一種金屬基復合材料微觀殘余應力的檢測方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種金屬基復合材料微觀殘余應力的檢測方法，特別涉及一種采用電 子背散射衍射（Electron Backscattered Diffraction，簡稱EBSD)表征金屬基復合材料微 觀殘余應力的方法，屬于復合材料微觀表征技術領域。
【背景技術】
[0002] 對比金屬材料，金屬基復合材料具有低密度、高比強度、高比模量、低熱膨脹系數(shù) 等特點，因此成為各類多芯片組件和大電流功率模塊理想的基底材料，以及各種質量小、強 度高的零配件（如航空零件）的理想材料。由于熱膨脹系數(shù)差異等因素，金屬基復合材料 在制備過程中形成微觀殘余應力，特別是材料內不同相界面處的微觀殘余應力是影響金屬 基復合材料力學性能的主要因素，如何有效表征界面處微觀殘余應力的是提高金屬基復 合材料力學性能的關鍵。
[0003] 目前表征材料殘余應力的方法包括鉆孔法、環(huán)芯法、XRD表征法和拉曼表征法：鉆 孔法、環(huán)芯法僅滿足宏觀殘余應力定性表征要求，無法滿足結構復雜的多相材料的研宄需 求；XRD表征法的分辨尺寸大于EBSD分辨尺寸，且X射線穿深大于EBSD，導致該方法無法用 于微米級區(qū)域殘余應力研宄；拉曼表征法則受到拉曼效應適用范圍的影響，對大量無拉曼 效應的材料，特別是無拉曼效應的金屬材料無法進行表征。
[0004] 目前EBSD技術主要用于表征單一金屬材料的取向分布，特別集中于經軋制后金 屬織構取向表征方面，但目前EBSD無法用于定量表征微觀殘余應力，其主要原因在于：取 向表征結果僅用于直觀定性描述織構分布，即通過表征區(qū)域內具有特定取向的晶粒所占百 分比來描述織構分布情況，尚未建立起取向結果與殘余應力的關系，故無法將EBSD相比于 其他檢測手段的優(yōu)點用于標識微觀區(qū)域的殘余應力。

【發(fā)明內容】

[0005] 針對現(xiàn)有應力表征技術無法滿足金屬基復合材料等具有復雜結構的材料的殘余 應力檢測需求的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種金屬基復合材料微觀殘余應力的表征方 法，該方法以EBSD理論為基礎，建立EBSD參數(shù)與殘余應力的關系，從而通過對EBSD參數(shù)的 數(shù)據(jù)處理，最終定量表征金屬基復合材料的微觀殘余應力分布。
[0006] 本發(fā)明所表征的材料為金屬基復合材料，即材料包含金屬相與非金屬相，包括顆 粒增強型金屬基復合材料、纖維增強型金屬基復合材料、三維網絡結構增強型金屬基復合 材料等，不限于以上所述。
[0007] 本發(fā)明的目的由以下技術方案實現(xiàn)：
[0008] -種金屬基復合材料微觀殘余應力的檢測方法，所述方法理論如下：
[0009] 設待檢測試樣表面用于表征殘余應力的一個晶粒為中心晶粒，其晶體坐標系 (x，y，z)為參考坐標系，設主應力為Q 1, 〇2, 〇3，其中〇3為垂直于待檢測試樣表面的方向， 由于待檢測試樣表面為平面應力狀態(tài)，所以σ 3=〇, 〇 〇 2在待檢測試樣表面內，設待 檢測試樣表面為X' y'平面，所以晶軸為Z'軸，形成理論坐標系（X'，y'，z'）；采用電子背 散射衍射EBSD技術中的角軸對法表征晶體取向，則r = (0, 0, 1)，Θ = LMn，其中，r為旋轉 軸，Θ為原位取向差，代表旋轉角，參考坐標系沿旋轉軸r旋轉Θ角度后與理論坐標系重 合；LM n(Local Misorientation)為檢測區(qū)域內編號為η的中心晶粒的原位取向差，η代表 中心晶粒在檢測區(qū)域內的編號；
[0010] 設施加載荷的方向與參考方向的角度差為Φ，沿施加載荷的方向某段材料變形前 長度為Dtllt，該變形段起點與終點分別為（Xl，yi)，（x 2，y2);變形后該段長度為Dllt，起點與終 點分別為（x n，yn)，（x21，y21)，設檢測方向與施加載荷的方向的角度差為供，即
【主權項】
1. 一種金屬基復合材料微觀殘余應力的檢測方法，其特征在于， 設待檢測試樣表面用于表征殘余應力的一個晶粒為中屯、晶粒，其晶體坐標系（x，y，z) 為參考坐標系，設主應力為〇1，0 2, 0 3,其中0 3為垂直于待檢測試樣表面的方向，由于待 檢測試樣表面為平面應力狀態(tài)，所W0 3=0, 0 1和0 2在待檢測試樣表面內，設待檢測試 樣表面為X'y'平面，所W晶軸為Z'軸，形成理論坐標系（X'，y'，z');采用電子背散射衍 射邸SD技術中的角軸對法表征晶體取向，則r=化0, 1)，0 =LM。，其中，r為旋轉軸，0 為原位取向差，代表旋轉角，參考坐標系沿旋轉軸r旋轉0角度后與理論坐標系重合；LM。 為檢測區(qū)域內編號為n的中屯、晶粒的原位取向差，n代表中屯、晶粒在檢測區(qū)域內的編號； 設施加載荷的方向與參考方向的角度差為4，沿施加載荷的方向某段材料變形前長度 為該變形段起點與終點分別為（xi，yi)，（X2，y,);變形后該段長度為Di?^，起點與終點分 別為（X2i，y2i)，設檢測方向與施加載荷的方向的角度差為口，即
根據(jù)應變定義，在4方向上的應變e,為：
(4) 設檢測材料為各項同性材料，即不同方向彈性模量E相同，則應力Cp為：
(5) 設口 =U，即檢測方向與施加載荷方向的角度差為0,則 0=k〇s白-1)E(6) 其中0為待檢測區(qū)域微觀殘余應力，E為待檢測相的彈性模量； 利用公式化）的檢測方法步驟如下： 第一步：選用包含邸SD系統(tǒng)的場發(fā)射電鏡，在待檢測試樣表面收集各檢測點的位置數(shù) 據(jù)、歐拉角數(shù)據(jù)，并利用邸SD系統(tǒng)推導出在0.5°~5°區(qū)間內的原位取向差分布數(shù)據(jù)； 第二步：檢測結束后，采用X-Y坐標系表征檢測結果，設檢測方向為X軸，沿X軸劃分若 干等長度子區(qū)域，每個子區(qū)域在X軸上的長度為0. 5~加m， 針對每個子區(qū)域，對所有檢測點在X軸的取值采用唯一的X值表征，所有檢測點在X軸 的取值求平均值，即獲得唯一的X值； 每個子區(qū)域的原位取向差分布數(shù)據(jù)的表示為（fi，i)，i為子區(qū)域內任意檢測點的原位 取向差值，i取0.5°~5°A是原位取向差等于i值的檢測點數(shù)量占該子區(qū)域內所有檢 測點數(shù)量的百分比； 對各子區(qū)域內所有檢測點的原位取向差值采用唯一Y值表征，表征方法如下：
Y值即公式化）中的0值；使各個子區(qū)域擁有唯一的X值和Y值W表征該子區(qū)域的原 位取向差，集合各子區(qū)域的X值和Y值，擬合得出用于表征整體檢測區(qū)域原位取向差分布函 數(shù)； 第=步：采用公式0 =(cos0 -1化將原位取向差值轉化為微觀殘余應力值，從而將整 體檢測區(qū)域的原位取向差分布函數(shù)轉化為表征整體檢測區(qū)域的殘余應力分布函數(shù)。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種金屬基復合材料微觀殘余應力的檢測方法，其特征在 于，所述金屬基復合材料由金屬相和非金屬相組成。
3. 根據(jù)權利要求2所述的一種金屬基復合材料微觀殘余應力的檢測方法，其特征在 于，所述金屬基復合材料為顆粒增強型金屬基復合材料、纖維增強型金屬基復合材料或= 維網絡結構增強型金屬基復合材料。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種金屬基復合材料微觀殘余應力的檢測方法，屬于復合材料微觀表征技術領域。所述方法以EBSD理論為基礎，結合材料力學理論，建立微觀區(qū)域殘余應力與原位取向差參數(shù)之間的關系，先獲取各檢測點的位置數(shù)據(jù)、歐拉角數(shù)據(jù)和原位取向差數(shù)據(jù)；然后建立X-Y坐標系，表征整體檢測區(qū)域原位取向差分布函數(shù)；最后再采用公式σ＝(cosθ-1)E表征整體檢測區(qū)域的殘余應力分布函數(shù)，從而通過對EBSD參數(shù)的數(shù)據(jù)處理，最終定量表征金屬基復合材料的微觀殘余應力分布。
【IPC分類】G01N23-203
【公開號】CN104792808
【申請?zhí)枴緾N201410717568
【發(fā)明人】馬壯, 薛遼豫, 王富恥, 王揚衛(wèi)
【申請人】北京理工大學
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2014年12月1日