彈性基礎(chǔ)上，測量由內(nèi)應(yīng)力引起的晶粒內(nèi)部所發(fā)生的畸變。X射線衍射法是一種純粹的非破壞性方法，但是其使用存在一定的局限性，該方法要求被測材料必須有較規(guī)則的晶粒，且該方法的測量結(jié)果會受到被測工件表面粗糙度和晶粒尺寸的影響，這在沙模鑄件的測量中是不得不考慮的一個(gè)問題。

由于X射線對于工業(yè)常用金屬的穿透力很淺，通常只有數(shù)微米，因此若要測量在零件深度方向上的內(nèi)應(yīng)力，必須對零件進(jìn)行剝層去除材料，這就使得X射線法的非破壞性的優(yōu)點(diǎn)被打破。

另一種基于材料晶粒位錯(cuò)位移內(nèi)應(yīng)力測量技術(shù)為中子衍射法，該方法所需要的設(shè)備非常昂貴，只有極少的實(shí)驗(yàn)室和研究機(jī)構(gòu)擁有，而且由于該方法得到的是被測區(qū)域的內(nèi)應(yīng)力的平均值，因此其分別率不是很高，對于微觀內(nèi)應(yīng)力的測量該方法會顯得較為困難。

其他的無損檢測方法包括磁性法和超聲波法，磁性法是一種比較簡答的方法，其根據(jù)零件在受力狀態(tài)下其磁性會發(fā)生一定的變化的特征進(jìn)行測量，該方法可以用來測量雙軸應(yīng)力。另一種磁性法利用巴克豪森效應(yīng)，通過測量與磁性成比例的電動勢的變化從而確定內(nèi)應(yīng)力值。磁性法的局限性為其只能測量磁性材料，而磁性對于微結(jié)構(gòu)的變化很敏感，因此在每次測量之前都必須對其磁性進(jìn)行校準(zhǔn)。

超聲波法主要利用材料在受力狀態(tài)下超聲波在其內(nèi)部的傳播速率會發(fā)生變化的這一特點(diǎn)確定內(nèi)應(yīng)力值，該方法的缺點(diǎn)為其測量結(jié)果相對于被測材料的微結(jié)構(gòu)具有一定的不規(guī)則性。

宏觀內(nèi)應(yīng)力的分布遠(yuǎn)大于材料的晶粒尺寸，在設(shè)計(jì)和破壞分析中宏觀內(nèi)應(yīng)力往往是主要的考慮對象。當(dāng)前測量宏觀內(nèi)應(yīng)力的最為直接有效且方便、便宜的方法為鉆孔法，通過鉆孔 去除材料使得內(nèi)應(yīng)力得到部分釋放，通過測量此過程中孔周邊的應(yīng)變的變化從而算得材料內(nèi)部的值。鉆孔法本身所存在的缺點(diǎn)為其自身具有一系列的不確定性，例如應(yīng)變值的測量，鉆孔的同心性，鉆孔直徑的大小以及鉆孔的深度等，鉆孔會對零件造成一定程度的破壞，且零件的表面必須要進(jìn)行一定程度的處理使得應(yīng)變片能夠較為順利地貼于其上，這會對表面應(yīng)力產(chǎn)生一定的影響，盡管是微量的影響鉆孔法最基本的假設(shè)為材料是各向同性的且具有線彈性，同時(shí)其假設(shè)在深度方向上內(nèi)應(yīng)力并沒有明顯的變化，因此若所鉆孔的深度大于孔的直徑，其在很多實(shí)際情況下并不是很有意義，因此鉆孔法往往被描述為半損檢測法。

若需要測量更深部分的內(nèi)應(yīng)力，在20實(shí)際70年代出現(xiàn)的另一種形式的鉆孔法，稱為深孔法，該方法需要首先在被測工件上鉆一個(gè)參考孔，并測量其在深度方向上的直徑的變化，然后在參考孔的周邊再進(jìn)行鉆孔，對參考孔和周邊孔進(jìn)行重新測量，根據(jù)空之間距離的變化計(jì)算得應(yīng)變的變化，該方法可以測得深度為10厘米的內(nèi)應(yīng)力的分布情況，然而該方法得到的結(jié)果與有限元分析的結(jié)果相比，其基本沒有什么相關(guān)性，因此該方法得到的結(jié)果的準(zhǔn)確性還有待商榷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種基于顯微硬度壓痕距離變化的表層內(nèi)應(yīng)力測量方法，其所需的測量設(shè)備低廉，對操作人員沒有嚴(yán)格的要求，且其精度能滿足絕大部分工業(yè)上的要求。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

一種基于顯微硬度壓痕距離變化的表層內(nèi)應(yīng)力測量方法，包括如下步驟：

步驟(1)、在被加工零件表面打下成對的微硬度壓痕；

步驟(2)、測量微硬度壓痕之間的初始距離；

步驟(3)、對零件進(jìn)行去除內(nèi)應(yīng)力處理；

步驟(4)、測量微硬度壓痕之間在指定方向上距離的變化；

步驟(5)、根據(jù)材料的彈性模量、泊松比以及所測得的顯微硬度壓痕之間距離的變化對內(nèi)應(yīng)力值進(jìn)行計(jì)算。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述步驟(5)的計(jì)算方法如下：

X和Y方向的表層內(nèi)應(yīng)力σ₁、σ₂的計(jì)算公式分別為:

σ₁＝-E(Δd₁/d₁+μΔd₂/d₂)/(1-μ²)；

σ₂＝-E(Δd₂/d₂+μΔd₁/d₁)/(1-μ²)；

其中，E和μ分別為材料的彈性模量和泊松比，d₁和d₂分別為壓痕在X和Y方向的初始距離，Δd₁和Δd₂分別為壓痕在X和Y方向的距離的變化。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述步驟(1)中成對的微硬度壓痕之間的距離大于或者等于50mm。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述步驟(2)中，當(dāng)需要測量進(jìn)給方向和切削方向的內(nèi)應(yīng)力時(shí)，設(shè)置兩個(gè)微硬度壓痕的連線與進(jìn)給方向成45°角。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述步驟(3)中去除內(nèi)應(yīng)力的方法為退火處理，在真空爐中進(jìn)行加熱退火，保持指定的時(shí)間之后隨爐冷卻，退火的溫度和時(shí)間要根據(jù)不同的材料進(jìn)行選擇。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述步驟(2)、步驟(4)中，微硬度壓痕的距離通過移測顯微鏡測得。所述步驟(1)中，使用微硬度壓痕儀給被加工零件打下微硬度壓痕。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：本發(fā)明所公開的測量方法操作簡單，所需的設(shè)備價(jià)格低廉，且精度可靠。

附圖說明

圖1為用微硬度壓痕儀在加工后的零件表面留下為硬度壓痕示意圖，并用移測顯微鏡測得其初始距離d₀。

圖2為給零件去應(yīng)力處理后測得其之間的距離d_t相比之前的d₀變小，可以判斷初始內(nèi)應(yīng)力為拉應(yīng)力狀態(tài)。

圖3為給零件去應(yīng)力處理后測得其之間的距離d_c相比之前的d₀變大，可以判斷初始內(nèi)應(yīng)力為壓應(yīng)力狀態(tài)。

圖4為同時(shí)測得在進(jìn)給方向和切削方向的距離的變化，進(jìn)而可以同時(shí)求得兩個(gè)方向的內(nèi)應(yīng)力。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方式，所述實(shí)施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：

根據(jù)顯微硬度壓痕隨著內(nèi)應(yīng)力的變化而發(fā)生的變化，首先可以確定該內(nèi)應(yīng)力是壓應(yīng)力還是拉應(yīng)力。根據(jù)觀察，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)零件的彈性內(nèi)應(yīng)力部分得到釋放時(shí)顯微硬度壓痕的形狀會 發(fā)生一定的變化，其會對本方法的測量精度產(chǎn)生一定的影響。當(dāng)內(nèi)應(yīng)力達(dá)到其彈性極限的百分之四十以上時(shí)材料的硬度會發(fā)生較大的變化，進(jìn)而引起微硬度壓痕產(chǎn)生較大的變形，而當(dāng)其值低于彈性極限的百分之四十時(shí)其對硬度的影響不是很大，因此為了克服該方法上的缺點(diǎn)，本發(fā)明通過測量內(nèi)應(yīng)力釋放前后微硬度壓痕之間距離的變化實(shí)現(xiàn)對內(nèi)應(yīng)力的測量，其主要包括如下步驟：

(1)用微硬度壓痕儀在被測表面打下硬度壓痕。在零件機(jī)械加工(如切削加工)完畢后，在零件的被加工表面打下成對的微硬度壓痕，成對的微硬度壓痕之間的距離要適當(dāng)，通常成對的微硬度壓痕之間的距離不少于50mm，以保證其變化能夠較為準(zhǔn)確地被測得。

用微硬度壓痕儀在加工后的零件表面留下硬度壓痕，并用移測顯微鏡測得其初始距離d₀，如圖1所示；給零件去應(yīng)力處理后測得其之間的距離d_t相比之前的d₀變小，可以判斷初始內(nèi)應(yīng)力為拉應(yīng)力狀態(tài)，如圖2所示；給零件去應(yīng)力處理后測得其之間的距離d_c相比之前的d₀變大，可以判斷初始內(nèi)應(yīng)力為壓應(yīng)力狀態(tài)，如圖3所示。

(2)測量壓痕之間的初始距離。為了能測得零件表面多方向的內(nèi)應(yīng)力，顯微硬度壓痕的布置要比較科學(xué)，最好與被測方向成45°角，若要測量進(jìn)給方向和切削方向的內(nèi)應(yīng)力，只需設(shè)置兩個(gè)微硬度壓痕的連續(xù)與進(jìn)給方向成45°角即可，如圖4所示，可以同時(shí)測得在進(jìn)給方向和切削方向的距離的變化，進(jìn)而可以同時(shí)求得兩個(gè)方向的內(nèi)應(yīng)力。

(3)對零件進(jìn)行去除內(nèi)應(yīng)力處理。通常采取的去內(nèi)應(yīng)力方法為退火，退火的溫度和退火的時(shí)間要根據(jù)不同的材料進(jìn)行選擇，為避免材料表面被氧化后對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，這里可以采取在真空爐中進(jìn)行加熱退火，先將爐內(nèi)空氣抽空，再根據(jù)指定的速率將零件加熱到指定的溫度，并保持指定的時(shí)間，然后隨爐冷卻，完成退火去內(nèi)應(yīng)力的操作。

(4)測量微硬度壓痕之間距離的變化，其需要根據(jù)指定的方向測量該方向上的距離的變化。

(5)根據(jù)材料的彈性模量E，泊松比μ以及所測得的為硬度壓痕之間距離的變化對內(nèi)應(yīng)力值進(jìn)行計(jì)算。圖4中的距離d₁的變化Δd₁可以認(rèn)為有兩個(gè)方面的因素共同作用而引起，第一，X方向的的表面內(nèi)應(yīng)力σ₁的釋放與材料的彈性模量的作用，第二，Y方向的表面內(nèi)應(yīng)力σ₂的釋放與材料的泊松比的作用，其關(guān)系式為：

ε₁＝Δd₁/d₁＝-(σ₁-μσ₂)/E (1)

同樣的道理可以得到關(guān)系式:

ε₂＝Δd₂/d₂＝-(σ₂-μσ₁)/E (2)

最終可以得到計(jì)算X和Y方面的表層內(nèi)應(yīng)力σ₁、σ₂的公式分別為:

σ₁＝-E(Δd₁/d₁+μΔd₂/d₂)/(1-μ²) (3)

σ₂＝-E(Δd₂/d₂+μΔd₁/d₁)/(1-μ²) (4)

對于一些應(yīng)力的松弛具有時(shí)滯效應(yīng)的材料，固然應(yīng)力的松弛會引起材料的硬度發(fā)生一定的變化，但是材料的彈性模量的變化卻是很小的，以至于可以忽略不計(jì)，這是由于材料的彈性模量只取決于原子間的作用力，而不包含任何的塑性變形。

為了能較為準(zhǔn)確測得顯微硬度壓痕之間的距離的變化，經(jīng)過計(jì)算，顯微硬度壓痕之間的距離不能少于50mm，其距離的變化用移測顯微鏡進(jìn)行測量。

上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式作了詳細(xì)說明，但是本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出各種變化。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容做出些許更動或修飾為等同變化的等效實(shí)施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)，在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，對以上實(shí)施例所作的任何簡單的修改、等同替換與改進(jìn)等，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍之內(nèi)。