基于压痕实验的304奥氏体不锈钢残余应力测试分析

富阳1,孙明慧1,王丽1,余珂2,张静楷2

2  广东省特种设备检测研究院中山检测院，中山，528400

摘要：在机械加工焊接接头材料304奥氏体不锈钢期间，由于温度和外力因素的变化，导致了不均匀的变形，而产生了残余应力，由于残余应力会严重影响机械结构安全，为此，探求一种高效、安全、方便的检测残余应力方法十分关键。压痕法具有微损、简易等特点，被广泛使用在材料的力学性能测试方面。基于此，笔者针对于压痕实验的304奥氏体不锈钢残余应力测试进行了深入分析与探讨，以此为相关学者以及从业人员提供有价值的参考依据。

关键词：压痕实验；304奥氏体；不锈钢；残余应力测试

将304奥氏体不锈钢作为本次研究工作的主要对象，并采用压痕技术方法，有机结合实验行业有限元模拟，分析压入期间的响应特征，研究压痕响应参量受到残余应力的影响程度，获取不同残余应力下的各种变化，包括：压痕区力学场、压痕硬度等。本文将从压痕实验压入过程模拟、基于虚实压痕实验相结合的残余应力测试两大方面来进行深入剖析。

一、压痕实验压入过程模拟

针对于压痕实验压入过程模拟，笔者整理了两点，分别是：压痕区域的应力应变分布、压痕区的 X/Y 轴向应力应变分布，本章将一一进行论述。

（一）压痕区域的应力应变分布

依托于ABAQUS 有限元软件模拟压痕实验，对随着压头载荷变化试样表面压痕区力学场历程进行分析，尤其是要对卸载前后和压入期间的压入痕区应力、塑性应变的变化进行对比。图一表示的是压痕区 Mises 应力在压头加载期间的变化，图二表示的是塑性应变的变化。从图一和图二中能够看到样表面压痕区应力应变在压头加载期间表现出的规律性变化[1]。

图一

图二

（二）压痕区的 X/Y 轴向应力应变分布

此次研究应用的是Vickers 压头，在压痕实验期间，想要对应力应变的变化进行更为详细的分析，提取应变、应力的数据于压痕区X、Y 轴向路径，卸载前后 X/Y 轴向 Mises 应力分布图见图四， 卸载前后 X/Y 轴向塑性应变分布见图五[2]。

图四

图五

从图四和图五中，能够看出等效塑性塑性应变分布规律和X、Y 轴向的 Mises 应力分布规律具有一定的相同性质，在压痕最深处没有显示出最大值，在出现距离最深点 0.06毫米中出现了最大值，在 0.1毫米之中，应力应变有着较大的分布变化幅度，0.1毫米后，应变应力有着不大的分布变化情况，而且较为稳定。由此可以得知，压痕直接影响在0.1毫米的尺度之中，趋于零于卸载压头后0.1毫米的应变分布，但应力并非为0，这表明，弹性变形于远离压痕区的地方之中，弹塑性变形在压痕区域之中[3]。

通过图四和图五的显示能够得知，卸载前后有着十分明显的Mises 应力变化，而卸载机会不会影响于等效塑性应变，这表明弹塑性变形于为压痕区X/Y 轴向的应变，在卸载压头后，消失部分应力，即使卸载后，也会一直保留塑性应变，这是因为加载期间出现等效塑性应变后，就难以进行恢复。与此同时，能够得知，在压痕区 X、Y 轴向路径上出现了压痕区的最大应力和最大应变，这是因为压头性状而产生的集中应力[4]。

二、基于虚实压痕实验相结合的残余应力测试

针对于虚实压痕实验相结合的残余应力测试，笔者整理了两点，分别是：拉残余应力与压痕硬度的对应关系、压残余应力与压痕硬度的对应关系，本章将逐一进行阐述。

（一）拉残余应力与压痕硬度的对应关系

1.不同拉残余应力施加方式

以某一个拉伸试样作为范例，设定横截面面积和需要加载的残余应力计算所需施加的力学载荷，通过对力学传感器数字显示器的读数的结合，判断是否需要加载残余应力到设定值。

拉残余应力加载过程中，应用平板拉伸模型展开拉残余应力试样，有约束口存在于两端之中，应用销钉固定夹具和试样。对螺杆进行转动，对数值显示器进行细致观察，当设定残余应力数值与数值显示器统一时，停止加载，展开测量压痕硬度，每次数据读取六个组别，本残余应力加载下的最终压痕硬度值选取平均值。加载单向拉残余应力期间，对装置的螺杆进行顺时针的旋转，施加外载力于试样之中，将残余应力的加载进行替代，因为千克为传感器的基本单位，为此，需要将其正确转化为牛，按照残余应力的不同，对不同的施加力进行换算[5]。

2.拉残余应力加载状态下304 奥氏体不锈钢的压痕硬度测量

拉伸残余应力加载实验平台在加载拉残余应力于薄板拉伸试样之中，在不同拉残余应力下，测量压痕菱形区对角线长度和标距段的压痕硬度，压痕硬度值取平均值在同一拉残余应力条件下测 6 组，最大程度的减少数据受到测量误差的影响。力学传感器的数值在加载到额定残余应力值时会有一定的差异，这是因为螺纹松弛、螺杆间存在空隙导致的，为此，每次进行加载期间，要确保不小于额定数值，会相应的降低力学传感器数值，在稳定数值后，再展开试样压痕硬度值测量工作。

（二）压残余应力与压痕硬度的对应关系

1.不同压残余应力施加方式

压残余应力加载试样是改造GB/T7314-2005 标准正方形柱体压缩试样，有凸台存在于两端之中，通过对面约束的使用，固定压缩试样。将螺杆进行转动，而后对数值显示器进行细致观察，设定残余应力数值与数值显示器统一时，停止加载，展开测量压痕硬度，每次数据读取六个组别，本残余应力加载下的最终压痕硬度值选取平均值。

在实际展开设计压缩试样工作期间，要最大程度的防止压缩产生失效，存在下面四种情况时，会发生压缩失效：（1）柱状试样在轴向产生的非弹性失稳；（2）载荷偏移引起的力矩而产生扭转失效；（3）加载力偏移而在轴向产生的弹性失稳效应；（4）矩形试样在其标距段内出现小范围的局部失稳；以上均隶属于屈曲。在实际展开设计压缩试样时，要尽可能确保压应力不会被压溃或者是试样弯曲，与此同时，在压入满足期间，试样标距段受力要保持统一[6]。

2.压残余应力加载状态下奥氏体不锈钢的压痕硬度测量

在压缩残余应力加载实验平台，加载压残余应力于压缩试样之中，测试标距段在不同压残余应力下的压痕区对角线长度和压实硬度。压痕硬度值取平均值在同一压残余应力数值测 6 组，最大程度的避免数据受到测量误差的影响。

结束语：

有机结合有限元和物理实验，对残余应力对压痕响应的影响进行深入分析与探讨，与此同时，在实验的基础之上，在残余应力加载下实现了压痕硬度测量。有机结合将物理实验与有限元，对残余应力对材料压痕硬度和压痕区对角线长度受到残余应力的影响进行深入研究，有助于更好的展开测量机械结构残余应力。

参考文献：

[1]吕德超. 304/Q245R爆炸焊接结合界面不均匀性研究[D]. 辽宁:沈阳理工大学,2017.

[2]曹龙韬,龚兰芳,陈智江. 304奥氏体不锈钢管焊接接头开裂原因[J]. 理化检验（物理分册）,2021,57(5):76-79.

[3]李安玲,屈文红,宋磊,等. 304奥氏体不锈钢摩擦学实验研究[J]. 机床与液压,2020,48(16):10-14,19.

[4]王延来,刘世程,刘德义,等. 304奥氏体不锈钢固溶渗氮的研究[J]. 金属热处理,2005,30(5):8-11.

[5]傅萍,胡博,于润桥,等. 基于盲源分离的304奥氏体不锈钢弱磁信号处理[J]. 现代制造工程,2021(8):125-131.

[6]代巧,张健,何爵亨,等. 基于DIC的304奥氏体不锈钢裂纹尖端塑性区研究[J]. 压力容器,2022,39(6):15-20,74.

科研项目：中山科技项目《公共重大装备现场力学性能测试技术研究》（项目编号2019Ｂ2008）；广东教育厅项目《基于微压痕的钢材屈服强度免拉伸试验测试技术研究与开发 》；校级项目《便携式力学性能测试化研发》（项目编号KYG2001）；省局项目《重大特种设备材料力学性能现场微损检测设备开发与应用》（项目编号  2020JD-2-07）