[发明专利]一种材料表面残余应力的测量方法及其系统

权利要求书

1.一种材料表面残余应力的测量系统，其特征在于，所述测量系统包括：残余应力探测器、阻抗分析仪、应变仪和计算机控制系统；其中，所述残余应力探测器包括支撑环、高度可调支座、压电梁、压电片、压入针尖和应变片；所述支撑环的底部设置多个呈中心分布的高度可调支座，以调节支撑环的高度；所述支撑环内部设置有多个呈中心对称分布的压电梁，每一个压电梁的一端固定在支撑环上，另一端与其他压电梁相交于支撑环的中心；在每一个压电梁的上下表面分别设置压电片；在多个压电梁相交的中心的下表面设置压入针尖；在多个压电梁相交的中心的上表面设置应变片；所述压电片连接至阻抗分析仪；所述应变片连接至应变仪；所述阻抗分析仪和应变仪分别通过数据线连接至计算机控制系统。

2.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述计算机控制系统包括：阻抗测量模块，用于控制阻抗分析仪对残余应力探测器的机电频响进行测量；应变测量模块，用于测量和分析应变仪输出的应变信号；计算分析模块，获取压入过程的F-S曲线之后计算表征残余应力，其中F为加载载荷，S为压入针尖与待测样品的接触区域的投影面积。

3.一种如权利要求1所述的材料表面残余应力的测量系统的材料表面的等双轴残余应力的测量方法，等双轴残余应力表示为σ_R＝σ_x＝σ_y，σ_R为残余应力，σ_x为x方向的残余应力大小，σ_y为y方向的残余应力大小，其特征在于，所述测量方法，包括以下步骤：

1)将材料表面残余应力的测量系统组装完成；

2)通过无残余应力样品得到无残余应力状态下的压入过程的F-S曲线，从而得到拟合参数C₀₁和C₀₂；

3)通过多个高度可调支座将残余应力探测器固定于待测样品的表面；

4)通过调整高度可调支座调整支撑环的高度，使得压入针尖与待测样品的待测区域发生接触并逐点压入待测样品；

5)应变仪通过应变片输出的应变信号测量加载载荷F，同时采用阻抗分析仪测量各个压电梁上压电片的机电阻抗频响，通过机电阻抗频响获得压入针尖与待测样品的接触区域的投影面积S，分别记录每一点的加载载荷F和投影面积S；

6)重复步骤4)～5)，连续压入待测样品，得到待测样品的压入过程的F-S数据，从而得到待测样品的压入过程的F-S曲线；

7)将待测样品的压入过程的F-S曲线与无残余应力状态下的压入过程的F-S曲线进行比对，判断残余应力是残余拉应力还是残余压应力；

8)根据步骤7)判断的结果，基于最小二乘法，结合已得到的拟合参数C₀₁和C₀₂，采用残余拉应力或者残余压应力公式，得到残余应力。

4.如权利要求3所述的测量方法，其特征在于，在步骤2)中，得到无残余应力状态下的压入过程的F-S曲线得到拟合参数C₀₁和C₀₂包括以下步骤：

a)通过多个高度可调支座将残余应力探测器固定于无残余应力样品的表面；

b)通过调整高度可调支座调整支撑环的高度，使得压入针尖与无残余应力样品发生接触并逐点压入无残余应力样品；

c)应变仪通过应变片输出的应变信号测量无残余应力状态下的压入过程的加载载荷，同时采用阻抗分析仪测量各个压电梁上压电片的机电阻抗频响，通过机电阻抗频响获得压入针尖与无残余应力样品的投影面积，分别记录每一点的无残余应力状态下的压入过程的加载载荷F和投影面积S；

d)重复步骤b)～c)，得到无残余应力状态下压入过程的F-S数据，从而得到无残余应力状态下压入过程的F-S曲线；

e)基于最小二乘法，根据公式F＝C₀₁S²+C₀₂S，对无残余应力状态下压入过程的F-S数据进行拟合，获得拟合参数C₀₁和C₀₂。