基于單一Vickers壓頭的材料彈塑性參數儀器化壓入測試方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于單一Vickers壓頭的材料彈塑性參數儀器化壓入測試方法，該方法利用壓痕位置具有特殊聚集方式的三次儀器化壓入載荷-深度曲線確定金屬材料的應變硬化指數、彈性模量和條件屈服強度σ0.2。該方法具有如下優點：(1)僅需使用單一金剛石Vickers壓頭即可實現對金屬材料應變硬化指數、彈性模量和條件屈服強度σ0.2的測試；(2)基于測試所得材料應變硬化指數，可實現對材料彈性模量的高精度測試；(3)三次儀器化壓入壓痕位置具有聚集性，可實現對微區域材料彈塑性參數的測試。
【專利說明】基于單一Vickers壓頭的材料彈塑性參數儀器化壓入測試方法
【技術領域】
[0001]本發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單一Vickers壓頭測試金屬材料應變硬化指數、彈性模量和條件屈服強度σ α2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-深度曲線，根據儀器化壓入響應與被測材料力學性能參數間的無量綱函數關系式，可識別被測材料的諸多力學性能參數。
[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的被測材料時，測試結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未知，因此設法識別被測試材料的應變硬化指數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]針對目前材料彈塑性參數儀器化壓入測試中存在的問題，本發明提出了一種基于單一 Vickers壓頭的金屬材料應變硬化指數、彈性模量和條件屈服強度σ α2的儀器化壓入測試方法。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是提供一種基于單一 Vickers壓頭的材料彈塑性參數儀器化壓入測試方法，以解決利用壓痕位置具有特殊聚集方式的三次儀器化壓入載荷-深度曲線確定金屬材料的應變硬化指數、彈性模量和條件屈服強度σα2的技術問題。
[0007]為了實現上述目的，本發明采用如下的技術方案:
[0008]一種基于單一 Vickers壓頭的材料彈塑性參數儀器化壓入測試方法，該方法利用壓痕位置具有特殊聚集方式的三次儀器化壓入載荷-深度曲線確定金屬材料的應變硬化指數、彈性模量和條件屈服強度σ α2。首先，利用第三次和初次儀器化壓入比功之比與初次儀器化壓入比功確定金屬材料的應變硬化指數；其次，利用初次儀器化壓入比功、初次儀器化壓入名義硬度及測試所得應變硬化指數確定金屬材料的彈性模量；最后，利用初次儀器化壓入比功、初次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確定金屬材料的條件屈服強度σα2。具體包括以下步驟:
[0009]I)利用儀器化壓入儀和金剛石Vickers壓頭對被測材料實施設定某一最大壓入載荷Pm的初次儀器化壓入測試，該最大壓入載荷Pm屬于儀器化壓入儀量程范圍內的載荷均可，由此獲得壓入載荷-深度曲線，利用該曲線確定初次儀器化壓入最大壓入深度hm、名義硬度Hn、壓入比功(WyWt)115
[0010]2)將被測材料沿金剛石Vickers壓頭壓痕兩對角線平分線所確定的四個方向中的任一方向平移5hm距離，如附圖1所示，然后對被測材料實施最大載荷與初次壓入最大載荷相同的第二次儀器化壓入測試，獲得與第一個金剛石Vickers壓頭壓痕相毗鄰的第二個金剛石Vickers壓頭壓痕。
[0011]3)將被測材料平移至初次與第二次壓入位置中間，如附圖2所示，然后對被測材料實施最大載荷與初次壓入最大載荷相同的第三次儀器化壓入測試，獲得相應的壓入載荷-深度曲線，利用該曲線確定第三次儀器化壓入比功(We/Wt)3，同時確定被測試材料第三次和初次儀器化壓入比功之比[(We/Wt) 3 (ffe/fft) J。
[0012]4)根據初次儀器化壓入比功(We/Wt)!及關系式
[0013]
【權利要求】
1.一種基于單一 Vickers壓頭的材料彈塑性參數儀器化壓入測試方法，該方法利用壓痕位置具有特殊聚集方式的三次儀器化壓入載荷-深度曲線確定金屬材料的應變硬化指數、彈性模量和條件屈服強度σα2 ;首先，利用第三次和初次儀器化壓入比功之比與初次儀器化壓入比功確定金屬材料的應變硬化指數；其次，利用初次儀器化壓入比功、初次儀器化壓入名義硬度及測試所得應變硬化指數確定金屬材料的彈性模量；最后，利用初次儀器化壓入比功、初次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確定金屬材料的條件屈服強度σα2。
2.根據權利要求1所述的一種基于單一Vickers壓頭的材料彈塑性參數儀器化壓入測試方法，確定金屬材料的應變硬化指數、彈性模量和條件屈服強度σ ^ 2的步驟包括: 1)利用儀器化壓入儀和金剛石Vickers壓頭對被測材料實施設定某一最大壓入載荷 初次儀器化壓入測試，該最大壓入載荷Pm屬于儀器化壓入儀量程范圍內的載荷均可，由此獲得壓入載荷-深度曲線，利用該曲線確定初次儀器化壓入最大壓入深度hm、名義硬度Hn、壓入比功(WyWt)1 ； 2)將被測材料沿金剛石Vickers壓頭壓痕兩對角線平分線所確定的四個方向中的任一方向平移5hm距離，然后對被測材料實施最大載荷與初次壓入最大載荷相同的第二次儀器化壓入測試，獲得與第一個金剛石Vickers壓頭壓痕相毗鄰的第二個金剛石Vickers壓頭壓痕； 3)將被測材料平移至初次與第二次壓入位置中間，然后對被測材料實施最大載荷與初次壓入最大載荷相同的第三次儀器化壓入測試，獲得相應的壓入載荷-深度曲線，利用該曲線確定第三次儀器化壓入比功(We/Wt)3，同時確定被測試材料第三次和初次儀器化壓入比功之比[(WyWt)^(WyWt)1]；
4)根據初次儀器化壓入比功關系式
3.如權利要求1所述的一種基于單一 Vickers壓頭的材料彈塑性參數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】G01N3/42GK103630452SQ201310706099
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月19日 優先權日:2013年8月21日
【發明者】馬德軍, 陳偉 申請人:中國人民解放軍裝甲兵工程學院