【摘要】：在機械加工過程中,外力和溫度變化引起的不均勻塑性變形是產(chǎn)生殘余應力的主要原因,殘余應力對材料的力學行為和使用壽命有著重大的影響。壓痕法因具有操作簡單、快捷、微損傷的特點,在測量材料的力學性能和殘余應力方面得到了較為廣泛的應用。但到目前為止,壓痕測量法只能獲得一個測點的平均應力,無法獲得殘余應力的應力分量及其方向。因此,本文從實驗與仿真兩個方面探索新的壓痕檢測分析技術(shù),以測量一般應力狀態(tài)下殘余應力的大小和方向。在壓痕試驗中,由于材料的塑性變形,壓痕周圍會出現(xiàn)材料的堆積和沉陷。通過分析發(fā)現(xiàn),壓痕卸載后的變形量,特別是壓痕周邊的最大隆起量,與殘余應力的大小和方向有關(guān)。為獲得最大隆起量與殘余應力的定量關(guān)系,本文首先采用有限元分析方法,對球形壓痕條件下不同的殘余應力組合進行了大量的分析計算,擬合出了殘余應力大小與隆起量的雙線性定量關(guān)系,得到了拉伸殘余應力使隆起量變小,壓縮殘余應力使隆起量變大的一般規(guī)律。在殘余應力方向的研究方面,發(fā)現(xiàn)最大隆起量出現(xiàn)的方向與平面最大應力方向相同,與最大隆起量方向垂直的方向即為平面最小應力方向。另外,通過提取壓痕周邊離面位移數(shù)據(jù),根據(jù)干涉原理形成了模擬干涉條紋圖,與相關(guān)文獻的實驗干涉條紋圖進行了對比,在形狀上高度吻合。為驗證仿真結(jié)果的正確性,本文設計制造了一個可以施加單軸與雙軸應力的實驗裝置。在對試件施加已知應力后,在壓痕試驗機上用直徑為2.5mm的布氏壓頭和大小恒定的壓力對試件中部位置進行靜態(tài)壓痕實驗。卸載后,采用高精度的激光共聚焦方法對壓痕表面輪廓進行了非接觸式測量。實驗驗證了理論與仿真的結(jié)果,即殘余應力與隆起量的雙線性關(guān)系。實驗表明可以運用卸載后壓痕隆起量來表征殘余應力。另外,本文運用中科院KJS-3型沖擊壓痕產(chǎn)生裝置,對不同應力狀態(tài)下的試件進行了沖擊壓痕試驗,然后用光學方法測量卸載后的輪廓。結(jié)果表明,沖擊壓痕狀態(tài)下卸載后壓痕隆起量與殘余應力之間也存在和靜態(tài)壓痕類似的規(guī)律。根據(jù)理論仿真和實驗分析的結(jié)果,本文提出了壓痕隆起量與二維殘余應力之間的一般經(jīng)驗公式,據(jù)此公式可以直接根據(jù)壓痕試驗后的隆起量來計算二維殘余應力的方向以及各分量的大小。本文提出的方法的精確度很大程度上取決于三維輪廓測量的精確度,故本文研究了三種非接觸式的全場輪廓測量方法:激光三角法,層析聚焦法和投影條紋法。運用光學方法來精確測量卸載之后壓痕周圍的隆起量。本文以布氏壓痕試驗為基礎,提出了一種新的完整測量二維殘余應力的新方法。該方法可以快捷準確的測定物體內(nèi)部的殘余應力,其精度可以滿足工程應用的需要,為構(gòu)件的表面性能和剩余壽命的評價提供了一種的新的測量與分析技術(shù)。
[Abstract]:In the process of machining, the inhomogeneous plastic deformation caused by the change of external force and temperature is the main cause of the residual stress, and the residual stress has a great influence on the mechanical behavior and service life of the material. The indentation method has been widely used in measuring the mechanical properties and residual stresses of materials because of its advantages of simplicity, rapidity and microdamage. But up to now, the indentation method can only obtain the average stress of one measuring point, and can not obtain the stress component and direction of the residual stress. Therefore, in this paper, a new indentation detection and analysis technique is explored from the aspects of experiment and simulation to measure the magnitude and direction of residual stress in general stress state. In indentation test, due to the plastic deformation of the material, there will be material accumulation and subsidence around the indentation. It is found that the amount of deformation after indentation unloading, especially the maximum uplift around the indentation, is related to the magnitude and direction of residual stress. In order to obtain the quantitative relationship between the maximum uplift quantity and the residual stress, the finite element analysis method is used to analyze and calculate the different residual stress combinations under the spherical indentation condition. The bilinear quantitative relationship between the residual stress and the uplift is obtained. The general rule that the tensile residual stress makes the uplift smaller and the compressive residual stress makes the uplift larger is obtained. In the research of the direction of residual stress, it is found that the direction of maximum uplift is the same as the direction of plane maximum stress, and the direction perpendicular to the direction of maximum uplift is the direction of plane minimum stress. In addition, by extracting the off-plane displacement data of indentation periphery, the simulated interference fringes are formed according to the principle of interference, which are compared with the experimental interference fringes of related literature and are highly consistent in shape. In order to verify the correctness of the simulation results, an experimental device which can apply uniaxial and biaxial stresses is designed and manufactured. After applying the known stress to the specimen, the static indentation experiment was carried out on the indentation machine with a Brinell indenter with diameter of 2.5mm and a constant pressure. After unloading, the contours of indentation surface were measured by high precision laser confocal method. The theoretical and simulation results are verified by experiments, that is, the bilinear relationship between residual stress and uplift. The experimental results show that the residual stress can be characterized by indentation uplift after unloading. In addition, the impact indentation test was carried out on the specimens under different stress states by using the KJS-3 impact indentation generating device of the Chinese Academy of Sciences, and then the contours after unloading were measured by optical method. The results show that there is a similar rule between the amount of indentation uplift and the residual stress after unloading under the condition of impact indentation and static indentation. Based on the results of theoretical simulation and experimental analysis, a general empirical formula between indentation uplift and two-dimensional residual stress is presented in this paper. Based on this formula, the direction of two-dimensional residual stress and the size of each component can be calculated directly from the uplift of indentation test. The accuracy of the proposed method depends largely on the accuracy of 3D contour measurement. Therefore, three non-contact full-field contour measurement methods, namely laser triangulation method, tomography focusing method and projection fringe method, are studied in this paper. The optical method is used to accurately measure the uplift around the indentation after unloading. Based on Brinell indentation test, a new complete method for measuring two-dimensional residual stress is presented in this paper. This method can quickly and accurately measure the residual stress inside the object, and its precision can meet the needs of engineering application. It provides a new measurement and analysis technique for the evaluation of the surface performance and residual life of the components.
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TG115

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本文編號：2206275