[發(fā)明專利]利用壓痕儀測(cè)定金屬力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010221200.5
• 申請(qǐng)日: 2020-03-26
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111458243B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-11-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李存軍;王海榮;厲梁;唐文獻(xiàn);劉康;蘇世杰;鄒銀華;石岳林;翁平兒
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 舟山市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)研究院
• 主分類號(hào): G01N3/44
• 分類號(hào): G01N3/44;G01N3/62;G01N3/08
• 代理公司: 南京天華專利代理有限責(zé)任公司 32218
• 代理人: 夏平

1.一種利用壓痕儀測(cè)定金屬力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)方法，包括如下步驟：

步驟1、在完成毛坯取樣后，對(duì)其表面進(jìn)行打磨拋光使其滿足試樣尺寸要求及表面粗糙度要求，即完成金屬或合金材料試樣的制備；

步驟2、將壓痕儀的球形測(cè)試頭拆下，把平底測(cè)試頭裝上，將壓痕儀夾具也從操作臺(tái)上拆下；

步驟3、進(jìn)行壓痕試驗(yàn)機(jī)械誤差測(cè)量：

3.1在壓痕儀控制系統(tǒng)中將壓痕儀測(cè)試頭下壓的速度設(shè)定為V₀；

3.2測(cè)量過(guò)程中需在同一位置進(jìn)行連續(xù)的載荷加載、卸載，一次加載、完全卸載的過(guò)程為一個(gè)周期，首先在壓痕儀控制系統(tǒng)中設(shè)定加、卸載周期的個(gè)數(shù)I，I1，并且設(shè)定第i個(gè)周期的施加載荷峰值為P_i，其中i＝1、2、3…I，單位：N；

3.3在壓痕儀控制系統(tǒng)中控制機(jī)械誤差測(cè)量開(kāi)始：

3.3.1令i＝1，首先進(jìn)行第一個(gè)加、卸載周期；在電機(jī)驅(qū)動(dòng)加載下，平底測(cè)試頭根據(jù)設(shè)定的下壓速度V₀逐漸下壓，由于平底測(cè)試頭與壓痕儀操作臺(tái)接觸面積大，所以平底測(cè)試頭不會(huì)壓入操作臺(tái)，當(dāng)平底測(cè)試頭接觸到壓痕儀操作臺(tái)后，壓痕儀施加的載荷值從0逐漸變大，直到加載到設(shè)定的P₁值，此時(shí)壓痕儀系統(tǒng)記錄下P₁載荷下對(duì)應(yīng)的傳感器位移值λ₁₁，然后壓痕儀開(kāi)始進(jìn)行力的卸載，載荷將從P₁慢慢卸載至0，此時(shí)壓痕儀系統(tǒng)將記錄下0載荷下傳感器的位移值λ₂₁；

3.3.2令i＝i+1，壓痕儀將繼續(xù)進(jìn)行第i個(gè)加載、卸載周期，壓痕儀加載的載荷值再次從0慢慢變大，直到加載到設(shè)定的P_i值，此時(shí)壓痕儀系統(tǒng)將記錄下P_i載荷下對(duì)應(yīng)的傳感器位移值λ_1i，然后壓痕儀開(kāi)始進(jìn)行力的卸載，載荷將從P_i再次慢慢卸載至0，此時(shí)壓痕儀系統(tǒng)將記錄下0載荷下傳感器的位移值λ_2i

3.3.3若iI,則跳轉(zhuǎn)回步驟3.3.2，若i≧I，則繼續(xù)向下執(zhí)行步驟3.3.4；

3.3.4此時(shí)壓痕儀系統(tǒng)中所記錄的位移值即為壓痕儀在對(duì)應(yīng)載荷下整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的變形量；第I個(gè)周期進(jìn)行完畢后測(cè)量結(jié)束，壓痕儀系統(tǒng)中已記錄了λ_1i(i＝1、2、3……I)以及λ_2i(i＝1、2、3……I)兩組數(shù)據(jù)；

步驟4、完成壓痕試驗(yàn)機(jī)械誤差測(cè)量后，在壓痕儀系統(tǒng)中控制力、位移傳感器升起，將平底測(cè)試頭拆除，將壓痕儀測(cè)試頭裝上，將夾具安裝在壓痕儀操作臺(tái)上，并且通過(guò)夾具將步驟1中制備的試樣固定住；

步驟5、進(jìn)行金屬或合金試樣的壓痕試驗(yàn)：

5.1下壓速度保持不變，依舊在壓痕儀控制系統(tǒng)中將壓痕儀測(cè)試頭下壓的速度設(shè)定為V₀；

5.2加、卸載周期的個(gè)數(shù)保持不變，依舊設(shè)置為I(I1)個(gè)，以及第i個(gè)周期的施加載荷峰值也保持不變，依舊設(shè)置為P_i，其中i＝1、2、3…I，單位：N；

5.3在壓痕儀控制系統(tǒng)中控制壓痕試驗(yàn)開(kāi)始；

5.3.1令i＝1，首先進(jìn)行第一個(gè)加、卸載周期：在電機(jī)驅(qū)動(dòng)加載下，測(cè)試頭根據(jù)設(shè)定的下壓速度V₀慢慢下壓，測(cè)試頭末端的球形壓頭垂直壓入試樣表面；當(dāng)球形壓頭接觸到金屬試樣后，壓痕儀系統(tǒng)開(kāi)始以球形壓頭的位移值作為橫坐標(biāo)，位移值單位：mm，壓痕儀施加的載荷值作為縱坐標(biāo)，載荷值單位：N，在笛卡爾坐標(biāo)系中進(jìn)行同步曲線繪制；施加的載荷值從0慢慢變大，直到加載到設(shè)定的P₁值，此時(shí)壓痕儀系統(tǒng)將記錄下P₁載荷下對(duì)應(yīng)的球形壓頭位移值h_t1，然后壓痕儀開(kāi)始進(jìn)行力的卸載，載荷將從P₁慢慢卸載至0，此時(shí)壓痕儀系統(tǒng)將記錄下0載荷下球形壓頭的位移值h_p1；

5.3.2令i＝i+1，壓痕儀將繼續(xù)進(jìn)行第i個(gè)加載、卸載周期，壓痕儀加載的載荷值再次從0慢慢變大，直到加載到設(shè)定的P_i值，此時(shí)壓痕儀系統(tǒng)將記錄下P_i載荷下對(duì)應(yīng)的球形壓頭位移值h_ti，然后壓痕儀開(kāi)始進(jìn)行力的卸載，載荷將從P_i再次慢慢卸載至0，此時(shí)壓痕儀系統(tǒng)將記錄下0載荷下球形壓頭的位移值h_pi；

5.3.3若iI,則跳轉(zhuǎn)回步驟5.3.2，若i≧I，則繼續(xù)向下執(zhí)行步驟5.3.4；

5.3.4此時(shí)壓痕儀系統(tǒng)中生成一張上述壓痕試驗(yàn)過(guò)程的載荷—位移曲線圖，并且記錄了P_i，其中i＝1、2、3……I、h_ti，其中i＝1、2、3……I以及h_pi，其中i＝1、2、3……I三組數(shù)據(jù)，P_i即為第i個(gè)周期施加載荷的峰值，h_ti即為第i個(gè)周期的總壓入深度，h_pi即為第i個(gè)周期的殘余壓痕深度；

步驟6、將對(duì)應(yīng)的載荷—位移值通過(guò)公式換算為真應(yīng)力—真塑性應(yīng)變數(shù)據(jù)點(diǎn)：

6.1在步驟3和步驟5中已得到λ_2i、h_pi值以及P_i值，根據(jù)以下公式：

可計(jì)算出第i個(gè)加載、卸載周期的壓痕殘余直徑d_pi，單位：mm；上式中E₁為球形壓頭的彈性模量，單位：Mpa；E₂為被測(cè)材料的彈性模量，單位：Mpa；D為球形壓頭的直徑，單位：mm；

6.2在步驟6.1中已計(jì)算得到d_pi，通過(guò)下式：

可計(jì)算得到第i個(gè)加載、卸載周期的真應(yīng)變值ε_pi，上式中D為球形壓頭直徑；

6.3在步驟6.1和步驟6.2中已計(jì)算得到第i個(gè)加載、卸載周期的壓痕殘余直徑d_pi和真應(yīng)變值ε_pi，通過(guò)下面的計(jì)算流程可計(jì)算并得到N組真應(yīng)力—真應(yīng)變?chǔ)?Sub>t—ε_p數(shù)據(jù)點(diǎn)；

6.3.1令i＝0；

6.3.2令i＝i+1，計(jì)算然后校核如滿足條件，記錄并保存σ_ti，然后進(jìn)行步驟6.3.5，如不滿足條件，則進(jìn)行步驟6.3.3；

6.3.3計(jì)算式中α_m為約束因子指數(shù)，其對(duì)低應(yīng)變速率敏感材料取值為1，然后校核如滿足條件，記錄并保存σ_ti，然后進(jìn)行步驟6.3.5，如不滿足條件，則進(jìn)行步驟6.3.4；

6.3.4計(jì)算式中α_m為約束因子指數(shù)，其對(duì)低應(yīng)變速率敏感材料取值為1；E₂為被測(cè)材料的彈性模量，然后記錄并保存σ_ti，然后進(jìn)行步驟6.3.5，

6.3.5判斷是否滿足i＝I；如滿足，則進(jìn)行步驟6.4；如不滿足，回到步驟6.3.2；

6.4在步驟6.2已經(jīng)得到N組真應(yīng)力—真應(yīng)變?chǔ)?Sub>t—ε_p數(shù)據(jù)點(diǎn)，壓痕儀系統(tǒng)將該N個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)繪于橫坐標(biāo)為真塑性應(yīng)變?chǔ)?Sub>p、縱坐標(biāo)為真應(yīng)力σ_t的笛卡爾坐標(biāo)系中，真應(yīng)力σ_t單位：Mpa，通過(guò)擬合即可得到由壓痕試驗(yàn)測(cè)定的真應(yīng)力—真塑性應(yīng)變曲線；

步驟7、被測(cè)材料的屈服強(qiáng)度換算：

7.1在步驟3和步驟5中已經(jīng)得到第i個(gè)周期的λ_2i(i＝1、2、3……I)、第i個(gè)周期施加載荷的峰值P_i(i＝1、2、3……I)以及第i個(gè)循環(huán)的總壓痕深度h_ti(i＝1、2、3……I)，通過(guò)下式：

可以計(jì)算得到d_ti(i＝1、2、3……I)，d_ti(mm)為第i個(gè)周期的總壓痕直徑；

7.2將P_i(i＝1、2、3……I)以及d_ti(i＝1、2、3……I)作如下變換以得到I個(gè)屈服強(qiáng)度換算數(shù)據(jù)點(diǎn)：

上式中，β_m為材料屈服系數(shù)，B為屈服強(qiáng)度偏移參數(shù)，單位Mpa；

將這I個(gè)點(diǎn)繪制在以d_ti/D為橫坐標(biāo)，為縱坐標(biāo)的笛卡爾坐標(biāo)系中，通過(guò)擬合即可得到屈服強(qiáng)度換算曲線，當(dāng)d_ti/D＝1時(shí)對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)值即為被測(cè)材料的屈服強(qiáng)度值α_y，單位Mpa；

步驟8、被測(cè)材料的抗拉強(qiáng)度估算：

8.1在步驟6中已通過(guò)擬合得到被測(cè)材料的真應(yīng)力—真塑性應(yīng)變曲線，系統(tǒng)能夠?qū)⒃撉€的冪關(guān)系方程求出，其方程形如y＝Kxⁿ，從而得到強(qiáng)度系數(shù)K以及應(yīng)變硬化指數(shù)n，強(qiáng)度系數(shù)K單位：Mpa；

8.2將步驟8.1中得到的強(qiáng)度系數(shù)K以及應(yīng)變硬化指數(shù)n值代入工程極限拉伸強(qiáng)度值表達(dá)式中：

即可計(jì)算出工程極限拉伸強(qiáng)度值σ_u，單位：Mpa；

步驟9、在壓痕儀控制系統(tǒng)中控制壓痕儀測(cè)試頭上升一定距離使壓痕儀壓頭與被測(cè)材料試樣分離；

步驟10、松開(kāi)壓痕儀夾具，調(diào)整被測(cè)材料試樣的位置后再次進(jìn)行夾緊固定，重復(fù)步驟5到步驟9，開(kāi)始進(jìn)行下一次壓痕試驗(yàn)。