基于Berkovich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Berkovich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Berkovich壓頭儀器化壓入金屬材料所得載荷-位移曲線及Berkovich壓痕確定金屬材料的應變硬化指數(shù)n、彈性模量E、條件屈服強度σ0.2及強度極限σb。與使用兩個或兩個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Berkovich壓頭對金屬材料實施儀器化壓入測試并輔以Berkovich壓痕幾何參數(shù)測試即可確定金屬材料的應變硬化指數(shù)n、彈性模量E、條件屈服強度σ0.2及強度極限σb，避免了測試前需要單獨設計加工不同于標準凌錐壓頭錐頂角的非標準棱錐壓頭問題，以及測試過程中需要更換壓頭及由此導致的需要對儀器柔度進行重新標定的問題，提高了測試效率。
【專利說明】基于Berkovich壓痕的材料彈塑性參數(shù)儀器化壓入測試方 法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于材料力學性能測試領域。具體涉及一種利用儀器化壓入儀和 Berkovich壓頭測試金屬材料應變硬化指數(shù)、彈性模量、條件屈服強度〇α2及強度極限〇b 的方法。

【背景技術】
[0002] 儀器化壓入測試技術通過實時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)儀器化壓入響應與被 測材料力學性能參數(shù)間的無量綱函數(shù)關系式，可識別被測材料的諸多力學性能參數(shù)。
[0003] 材料彈性模量的儀器化壓入測試主要有W. C. 01 iver和G. Μ. Pharr提出的 "Oliver-Phan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"在應用于低應變硬化指數(shù)的被測材料時，測試結(jié)果嚴重偏離 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變硬化指數(shù)未知，因此設法識別被測試材料的應變硬化指數(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] 材料應變硬化指數(shù)與屈服強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錐壓頭壓入法，其中應用單一球壓頭壓入法遇到的 困難是制造半徑為幾個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變硬化指數(shù)與屈服強度的儀器化壓入測試方法在實際應用或工程 化方面難有作為。應用多個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，同時需要對儀器柔度進行重新標定，而精確標定儀器柔度既耗 時又困難，因此應用多錐壓頭壓入法進行測試其效率較低。
[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Berkovich壓痕的金屬材料應變硬化指數(shù)、彈性模量、條件屈服強度 〇 α2及強度極限 σ b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Berkovich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)包括應變硬化指數(shù)、彈性模量、條 件屈服強度σ α2及強度極限〇b。與使用兩個或兩個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 Berkovich壓頭對金屬材料實施儀器化壓入測試并輔 以Berkovich壓痕幾何參數(shù)測試即可確定金屬材料的應變硬化指數(shù)η、彈性模量E、條件屈 服強度O ci 2及強度極限〇b，避免了測試前需要單獨設計加工不同于標準凌錐壓頭錐頂角 的非標準棱錐壓頭問題，以及測試過程中需要更換壓頭及由此導致的需要對儀器柔度進行 重新標定的問題，提高了測試效率。
[0007] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術方案：
[0008] -種基于Berkovich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 Berkovich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 變硬化指數(shù)、彈性模量、條件屈服強度σ α2及強度極限〇b ;首先，利用Berkovich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變硬化指數(shù)確定金屬 材料的條件屈服強度O tl 2與強度極限〇b。具體包括以下步驟：
[0009] 1)利用儀器化壓入儀和金剛石Berkovich壓頭對被測材料實施某一最大壓入 載荷為P m的儀器化壓入測試，獲得壓入載荷-位移曲線，同時利用該曲線確定金剛石 Berkovich壓頭的最大壓入深度hm、名義硬度Hn = Pm/A(hm)，其中，A(hm)為對應最大壓入 深度時的金剛石Berkovich壓頭橫截面積，當不考慮金剛石Berkovich壓頭尖端鈍化時 X(Zzm) = 24.5/?^，而考慮金剛石Berkovich壓頭尖端鈍化時，則A(hm)應由金剛石Berkovich 壓頭的面積函數(shù)4〇1)來確定，即決/〇 = _)|/^;
[0010] 2)通過分別積分載荷-位移曲線關系中的加載曲線和卸載曲線計算壓入加載功 Wt、卸載功We，并在此基礎上計算壓入比功We/Wt ;
[0011] 3)借助顯微鏡分別量取Berkovich壓痕中心至三個壓痕邊界的距離：C^d2和d 3， 并確定中邊距d = (￠^+4+(^)/3及其與名義中邊距dn = hmtan65. 274°之比d/dn ;
[0012] 4)根據(jù)4個不同硬化指數(shù)Oi1 = 0, n2 = 0. 15, n3 = 0. 30, n4 = 0. 45)下的儀器 化壓入比功We/Wt與d/dn的關系

【權利要求】
1. 一種基于Berkovich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 Berkovich壓頭儀器化壓入金屬材料所得載荷-位移曲線及Berkovich壓痕確定金屬材料 的應變硬化指數(shù)η、彈性模量E、條件屈服強度〇α2及強度極限〇b，具體包括以下步驟： 1) 利用儀器化壓入儀和金剛石Berkovich壓頭對被測材料實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，同時利用該曲線確定金剛石Berkovich壓 頭的最大壓入深度hm、名義硬度Hn =Pm/A(hm)，其中，A(hm)為對應最大壓入深度時的金剛 石Berkovich壓頭橫截面積，當不考慮金剛石Berkovich壓頭尖端鈍化時J(Am) = 24.5?， 而考慮金剛石Berkovich壓頭尖端鈍化時，則A(hm)應由金剛石Berkovich壓頭的面積函 數(shù)A(h)來確定，即 = ; 2) 通過分別積分載荷-位移曲線關系中的加載曲線和卸載曲線計算壓入加載功Wt、卸 載功We，并在此基礎上計算壓入比功We/Wt ; 3) 借助顯微鏡分別量取Berkovich壓痕中心至三個壓痕邊界的距離=Clpd2和d3，并確 定中邊距d= (￠^+4+(^)/3及其與名義中邊距dn =dmtan65. 274。之比d/dn ; 4) 根據(jù)4個不同硬化指數(shù)Oi1 = 0,n2 = 0. 15,n3 = 0. 30,n4 = 0. 45)下的儀器化壓 入比功We/Wt與d/dn的關系(d/iU ，其中，i取值分別為1、2、3、4(相應于 y=〇 4個不同的硬化指數(shù)），多項式系數(shù)aij(i= 1，...，4;j=0，1，2)的取值為：
分別確定i取1、2、3、4時的相應（d/U),值，然后根據(jù)拉格朗日插值公式確定n':
進一步根據(jù)非負原則確定被測試材料的應變硬化指數(shù)η: n=max{η'，0} 5) 根據(jù)4個不同硬化指數(shù)nji= 1，2,3,4)下的儀器化壓入比功We/Wt與比值凡/艮的 關系風，其中，E。為被測試材料與金剛石Berkovich壓頭的聯(lián)合彈性 7=〇 模量，多項式系數(shù)b"(i= 1，. . .，4 ;j= 0, . . .，6)的取值為：
分別確定i取1、2、3、4時的相應（H1ZEc)i值，然后利用拉格朗日插值公式確定Hn/E。：
進一步根據(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Berkovich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: 五=(l_v2)/[l/￡；-1.32(1-0/6] 其中，金剛石Berkovich壓頭的彈性模量Ei = 1141GPa，泊松比Vi= 〇. 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個不同硬化指數(shù)nji= 1，2,3,4)及3個不同被測試材料與金剛石壓頭平面 應變彈性模量之比n」(j= 1，2,3) (Il1 = 0. 0671，η2 = 0. 1917,η3 = 0. 3834)下的儀器 化壓入比功We/Wt與屈服強度同名義硬度的比值關系(力/札)(：/=；^>#凡/以，其中，多項 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l、2、3、4，j取1、2、3時的相應（。/!1丄」(1 = 1，...，4;」=1，2,3)值，然 后根據(jù)" = [E/Cl-V2；)]/[￡；/(l-vf)]&ITjU= 1，2,3)值由拉格朗日插值公式確定Oy/ Hn =
進一步根據(jù)儀器化壓入名義硬度Hn及比值〇/扎確定被測試材料的屈服強度〇y : 〇y =Hn(QyZHn) 及由關系式σα2= 〇yh[〇a2+0.002E]n確定被測試材料的條件屈服強度〇α2; 7) 計算ey= 〇y/E，并由關系式?=η[1 + (1-2ν)ε；Γη4]確定eb，最后確定被測試材料 的強度極限σu :
2.如權利要求1所述的一種基于Berkovich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】G01N3/42GK104237037SQ201410349761
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年7月23日 優(yōu)先權日: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院