基于Vickers壓痕的材料彈塑性參數(shù)儀器化壓入測試方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于Vickers壓痕的金屬材料彈塑性參數(shù)儀器化壓入測試方法，該方法利用Vickers壓頭儀器化壓入金屬材料所得載荷-位移曲線及Vickers壓痕確定金屬材料的應(yīng)變硬化指數(shù)n、彈性模量E、條件屈服強(qiáng)度σ0.2及強(qiáng)度極限σb。與使用兩個(gè)或兩個(gè)以上不同錐頂角的棱錐壓頭儀器化壓入測試方法相比，該方法僅使用單一Vickers壓頭對金屬材料實(shí)施儀器化壓入測試并輔以Vickers壓痕幾何參數(shù)測試即可確定金屬材料的應(yīng)變硬化指數(shù)n、彈性模量E、條件屈服強(qiáng)度σ0.2及強(qiáng)度極限σb，避免了測試前需要單獨(dú)設(shè)計(jì)加工不同于標(biāo)準(zhǔn)凌錐壓頭錐頂角的非標(biāo)準(zhǔn)棱錐壓頭問題，以及測試過程中需要更換壓頭及由此導(dǎo)致的需要對儀器柔度進(jìn)行重新標(biāo)定的問題，提高了測試效率。
【專利說明】基于Vickers壓痕的材料彈塑性參數(shù)儀器化壓入測試方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料力學(xué)性能測試領(lǐng)域。具體涉及一種利用儀器化壓入儀和Vickers壓頭測試金屬材料應(yīng)變硬化指數(shù)、彈性模量、條件屈服強(qiáng)度σ ^ 2及強(qiáng)度極限0,的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]儀器化壓入測試技術(shù)通過實(shí)時(shí)同步測量作用于金剛石壓頭上的壓入載荷與金剛石壓頭壓入被測材料表面的壓入深度獲得壓入載荷-位移曲線，根據(jù)儀器化壓入響應(yīng)與被測材料力學(xué)性能參數(shù)間的無量綱函數(shù)關(guān)系式，可識別被測材料的諸多力學(xué)性能參數(shù)。
[0003]材料彈性模量的儀器化壓入測試主要有W.C.0liver和G.M.Pharr提出的“Oliver-Pharr方法”或“斜率方法”和馬德軍提出的“馬德軍方法”或“純能量方法”。“斜率方法”的理論基礎(chǔ)為小變形彈性理論，由于未考慮被測材料在壓頭作用下的塑性行為和幾何大變形，使得“斜率方法”在應(yīng)用于低應(yīng)變硬化指數(shù)的被測材料時(shí)，測試結(jié)果嚴(yán)重偏離彈性模量真值。“純能量方法”考慮了材料、幾何和接觸邊界條件的非線性，其彈性模量的測試精度因此高于“斜率方法”。盡管如此，“純能量方法”依然存在一定的理論測試誤差，該誤差源于被測材料的應(yīng)變硬化指數(shù)未知，因此設(shè)法識別被測試材料的應(yīng)變硬化指數(shù)是提高材料彈性模量儀器化壓入測試精度的唯一有效途徑。
[0004]材料應(yīng)變硬化指數(shù)與屈服強(qiáng)度的儀器化壓入測試目前存在基于球形壓頭的單一球壓頭壓入法和基于不同錐頂角的多個(gè)錐壓頭壓入法，其中應(yīng)用單一球壓頭壓入法遇到的困難是制造半徑為幾個(gè)或幾十微米的球形壓頭其幾何加工精度難以滿足測試要求，因此，基于球形壓頭的材料應(yīng)變硬化指數(shù)與屈服強(qiáng)度的儀器化壓入測試方法在實(shí)際應(yīng)用或工程化方面難有作為。應(yīng)用多個(gè)錐壓頭壓入法不存在壓頭制造方面的問題，但測試過程需要更換不同錐頂角的棱錐壓頭，同時(shí)需要對儀器柔度進(jìn)行重新標(biāo)定，而精確標(biāo)定儀器柔度既耗時(shí)又困難，因此應(yīng)用多錐壓頭壓入法進(jìn)行測試其效率較低。
[0005]針對目前金屬材料彈塑性參數(shù)儀器化壓入測試中存在的問題，本發(fā)明提出了一種基于Vickers壓痕的金屬材料應(yīng)變硬化指數(shù)、彈性模量、條件屈服強(qiáng)度σα2及強(qiáng)度極限的儀器化壓入測試方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種基于Vickers壓痕的金屬材料彈塑性參數(shù)儀器化壓入測試方法，利用該方法可以確定金屬材料的彈塑性參數(shù)包括應(yīng)變硬化指數(shù)、彈性模量、條件屈服強(qiáng)度σ ^ 2及強(qiáng)度極限ob。與使用兩個(gè)或兩個(gè)以上不同錐頂角的棱錐壓頭儀器化壓入測試方法相比，該方法僅使用單一 Vickers壓頭對金屬材料實(shí)施儀器化壓入測試并輔以Vickers壓痕幾何參數(shù)測試即可確定金屬材料的應(yīng)變硬化指數(shù)η、彈性模量E、條件屈服強(qiáng)度σ ^ 2及強(qiáng)度極限Ob，避免了測試前需要單獨(dú)設(shè)計(jì)加工不同于標(biāo)準(zhǔn)凌錐壓頭錐頂角的非標(biāo)準(zhǔn)棱錐壓頭問題，以及測試過程中需要更換壓頭及由此導(dǎo)致的需要對儀器柔度進(jìn)行重新標(biāo)定的問題，提高了測試效率。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:
[0008]一種基于Vickers壓痕的金屬材料彈塑性參數(shù)儀器化壓入測試方法，該方法利用單一 Vickers壓頭儀器化壓入金屬材料所得載荷-位移曲線及壓痕確定金屬材料的應(yīng)變硬化指數(shù)、彈性模量、條件屈服強(qiáng)度σα2及強(qiáng)度極限ob;首先，利用Vickers壓痕中邊距與名義中邊距之比和儀器化壓入比功確定金屬材料的應(yīng)變硬化指數(shù)；其次，利用儀器化壓入比功、儀器化壓入名義硬度及測試所得應(yīng)變硬化指數(shù)確定金屬材料的彈性模量；最后，利用儀器化壓入比功、儀器化壓入名義硬度及測試所得彈性模量和應(yīng)變硬化指數(shù)確定金屬材料的條件屈服強(qiáng)度σ ^ 2與強(qiáng)度極限ob。具體包括以下步驟:
[0009]I)利用儀器化壓入儀和金剛石Vickers壓頭對被測材料實(shí)施某一最大壓入載荷為Pm的儀器化壓入測試，獲得壓入載荷-位移曲線，同時(shí)利用該曲線確定金剛石Vickers壓頭的最大壓入深度hm、名義硬度Hn = Pm/A(hm)，其中，A(hm)為對應(yīng)最大壓入深度時(shí)的金剛石Vickers壓頭橫截面積，當(dāng)不考慮金剛石Vickers壓頭尖端鈍化時(shí)

【權(quán)利要求】
1.一種基于Vickers壓痕的材料彈塑性參數(shù)儀器化壓入測試方法，該方法利用Vickers壓頭儀器化壓入金屬材料所得載荷-位移曲線及Vickers壓痕確定金屬材料的應(yīng)變硬化指數(shù)η、彈性模量E、條件屈服強(qiáng)度0(|.2及強(qiáng)度極限Ob，具體包括以下步驟: 1)利用儀器化壓入儀和金剛石Vickers壓頭對被測材料實(shí)施某一最大壓入載荷為Pm的儀器化壓入測試，獲得壓入載荷-位移曲線，同時(shí)利用該曲線確定金剛石Vickers壓頭的最大壓入深度hm、名義硬度Hn = Pm/A(hm)，其中，AQO為對應(yīng)最大壓入深度時(shí)的金剛石Vickers壓頭橫截面積，當(dāng)不考慮金剛石Vickers壓頭尖端鈍化時(shí)A(hm)=24.5h2m而考慮金剛石Vickers壓頭尖端鈍化時(shí),則A (hm)應(yīng)由金剛石Vickers壓頭的面積函數(shù)A (h)來確定，即
； 2)通過分別積分載荷-位移曲線關(guān)系中的加載曲線和卸載曲線計(jì)算壓入加載功Wt、卸載功we，并在此基礎(chǔ)上計(jì)算壓入比功wywt ； 3)借助顯微鏡分別量取Vickers壓痕中心至四個(gè)壓痕邊界的距離士、d2、d3和d4，并確定中邊距d = ((^+4+(^+(14)/4及其與名義中邊距dn = hmtan68°之比d/dn ； 4)根據(jù)4個(gè)不同硬化指數(shù)Oi1= O, n2 = 0.15, n3 = 0.30, n4 = 0.45)下的儀器化壓入比功We/Wt與d/dn的關(guān)系
，其中，i取值分別為1、2、3、4(相應(yīng)于

4個(gè)不同的硬化指數(shù))，多項(xiàng)式系數(shù)aij(i = l，...，4;j =0，1，2)的取值為:
分別確定i取1、2、3、4時(shí)的相應(yīng)((Vdn)i值，然后根據(jù)拉格朗日插值公式確定n':
進(jìn)一步根據(jù)非負(fù)原則確定被測試材料的應(yīng)變硬化指數(shù)η: n = max {nf，0} 5)根據(jù)4個(gè)不同硬化指數(shù)Hi(i = 1，2，3，4)下的儀器化壓入比功We/Wt與比值Hn/E。的關(guān)系IEc\ =^blJiWjWtY，其中，E。為被測試材料與金剛石Vickers壓頭的聯(lián)合彈性模量，多項(xiàng)式系數(shù)bu(i = 1，...，4 ; j = 0，...，6)的取值為:
分別確定i取1、2、3、4時(shí)的相應(yīng)(H1ZEc)i值，然后利用拉格朗日插值公式確定Hn/E。:
進(jìn)一步根據(jù)儀器化壓入名義硬度Hn及比值Hn/E。確定被測試材料與金剛石Vickers壓頭的聯(lián)合彈性模量E。:
Ec = Hn/(Hn/Ec) 及被測試材料的彈性模量E:
其中，金剛石Vickers壓頭的彈性模量Ei = 1141GPa,泊松比Vi = 0.07,被測試材料的泊松比V可根據(jù)材料手冊確定； 6)根據(jù)4個(gè)不同硬化指數(shù)Iii(i = 1，2，3，4)及3個(gè)不同被測試材料與金剛石壓頭平面應(yīng)變彈性模量之比 n」(j = 1，2，3) (Ii1 = 0.0671，n2 = 0.1917，n3 = 0.3834)下的儀器化壓入比功We/Wt與屈服強(qiáng)度同名義硬度的比值關(guān)系，其中，多項(xiàng)





k-Q 式系數(shù) Cijk (i = l，...，4;j = l，2，3;k = 0，...，6)的取值為:
分別確定 i 取 1、2、3、4，j 取 1、2、3 時(shí)的相應(yīng)= 1，...，4 ; j = 1，2，3)值，然后根
及n」(j = 1,2,3)值由拉格朗日插值公式確定Oy/Hn =
進(jìn)一步根據(jù)儀器化壓入名義硬度Hn及比值oy/Hn確定被測試材料的屈服強(qiáng)度Oy:
0 y = Ηη(σ y/Hn) 及由關(guān)系式σα2= σ/_η[σα2+0.002Ε]η確定被測試材料的條件屈服強(qiáng)度0。.2; 7)計(jì)算ey= %/E，并由關(guān)系式sb=?[l + (l-2v)<W]確定eb，最后確定被測試材料的強(qiáng)度極限σ b:
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于Vickers壓痕的材料彈塑性參數(shù)儀器化壓入測試方法，其中，步驟5) 中，如果被測材料的泊松比不能由材料手冊確定，則取值為0.3。
【文檔編號】G01N3/42GK104165814SQ201410348309
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年7月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月23日
【發(fā)明者】馬德軍, 陳偉, 王家梁, 宋仲康, 叢華 申請人:中國人民解放軍裝甲兵工程學(xué)院