專利名稱：一種確定材料微區(qū)塑性力學(xué)狀態(tài)方程的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料塑性力學(xué)范疇，涉及到材料微區(qū)塑性力學(xué)狀態(tài)方程的確定及其參數(shù)的具體測定方法。
通常測定材料塑性力學(xué)狀態(tài)方程是采用室溫應(yīng)力松弛試驗(yàn)法，首先將試樣拉伸預(yù)變形到一定硬化狀態(tài)，后固定總變形量不動(dòng)，由于彈性變形向塑性變形轉(zhuǎn)換產(chǎn)生應(yīng)力松弛，已知系統(tǒng)的彈性模量值，可把測定的應(yīng)力松弛速率轉(zhuǎn)換為塑性應(yīng)變速率，由于塑性應(yīng)變量很小，試樣的硬度基本不變，可視為是恒硬化狀態(tài)試驗(yàn)。測完一個(gè)松弛循環(huán)后再加載到更高塑性變形水平，再做一個(gè)松弛循環(huán)，得到的不同應(yīng)力-應(yīng)變速率關(guān)系曲線是在不同硬化狀態(tài)(不同初始應(yīng)變量)下測得的。材料拉伸變形過程的參量為應(yīng)力σ，應(yīng)變?chǔ)?，和?yīng)變速率 。任意瞬時(shí)變形時(shí)產(chǎn)生一定ε和 所需的σ為 和ε的函數(shù)，因而滿足下列塑性力學(xué)狀態(tài)方程變溫時(shí)，dlogσ=γdϵ+m,(dlogϵ.-qd(1/RT))----(1)]]> 恒溫時(shí)，dlogσ=γdϵ+mdlogϵ.----(2)]]> θ＝dσ/dε一加工硬化系數(shù)室溫應(yīng)力松弛試驗(yàn)法運(yùn)行周期很長，操作復(fù)雜，所得結(jié)果的處理也較復(fù)雜，試驗(yàn)所需成本很高。參考文獻(xiàn)1.Hart E.W.A phenomenological theory for plastic deformation of polycrystallinemetals，1970 Acta Met.，Vol，18，599.2.E.W.Hart，and C.Y.Li，et.al.Phenomenological Theory，149-197.3.Hart E.W.Theory of the tensile test，1967 Acta Met.，Vol.15，351.4.Hart E.W.Theory for the flow ofpolycrystals，1967 b Acta Met.，Vol.15，1545.
如上所述一種確定材料微區(qū)塑性力學(xué)狀態(tài)方程的方法，其特征在于材料的加工硬化系數(shù)的測定方法，采用Nano IndenterII納米顯微力學(xué)探針，測試在一定溫度T＝20℃±1℃下進(jìn)行，以恒定的加載速率加載到最大載荷，加載速率范圍為0.1-700mN/s，最大載荷范圍為0.1-700mN，接下來以恒定的載荷保持一定時(shí)間，壓頭的壓入深度范圍為50nm-3μm。
材料應(yīng)變速率敏感系數(shù)m的測定方法，在一定溫度T＝20℃±1℃下，試驗(yàn)采用納米力學(xué)探針以恒定的 的方式加載到最大載荷，然后以恒定載荷保載保持一定時(shí)間， 速度范圍為0.0001-1.0s-1，加載速率范圍為0.1-700mN/s。
由于設(shè)備受外界環(huán)境條件、樣品表面精度、電流及儀器本身的波動(dòng)等因素的影響，在實(shí)驗(yàn)測試中，采用多次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)方法，取重復(fù)性好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析討論，所以，每個(gè)加載速率在相同的條件下重復(fù)進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)。這種試驗(yàn)的設(shè)計(jì)，對具有恒硬化狀態(tài)的材料，恒定的 將得到恒定的硬化應(yīng)變速率( )。
該方法可確定一個(gè)具有一定組織結(jié)構(gòu)狀態(tài)的晶體在一定硬化狀態(tài)下的應(yīng)力(σ)、應(yīng)變(ε)和應(yīng)變速率( )，在此三個(gè)力學(xué)量中任意知道兩個(gè)，則可通過該塑性狀態(tài)力學(xué)方程計(jì)算出第三個(gè)力學(xué)量。因此可以理論計(jì)算材料在應(yīng)力作用下的塑性應(yīng)變行為，指導(dǎo)科研和生產(chǎn)。
該方法采用的壓入方法確定材料塑性狀態(tài)力學(xué)方程是首創(chuàng)，可以節(jié)省大量的時(shí)間和降低了成本、測量方法自動(dòng)化、精確度較高，操作簡便；并且解決了壓入法變形中加工硬化表征的難題，同時(shí)該方法還可以測定已有技術(shù)無法測定的材料。
具體實(shí)施例方式304不銹鋼的加工硬化系數(shù)采用Nano IndenterII納米顯微力學(xué)探針，對304不銹鋼樣品進(jìn)行顯微硬度壓入測試，304不銹鋼經(jīng)過1100℃真空固熔處理，表面經(jīng)電解拋光。測試在一定溫度T＝20℃±1℃下進(jìn)行，以恒定的加載速率7mN/s、23mN/s、62mN/s加載到最大載荷700mN，接下來以恒定的載荷保持10分鐘；每個(gè)加載速率在相同的條件下重復(fù)進(jìn)行十次實(shí)驗(yàn)。
在一定的加載速率下，隨著壓入深度的增加、壓入應(yīng)變速率的下降，由于存在加工硬化，使壓入深度比無加工硬化時(shí)的壓入深度要小，且隨著載荷的增加，壓入變形是逐漸減小的，壓應(yīng)力隨壓入深度的增加而減小，因此， 是負(fù)值；加工硬化率越小，此負(fù)值的絕對值越小。在恒定的加載速率 條件下，雖然壓入應(yīng)變速率 隨深度的增加而減小，但同時(shí)logH的絕對值也下降，二者在相同的數(shù)量內(nèi)變化，對304不銹鋼來講，對此范圍內(nèi)的加載速率的變化的敏感性差，因此，其壓入硬化率變化不大，其平均硬化系數(shù)為γ=dlogHdlogh|ϵ.,T=0.30±0.03]]>304不銹鋼的應(yīng)變速率敏感系數(shù)m的測定樣品為304不銹鋼經(jīng)過1100℃真空固熔處理，表面經(jīng)電解拋光，盡量減少表面處理對硬化狀態(tài)的影響，所獲得的數(shù)據(jù)是在壓頭的壓入深度為1000nm以上的范圍，以最大限度地避免表面層作用的影響，因材料的硬化可能受到表面層或暴露在環(huán)境條件下的影響。在一定溫度T＝20℃±1℃下，試驗(yàn)采用以恒定的 的方式加載到最大載荷700mN，分別以0.15s-1，0.05s-1，0.005s-1三個(gè)速度加載，然后以最大載荷700mN保載十分鐘。這種試驗(yàn)的設(shè)計(jì)，對具有恒硬化狀態(tài)的材料，恒定的 將得到恒定的硬化應(yīng)變速率( )，在試驗(yàn)測試中，采用多次重復(fù)性試驗(yàn)方法，取重復(fù)性好的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析討論，所以，每個(gè)加載速率在相同的條件下重復(fù)進(jìn)行十次試驗(yàn)。試驗(yàn)由Nano IndenterII顯微力學(xué)性能探針來完成。
在恒定的 加載過程中，硬度不變；在恒載荷的保持階段，由于壓入深度的繼續(xù)增加，硬度也隨著下降；隨著 的減小，硬度H也隨之降低。由 分別為0.15s-1，0.05s-1，0.005s-1的速度加載，得到相應(yīng)的硬度H和壓入應(yīng)變速率ε值，由此得到了在一定壓入變形條件下的應(yīng)變敏感系數(shù)的測量值，即m=dlogHdlogϵ.=0.015±0.009]]>其置信度為87％。
權(quán)利要求
1.一種確定材料微區(qū)塑性力學(xué)狀態(tài)方程的方法，在壓入法測量的條件下，載荷P，壓應(yīng)力H和壓入深度h之間滿足P＝Ch2H(C為常數(shù)) (3)材料壓入變形過程的參量為P，H，ε( )，和 而載荷P和單位面積受的壓應(yīng)力H、壓入深度h變量之間有相互關(guān)系式(3)。材料硬化程度的表征是H*，它是材料的硬度，它只是材料特性的函數(shù)，材料在一定載荷下達(dá)到的最終壓入深度時(shí)計(jì)算得到的H值是材料的硬度；本發(fā)明的特征在于根據(jù)壓入法關(guān)系式(3)確定了材料微區(qū)塑性力學(xué)狀態(tài)方程，對于具有一定硬度的材料，在任意瞬時(shí)變形時(shí)dH，dε，和 滿足(2)式所示的關(guān)系dlogH=∂logH∂ϵ|ϵ.,Tdϵ+∂logH∂logϵ.|ϵ,Tdlogϵ.]]>=γdlogh+mdlogϵ.----(4)]]>式中，m是應(yīng)變速率敏感系數(shù)m=∂logH∂logϵ.|ϵ,T----(5)]]>γ是名義加工硬化系數(shù)，是加工硬化系數(shù)的表征γ=∂logH∂ϵ|ϵ.,T----(6)]]>恒溫下m和γ都是硬化狀態(tài)H*和應(yīng)變速率 的函數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的確定材料微區(qū)塑性力學(xué)狀態(tài)方程的方法，其特征在于材料的加工硬化系數(shù)的測定采用了Nano IndenterII納米顯微力學(xué)探針，測試在一定溫度T＝20℃±1℃下進(jìn)行，以恒定的加載速率加載到最大載荷，加載速率范圍為0.1-700mN/s，最大載荷范圍為0.1-700mN，接下來以恒定的載荷保持一定時(shí)間，壓頭的壓入深度范圍為50nm-3μm。
3.如權(quán)利要求1所述的確定材料微區(qū)塑性力學(xué)狀態(tài)方程的方法，其特征在于材料應(yīng)變速率敏感系數(shù)m的測定是在一定溫度T＝20℃±1℃下進(jìn)行的，采用納米力學(xué)探針以恒定的 的方式加載到最大載荷，然后以恒定載荷保載保持一定時(shí)間， 速度范圍為0.0001-1.0s-1，加載速率范圍為0.1-700mN/s。
全文摘要
一種確定材料微區(qū)塑性力學(xué)狀態(tài)方程的方法。本發(fā)明根據(jù)壓入法測量的條件下,載荷P,壓應(yīng)力H和壓入深度h之間有相互關(guān)系式P=Ch
文檔編號(hào)G01N3/40GK1342892SQ0113445
公開日2002年4月3日 申請日期2001年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月5日
發(fā)明者王艷麗, 林志, 林均品, 宋西平, 惠希東, 陳國良 申請人:北京科技大學(xué)