纳米压痕理论在残余应力检测方面的技术进展

介绍了纳米压痕理论以及2种典型的测量残余应力的理论模型,这2种模型都假设表面存在等双轴残余应力。其中Suresh和A．E．Giannakopoulos模型测量残余应力是由存在残余应力时和没有残余应力时的接触面积之比来确定;随后Y．H．Lee和D．Kwon对该模型进行了修正,根据载荷与硬度的对应关系,将接触面积转换成载荷的函数;最后的残余应力计算仅与载荷有关。本文还详细综述了用纳米压痕理论检测残余应力的应用实例,最后提出用纳米压痕技术检测残余应力的可能性还有待更深入的研究。     

屈服强度对压痕应变法测量焊接应力中应变增量的影响

压痕应变法测量焊缝残余应力时采用母材的标定系数,常常由于焊缝和母材屈服强度的较大差异而带来严重误差.文中首先针对焊缝应力的计算方法提出改进,然后采用有限元数值模拟,针对直径2.0 mm球形压头和0.2 mm的压入深度,分析距离压痕中心4 mm～6 mm范围内不同屈服强度材料的塑性区变化特征,以及不同屈服强度材料的压痕叠加应变增量和有效应力(外加应力和屈服强度之比)之间的关系,获得一系列有价值的结果,基本解决了压痕应变法测量焊缝残余应力中用母材标定结果计算焊缝应力存在的误差问题.     

硬度影响压痕弹塑性行为的有限元分析

以具有不同硬度40Cr为研究对象,根据集中载荷下的接触模型和赫兹理论,计算了压痕接触半径和压痕附近弹性区域的表面局部接触应力,并采用有限元法,分析硬度物理量对压痕弹塑性行为、局部接触应力、卸载后保留在内部的残余应力的影响,探讨压痕参数、压痕接触应力、残余应力与硬度之间的关系以及载荷增加时它们的发展.结果表明,相同载荷下塑性隆起量、压痕接触半径、压痕量和塑性区范围随着硬度值的提高而减小,弹性回弹量、最大接触应力和残余应力随硬度提高而增加;压痕周围处接触应力和残余应力、其分布范围和塑性区域随载荷的增加而增加.     

压痕法测量材料表面的残余应力和硬化指数

残余应力和硬化指数的研究一直是工程界最为热点的问题之一。文中采用有限元分析软件ABAQUS进行一系列的仿真来分析硬化指数和残余应力对压痕响应的影响,得出结论:1)材料的硬化指数和残余应力对压痕响应均有影响,但硬化指数的影响比残余应力的影响大很多。2)从反演结果与输入值的对比可以看出,采用压痕法测量材料表面的残余应力是可行的。     

基于能量法的残余应力测试

通过对压痕过程进行理论分析,基于能量法研究了残余应力测试原理和方法。通过张量分解,推导了残余应力在压痕过程中所做的功;通过有限元分析,总结了残余应力对压痕过程的影响;根据功与能量的关系,建立了压痕功与残余应力之间的解析模型,并推导了残余应力求解公式。结果表明:残余应力对压痕加载的初始阶段影响很大,但对加载的后半阶段和卸载过程的影响很小,可忽略不计,并且拉应力对压痕过程的影响明显大于压应力,可以认为压痕在加载过程中是一个弹塑性的变形过程,而在卸载过程中是弹性变形过程;试验证明了所建立的残余应力模型求解的残余应力是准确可靠的,可以用于残余应力的测试。     

残余应力测试技术的进展与动向

针对几种常见的残余应力测试方法的研究进展与应用现状,指出了较为成熟的残余应力测试方法是盲孔法和X射线法,但盲孔法受限于对测试对象有损伤,X射线法受限于测试条件的苛刻,其它的残余应力测试方法在有效性、准确性和操作简便性等方面还不能很好地满足工业需求.而利用压痕法测量残余应力是一个值得关注的研究动向,在局部压载作用下,材料...     

纳米压痕技术研究现状与发展趋势

纳米压痕技术是一种新的材料特性测量方法,被广泛应用在研究微/纳零部件的力学性能和材料微纳区域内的局部特性。介绍了纳米压痕技术的基本理论方法;针对纳米压痕技术的理论建模、压痕形貌、微观组织以及测量精度等几个方面对现有的研究成果进行系统的分析和总结;分析了纳米压痕技术现存的研究难点及主要问题,并对其发展趋势进行了展望。     

基于相位-频率测量的材料残余应力超声表征方法*

针对材料中残余应力无损检测的问题,提出一种基于相位-频率关系测量超声信号传播时间的方法,并以声弹性理论为基础,采用纵波和横波相结合的测量模式,建立残余应力的超声测量方法。该超声测量方法应用于焊接接头的残余应力测量,不仅能够表征两轴方向上的残余应力,而且还适用于短距离声时的精确测量,测量精度达到9 mm试样距离上0.3 ns的分辨率(加载应力为20 MPa)。制作16Mn钢材料的焊接接头,并采用所提出的超声测量方法对焊接接头的残余应力分布进行测量。同时,采用理论计算、X射线衍射技术等分别对16Mn钢材料的声弹性参数及焊接接头残余应力分布进行验证测量。研究结果表明基于相位-频率精确测量声时的残余应力超声测量方法具有较高的应力分辨率和较好的测量稳定性,可适用于焊接接头两轴方向上的残余应力表征。     

残余应力影响压痕尺寸和隆起量的研究

残余应力的存在直接影响材料的力学性能,在压痕法中影响其压痕形状大小、压入载荷-位移曲线和隆起量,因此通过比较压痕形状大小、压入载荷-位移曲线和隆起量的大小,可以推断出构件内部残余应力,再通过有限元研究不同程度的残余应力对压痕形状、压入载荷-位移曲线和隆起量的影响.研究结果表明, 残余压应力使压痕尺寸变小,残余拉应力使压痕尺寸变大,不同性质和大小分布的残余应力使压痕形状为椭圆形,压入载荷-位移曲线斜率和隆起量高度随着残余压应力的增加而增加,随着拉应力的减小而减小,当构件内部存在一定程度的残余拉应力时,随着压入载荷的继续增加出现负隆起量(沉降量),沉降量的大小与压入载荷的大小和残余拉应力的程度有关.     

纳米压痕法测量等离子喷涂铁基涂层表面的残余应力

利用无损的绿色检测技术——纳米压痕法测量等离子喷涂铁基涂层表面的残余应力。通过对比无应力和有应力涂层的载荷-位移曲线,得出涂层表面存在残余拉应力。由于无应力和有应力涂层的压痕周围均有明显的凸起变形,目前广泛使用的Oliver法提取残余应力的特征参量——真实接触面积的公式已不适用。利用之前建立的适用于压痕周围有凸起变形的材料的真实接触面积计算公式得到无应力和有应力涂层的真实接触面积,分析两者之间的差异,最终计算出涂层表面的应力值为188 MPa,与X射线法得到的162 MPa较为符合。     

基于UG的正交车铣加工回转体表面微观残留仿真

正交车铣加工的回转体表面由铣刀与工件的复合相对运动形成,其形成机理独特,多个参数影响其表面微观形貌。为研究切削参数对正交车铣回转体表面微观残留的影响,基于UG建立了正交车铣回转体表面的仿真加工方法,并通过Vericut构建了虚拟五轴车铣加工环境,由此仿真研究了周向每齿进给量对正交车铣回转体表面微观残留的影响,发现已加工表面微观残留高度随周向每齿进给量增加显著增大。     

超声法焊缝残余应力检测技术研究

文中基于声弹性理论,研究临界折射纵波(Critically Refracted Longitudinal wave,LCR wave)残余应力检测原理,通过超声波传播速度的变化,反映出构件表面和内部的残余应力,从而验证采用LCR波检测构件中残余应力的关键技术,具体包括LCR波的激发、接收和后续处理。设计并制作了基于声时的残余应力检测实验系统。声时是整个测量系统中的关键量,其测量水平决定残余应力的测量精度。在实现过程中采用"一发一收"的探头布局模式,通过测量固定长度上声时传播的变化,分析残余应力的分布情况。     

用LCR波检测零件内部切向应力的实验研究

本文介绍了一种基于声弹性理论,利用临界折射纵波（Critically Refracted Longitudinal．LCR）从表面测量零件内部切向应力的方法．依据固体中超声波传播特性与应力状态的关系,搭建了基于传播声时的实验测量系统．在传播声时的测量中采用“过零检测”方式减小由超声波信号幅度变化造成的误差,利用时间-数字芯片实现高精度的时间间隔测量。     

应力波时间仪的研制及其应用

本文阐述了用加速度传感器将应力波能量转换成电信号,放置两个在被检测材料的两端,一个作为“开门”端,一个作为“关门”端。应力波经过两端所用时间可用微秒时间间隔测量单元测得。从而可以得到应力波的传播速率。本文给出了信号放大、信号变换及门信号产生、时间间隔测量电路的设计原理和过程。     

某型大尺寸进气道测量耙振动与应力相关性试验研究

为了解决应变计测量法在试飞中对测量耙应力难以监控的问题,对自行设计的某型大尺寸进气道测量耙进行振动试验,建立测量耙振动与应力的相关性,实现利用测量耙振动信息监视分析测量耙应力的目的。通过扫频和定频试验,得到了相应的振动和应变试验数据。通过试验数据分析,得到了耙的固有频率,并根据各测点应变与振动的相关性初步建立了耙的振动与应力之间的关系方程,为后续试飞中测量耙安全监控提供一定试验基础和依据。     

一种新型动态轨道衡应力检测方法

为了提高动态轨道衡中应力的检测精度,研究了利用非晶态合金逆磁致伸缩效应进行动态检测轨道应力的新方法.首先,设计了一种差动压磁式三磁极应力传感器,论述了其基本结构和工作原理,并推导出了这种传感器的输出方程.然后,分别在材料试验机与矿山有轨运输轨道上进行了静态特性标定和实测试验.试验表明这种检测方法的最大重复性误差和线性误差分别小于1.36%和1.54%,灵敏度可达5.47 mV/kN,应用于动态轨道称重是可行的.另外,这种方法简单,传感器坚固耐用,安装方便.     

Experimental investigation of dynamic effects in a two-bar/three-point bend fracture test

A Hopkinson pressure bar has been modified to measure the dynamic fracture properties of materials at loading rates greater than approximately 10(6) MPa ms. Some fundamental dynamic effects associated with the incident stress pulse, such as stress wave propagation characteristics along the Hopkinson bar and within the cracked specimen, the specimen's dynamic response excited by the stress pulse, and the specimen contact situations with the impactor and supports, need to be understood. To better comprehend these fundamental issues, an experimental investigation of these dynamic effects with the emphasis on "loss of contact" was first performed on a two-bar/three-point dynamic bend fracture test setup using a voltage measurement circuit across the specimen/loading-pin interfaces and high-speed photographs. It was demonstrated here that the three-point bend specimen employed with the current two-bar/three-point bend test setup remains in contact with the impactor and supports throughout the first loading duration and that "loss of contact" does not occur. A further improvement using a pulse-shaping technique was employed for achieving a tailored incident pulse. The effect of pulse shaper on the rise time and duration of the incident pulse as well as the dynamic stress equilibrium in the cracked three-point bend has been investigated, for the first time here, with profound implications for significantly improved dynamic three-point bend fracture testing.     

中子谱仪样品台几何误差建模和灵敏度分析

介绍了中子衍射残余应力测试谱仪样品台的结构和基于标准探针的定位测量方法;利用多体运动学和齐次变换矩阵建立了基于标准探针定位测量方法的样品台定位误差模型;最后分别对模型中涉及的42个误差分量进行了定位误差的灵敏度分析。分析结果对中子衍射残余应力测试谱仪样品台的精度设计具有参考作用。     

A Quantitative Measurement of Wall Shear Stress Using Electric Capacity Sensing of Nematic Liquid Crystal Coating

The measurement of wall shear stress (WSS) still remains a challenge in many fields such as fluid hydrodynamics, microfluidics, or biomechanics. The nematic liquid crystal coating (LCC) is a prospective technique to measure WSS due to its global measurement capability, high resolution, and non-intrusive nature. But its current application based on the optical observation is severely limited by the requirement for a complex system. In this paper, we invented a novel WSS-measuring technique based on the anisotropic permittivity and the Freedericksz transition of nematic LCC under shear stress. First, a quantitative model was built to describe the reorientation responses of nematic liquid crystal molecules under shear stress, and the corresponding variation in dielectric property of LCC was derived. Thus, the quantitative relationship between WSS and the electric capacity output of LCC was obtained. Then, an LCC sensor was fabricated using spin coating and microlithography to verify the engineering feasibility in WSS measurement. The experimental results of capacity variation are in good agreement with the theoretical molecular model of LCC under shear stress. The mechanism and advantages of the capacity-sensing LCC technique were discussed in view of quantitative and wide-ranged WSS measurement: easy and reversible initialization, as well as potential on-site applications.     

基于参数反求的齿轮裂纹时变啮合刚度计算方法

基于齿根应变测试技术和优化理论提出了齿轮时变啮合刚度反求计算方法,并将其应用于齿轮故障机理研究。构建了齿根动态应力与时变啮合刚度反问题模型,并搭建齿轮裂纹故障应变测试实验台来采集齿根应变;建立了相对应的有限元模型并将计算应变与测量应变代入反问题模型,从而实现齿轮啮合刚度的反向求解。计算结果表明,相比解析法和有限元法,所提方法显著提高了求解精度并且具备更高的可靠性。建立了齿根裂纹故障的齿轮系统动力学模型,通过对动力学响应进行时域及频域分析来揭示齿轮裂纹故障机理。