工程材料表面残余应力的存在影响着机械零部件的服役性能，例如抗疲劳、抗断裂、耐腐蚀和尺寸稳定性等，其测试成为当前应用领域备受关注的力学问题之一。测试残余应力的技术目前主要有钻孔、切割、X射线衍射、中子衍射、超声和磁性等，其各具优缺点，分别适用于若干种特定工况下的测试。与这些传统测试技术相比，仪器化压入技术具有表面、微区(10-1μm～102μm)、微损、快速(10-1min～100min)等特点，适用于多种条件下残余应力的测试，具有良好发展前景。　　仪器化压入测试技术由分析方法和压入测量组成。当前研究集中于分析方法的发展，缺乏对压入测量可靠性的研究，不能形成有效的测试技术;而现有分析方法的研究，或设定的假设不够严密，或选取的分析参量不能直接测量，或缺乏有效的试验验证。本论文针对这些问题，以实用化为目的，以操作便捷、测试准确为宗旨，发展金属材料表面残余应力的仪器化压入测试技术。具体工作如下。　　建立基于锥形压入测定材料表面残余应力的分析方法。假设试样材料为线弹-幂硬化、残余应力沿压入深度分布均匀、压头为理想刚性锥体，借助量纲分析和数值模拟，建立起残余应力与压入可测参量（相对加载曲率）之间的关系式;以此为基础，发展锥形压入识别材料表面残余应力的分析方法。采用数值模拟验证本分析方法的准确性。当为拉应力时，残余应力计算误差通常小于10％;当为压应力时，残余应力计算误差通常小于20％。采用误差传递研究本分析方法的稳定性。对屈服应变、硬化指数和相对加载曲率分别引入±5％、±0.02和±5％的偏差，残余应力的偏差可以分别控制在10％、5％和5％以内。本分析方法的特点为分析参量易精确测量，准确性和稳定性好。　　建立基于球形压入测定材料表面残余应力的分析方法。假设试样材料为线弹-幂硬化、残余应力沿压入深度分布均匀、压头为理想刚性球体，借助量纲分析和数值模拟，建立起残余应力与压入可测参量（相对压入载荷）之间的关系式;采用数值模拟验证本识别表达式的准确性，其准确程度与锥形压入分析方法的准确程度相当;采用误差传递研究本识别表达式的稳定性，其稳定程度同样与锥形压入分析方法的稳定程度相当。集成同课题组Yu Chang(于畅)等提出的材料参数分析方法与此残余应力识别表达式，发展基于球形压入识别残余应力和材料参数的一体化分析方法。本压入分析方法的特点为识别参数多元、操作便捷和测试高效。　　试验验证锥形压入和球形压入分析方法的可靠性。设计预应力加载装置，通过对无残余应力试样施加预应力来等效材料表面残余应力，此预应力值可通过力值传感器测定;选用四种常见金属材料(紫铜T2、硬铝LY12、铝合金Al7075和钛合金TC4)进行单轴拉伸和压入试验。以预应力加载装置测定的应力值作为约定参考值，将两种压入分析方法计算的应力值与之比较，以检验两种分析方法在实际测试中的可靠性。通常，残余应力的预测绝对误差均在50MPa以内，预测相对误差均在20％以内。　　拟定压入试验数据评估准则。分析压入测试的影响因素。针对宏观压入仪Zwick ZHU2.5/Z2.5，导出dh/d√F和HM与压入深度之间的关系。以dh/d√F和HM作为观测参量，建立宏观压入试验数据的评估准则。本试验数据评估准则简单，即通过结合dh/d√F-压入深度曲线、HM-压入深度曲线是否保持水平和试验结果的重复性是否满足要求，判定试验数据的有效性。　　集成材料表面残余应力的锥形和球形压入分析方法，开发与LNM现有仪器Zwick ZHU2.5/Z2.5配套使用的分析处理程序，形成测试技术。利用本程序，可通过有无残余应力的压入曲线，自动确定相应的分析参量并计算出残余应力值。本测试技术具有操作便捷、测试高效等优点。