[发明专利]基于非均匀应力构筑表面硬度差异性的方法

说明书

本发明涉及一种基于非均匀应力构筑表面硬度差异性的方法，属于力学测试领域。通过在拉伸试件标距段内制备双V形缺口作为固有缺陷，并施加静态单轴拉伸载荷，可实现一组双V形缺口尖端连线区域非均匀应力的构筑。结合在该非均匀应力区域点阵式的纳米压痕实验，可同步获取不同应力状态下材料的纳米压痕响应，从而直接获取压痕区域材料的表面硬度，结合面参数拟合，可获取该非均匀应力区域内的表面硬度分布图谱，即实现非均匀应力场的构筑和表面硬度差异性的测试，为可控表面应力状态和力学性能差异性的构筑以及具有固有缺陷的结构材料表面力学性能差异性评价提供新颖的评估与测量方法。

技术领域

本发明涉及材料力学性能测试领域，特别涉及一种基于非均匀应力构筑表面硬度差异性的方法，适用于对材料平面应力状态和表面硬度分布的有效调控，亦可用于带有固有缺陷的材料表面硬度分布图谱的高分辨率无损表征。本发明可构筑结构材料构件的可控盈利梯度和表面力学性能，可为承受多向应力或复合载荷的结构件表面力学评估提供评估方法，并为材料表面超精密加工、表面改性、表面强化等提供测试方法支撑。

背景技术

结构材料的表面力学性能决定了其表面在服役工科下的可靠性和耐久性，亦影响材料的摩擦磨损、高压接触和表面疲劳等性能。在实际工程应用中，喷丸、激光强化、表面硬质涂层、物理气相沉积、化学气相沉积等一系列表面改性和表面工程技术被广泛应用于诸多精密加工和装备制造等领域，并且纳米压痕和纳米划痕测试亦可有效评估材料微尺度上微结构演化行为并获取材料表面力学性能参数，如表面结合强度、摩擦系数、磨损速率、涂层厚度、杨氏模量和硬度等。对结构材料而言，实际服役工况会导致其表面和内部应力的非均匀化，即在承受多向应力或复合载荷时，材料表面的应力场是复杂有序且具有明显应力梯度的应力场，该应力场会导致表面力学性能(尤其是表面硬度和杨氏模量)的显著差异。而就多向应力或复合载荷的施加，传统方法通常依靠多轴驱动即传动系统实现双轴拉伸或拉伸-弯曲复合测试，鲜见通过单轴准静态载荷实现复杂非均匀应力场的有效方法。与此同时，材料在合成、成型和制备过程中，其内部和表面的固有缺陷亦会导致显著的应力集中并影响材料表面应力分布和力学性能。因此，截至目前，缺少有效的可控非均匀表面应力构建方法，亦鲜见材料表面非均匀应力与表面力学性能相关性的定量测试方法，限制了多向应力或复合载荷条件下材料力学性能的高分辨率精确评估。

纳米压痕测试方法通过连续记录加载和卸载过程中的压入载荷和深度来拟合载荷-深度曲线，直接获取材料的杨氏模量和硬度。对于具有平坦化和表面应力非均匀性的试件表面，亦可通过阵列式纳米压痕测试和高精度的面参数拟合方法，直接获取非均匀应力表面的杨氏模量和硬度分布特性，尤其是对于特征尺寸毫米级以下的微尺度构件，尽管因缺陷导致的非均匀应力对表面力学性能的影响极其显著，但传统宏观尺度的力学测试方法难以实现对微区的高分辨测试，亦难以实现表面微尺度的无损检测。

综上，尽管喷丸和激光强化等表面改性工艺可改善材料表面力学性能，且纳米压痕测试已广泛用于材料微区微观力学性能的评估，但鲜见通过改变材料微区几何结构实现显著表面力学性能差异性的构建方法，亦缺少表面非均匀应力与表面力学性能相关性的相关报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于非均匀应力构筑表面硬度差异性的方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明针对现有非均匀表面应力的构件方法和表面非均匀应力与表面力学性能相关性的构建方法，提供一种具有显著应力梯度非均匀应力场的构筑方法。本发明通过在拉伸试件标距段内制备双V形缺口作为固有缺陷，并施加静态单轴拉伸载荷，可实现一组双V形缺口尖端连线区域非均匀应力的构筑。结合该非均匀应力微区的表面力学性能分布和梯度特征，可建立在V形缺口连线区域内非均匀应力与表面力学性能之间的相关性，并可同V形缺口的形态与布局，实现非均匀应力场的有效调控。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

基于非均匀应力构筑表面硬度差异性的方法，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：