[发明专利]基于非均匀应力构筑表面硬度差异性的方法

权利要求书

1.一种基于非均匀应力构筑表面硬度差异性的方法，其特征在于：应用于需调控表面应力状态和表面力学性能的结构材料，包括以下步骤：

步骤一、通过线切割工艺制备适用于卧式单轴拉伸测试的毫米级矩形试件，在试件标距的两侧边亦通过慢走丝线切割工艺加工出非对称式双V形缺口作为初始缺陷，每个V形缺口的深度不超过试件宽度的1/2，且V形缺口的尖端沿试件几何轴线方向上的距离不超过试件宽度；在此基础上，对卧式试件进行单面机械抛光实现表面平坦化，并通过表面电化学抛光削弱加工硬化和表面残余应力，进一步，采用激光接触式光刻对双V形缺口进行精细化加工，以实现低于10微米的缺口尖端半径；

步骤二、在卧式试件施加准静态拉伸载荷直至试件标距段所受的平均等效应力低于试件材料屈服应力，通过自锁机构实现保载，通过三维数字散斑应变分析技术，精确计量试件抛光面的应变分布，结合有限元分析获取的双V形缺口裂纹尖端连线区域的应力分布，确定获取的非均匀应力场；通过建立沿两组正交方向的直角坐标系，即建立基于沿试件几何轴线方向和垂直于试件几何轴线方向，以及沿V形缺口裂纹尖端连线和垂直于V形缺口裂纹尖端连线方向的直角坐标系，确定以一组V形缺口为边界的标距范围内的试件应力分布、大小与各向梯度特性；

步骤三、基于获取的应力梯度，在双V形缺口裂纹尖端连线区域内，基于恒压入深度或恒压入载荷模式，开展点阵式纳米压痕测试；为获取较高的表面力学性能参数拟合精度且避免压痕凸起和残余应力对毗邻压痕测点的影响，相邻纳米压痕测试的间距为最大压入深度的20倍；纳米压痕阵列的分布特性为椭圆形，该椭圆的长轴为两双V形缺口裂纹尖端连线，短轴为垂直于缺口裂纹尖端连线，且椭圆轴比为4：1；进一步，通过获取的不同应力状态下材料表面的纳米压痕响应，以上述直角坐标系中两正交方向应力值为平面横坐标，以计算获取的表面硬度为纵坐标，通过对离散硬度值的二次曲面拟合，获取该非均匀应力区域内的表面硬度分布图谱，即实现可控非均匀应力场的构筑和表面硬度差异性的测试。

2.根据权利要求1所述的基于非均匀应力构筑表面硬度差异性的方法，其特征在于：短间距点阵式纳米压痕测试适用于带有固有缺陷的材料表面硬度分布图谱的直接获取。

3.根据权利要求1所述的基于非均匀应力构筑表面硬度差异性的方法，其特征在于：通过调整两V形缺口尖端的相对位置，即沿试件几何轴线和垂直于试件几何轴线的间距，实现对平面应力状态和表面硬度分布的有效调控。

4.根据权利要求3所述的基于非均匀应力构筑表面硬度差异性的方法，其特征在于：该方法可用于对表面硬度梯度特征的高分辨率无损表征和表面非均匀应力与表面力学性能相关性的构建。