在实际工程中,残余应力会对材料的力学性能产生很大的影响,使其达不到设计要求。压痕应变法具有测量精度高、微损伤等特点,但该方法需要进行标定实验,未知主应力方向条件下的残余应力测量过程也较为复杂。因此,本文基于压痕应变法从仿真和实验两个方面对残余应力进行定量分析,获得了金属材料残余应力与卸载后应变增量的定量关系,并对测量方法作了相应改进。首先,本文采用ABAQUS软件模拟了直径为1 mm的球形压头压入试件并卸载的全过程,得到了卸载后试件表面的应力应变关系。通过对大量仿真数据的分析,选取距压痕中心3 mm处为应变增量获取位置,球形压头上的加载力为960 N。提取不同残余应力下指定位置的应变增量,发现应变增量与单轴、双轴残余应力皆呈线性关系,验证了压痕应变法的可行性。为了增强仿真结果的通用性,分析了材料参数对应变增量变化的影响,发现弹性模量、屈服强度、硬化指数分别与应变增量的变化呈线性、反比、对数关系。其次,本文通过自行设计的预应力施加装置,对试件施加大小不同的预应力,应用电子万能试验机和直径为1 mm的布氏压头完成加载和卸载过程。通过应变片测得距压痕中心3 mm处的应变增量,发现应变增量与单轴、双轴残余应力也呈线性关系,实验结果验证了仿真结果的准确性。最后,本文基于压痕应变法直接建立了应变增量与残余应力的关系,形成了较完整的残余应力测量方法。另外,本文对标定实验以及未知主应力方向条件下残余应力的测量进行了改进。通过将弹性模量、屈服强度、硬化指数的影响引入到应变增量与残余应力的关系中,提出了相应的经验公式,从而取代了耗时费力的标定实验。在未知主应力方向的条件下,提出了应变增量与双轴残余应力间的经验公式,根据隆起量和应变增量的大小判别残余应力的方向,达到测量残余应力的目的。同时分析了测量方法的灵敏度以及实验误差的来源。本文基于压痕应变法及其改进方法实现了对构件残余应力的测量,其测量精度达到了工程测量的标准,为残余应力的测量提供了新的思路。