残余应力与表面粗糙度对IN718仪器化压痕测试力学性能测量的耦合影响研究

《Journal of Materials Research and Technology》：Effects of residual stress and surface roughness on measurement of mechanical properties of IN718 by instrumented indentation testing

本研究针对仪器化压痕测试(IIT)中材料表面状态影响测量准确性的关键问题，通过实验与数值模拟相结合的方法，系统探究了残余应力和表面粗糙度对镍基高温合金IN718压痕力学行为的单独及耦合作用机制。研究发现残余应力显著改变载荷-位移曲线形态和硬度值(误差±8%内可预测)，而表面粗糙度主要导致数据分散性增加。研究提出了标准化表面粗糙度Sa/h<0.02的控制阈值，并为ISO 14577国际标准的修订提供了分级管理建议，对提升在役设备材料性能评估可靠性具有重要意义。

　　

在航空航天、能源装备等高端制造领域，镍基高温合金IN718因其优异的高温强度和耐腐蚀性能成为关键结构材料。如何准确评估这类材料在复杂工况下的力学性能演化，直接关系到装备的安全运行寿命。传统拉伸测试需要破坏样品，而仪器化压痕测试（Instrumented Indentation Testing, IIT）作为一种微损检测技术，可通过纳米级压痕获取材料的弹性模量、硬度和屈服强度等参数，成为在役设备性能监测的重要手段。然而，实际工程构件表面往往存在加工引起的残余应力和粗糙度，这些表面状态因素会显著干扰IIT测量结果的准确性，甚至导致对材料性能的误判。

当前国际标准ISO 14577虽对IIT测试条件有所规范，但对表面粗糙度的容限要求过于宽松（Sa/h≤0.05），且对残余应力仅给出"应避免"的定性建议，缺乏量化控制指南。更关键的是，以往研究多聚焦单一表面因素的影响，对残余应力与表面粗糙度的耦合作用机制认识不足，这严重制约了IIT技术在工程实践中的精准应用。

针对这一技术瓶颈，华东理工大学机械与动力工程学院的研究团队在《Journal of Materials Research and Technology》上发表了最新研究成果。该研究通过精巧的实验设计与先进的数值模拟相结合，首次系统揭示了残余应力和表面粗糙度对IN718合金压痕力学行为的协同影响规律。研究人员采用超声表面滚压（USRP）技术精确调控试样表面残余应力水平，结合电化学抛光制备不同粗糙度的样品，利用纳米压痕仪（Nano Indenter G200）获取载荷-位移曲线。同时，基于ABAQUS平台建立三维有限元模型，采用任意拉格朗日-欧拉（ALE）自适应网格技术解决大变形导致的网格畸变问题，并通过RufGen插件生成符合高斯分布的粗糙表面，实现了从理想光滑表面到实际粗糙表面的多尺度仿真。

在微观结构表征方面，研究团队综合运用扫描电镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）和透射电镜（TEM）等技术，揭示了IN718合金中δ相沿晶界分布、γ′/γ″强化相在基体内弥散析出的典型组织特征。特别值得注意的是，通过对比晶内与晶界区域的纳米压痕测试，发现δ相的存在使晶界附近硬度（5.01±0.09 GPa）显著高于晶内区域（4.47±0.16 GPa），这为理解表面效应与微观组织的交互作用提供了重要依据。

在残余应力单独影响研究方面，模拟结果表明：压缩残余应力（σ_r/σ_y=-0.9）使载荷-位移曲线左移，最大载荷P_max增加；而拉伸残余应力（σ_r/σ_y=0.9）则产生相反效果。这种不对称性在浅压痕（500nm）中尤为显著，压缩应力使硬度提升74%，拉伸应力导致硬度下降51%。研究人员创新性地建立了硬度与归一化残余应力的线性经验公式：H/H₀=1+η(σ_r/σ_y)，其中η=0.33，该模型预测误差控制在±8%以内。

关于表面粗糙度的研究发现更具工程指导价值：当标准化粗糙度Sa/h>0.05时，硬度测量误差急剧增大至45%；而将Sa/h控制在0.02以下，则可将误差稳定在3%以内。研究首次提出基于精度需求的分级管理策略：常规检测可接受Sa/h≤0.05（误差<10%），高精度测量则需Sa/h<0.02。

最引人注目的是对耦合效应的揭示：残余应力会加剧粗糙表面压痕数据的分散性，其中拉伸应力的放大效应尤为明显。但令人意外的是，两种因素的耦合并非简单线性叠加，表面粗糙度始终是主导硬度测量结果的首要因素。例如在σ_r=130MPa条件下，Sa=0.07μm模型的硬度仅下降1.8%，而Sa=0.21μm模型反而上升1.5%，表现出复杂的非线性特征。

该研究对ISO 14577标准提出了具体修订建议：针对表面粗糙度实施分级管控，明确高精度测试的Sa/h<0.02阈值；对残余应力应建立量化控制指标（如σ_r/σ_y≤0.1），并推荐X射线衍射（XRD）等定量检测方法。这些建议为提升IIT测试结果的可靠性和跨实验室可比性提供了技术依据。

这项研究的创新之处在于首次系统量化了表面状态因素对IIT测试的耦合影响，建立了考虑残余应力和粗糙度的误差预测模型。所提出的标准化控制阈值和分级管理策略，不仅适用于镍基高温合金，也可推广至其他金属材料的微损检测领域，为在役设备的结构完整性评估提供了更精准的技术手段。未来研究可进一步拓展至高温环境下的压痕响应分析，以及不同微观组织（如单晶/多晶）对表面效应敏感性的差异研究。