[發(fā)明專利]一種基于儀器化壓痕試驗(yàn)的材料微區(qū)多相組織力學(xué)性能表征的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110065627.5
• 申請(qǐng)日: 2021-01-18
• 公開（公告）號(hào): CN112858061B
• 公開（公告）日: 2023-05-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙洋洋;許全軍;龔寶明;劉秀國(guó);鄧彩艷;劉永;高志偉;曾超;高遠(yuǎn);張承澤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N3/40
• 分類號(hào): G01N3/40
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 王麗

1.一種基于儀器化壓痕試驗(yàn)的材料微區(qū)多相組織力學(xué)性能表征的方法，其特征是得到材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線，包括如下步驟：

1)被測(cè)材料組織的彈塑性行為滿足如下關(guān)系：

其中E為彈性模量，σ_y為屈服強(qiáng)度，n為加工硬化系數(shù)，σ為總應(yīng)力，ε為總應(yīng)變，ε_p為塑性應(yīng)變，塑性應(yīng)變定義為總應(yīng)變?chǔ)胖谐デ?yīng)變?chǔ)?Sub>y的部分，如下式：ε_p＝ε-ε_y；

2)當(dāng)式1-1中彈性模量、屈服強(qiáng)度和加工硬化系數(shù)確定后，被測(cè)材料組織的應(yīng)力應(yīng)變行為確定，得到被測(cè)材料組織的應(yīng)力應(yīng)變曲線；

求解被測(cè)材料組織的簡(jiǎn)約彈性模量Er和彈性模量E，計(jì)算方法如下：

其中E_i和ν_i分別是金剛石壓頭的彈性模量和泊松比，ν是被測(cè)材料組織的泊松比；各組織的儀器化壓痕名義硬度值H可通過下式求得：

其中P_max是最大壓入載荷，A_C是壓頭接觸面積函數(shù)；

用熔融石英對(duì)壓頭接觸面積函數(shù)進(jìn)行測(cè)試，壓痕深度范圍為1-1000nm，測(cè)得接觸面積函數(shù)A_c為：

在本試驗(yàn)中，該面積函數(shù)是在一個(gè)較大的壓入深度范圍內(nèi)得到的，因此根據(jù)玻氏壓頭的壓頭形狀，取值為C₀＝24.56，C₁＝-5246，C₂＝290362，C₃＝-2384536，C₄＝5261354，C₅＝-3156731；

h_c有效壓入深度，計(jì)算如下：

h_max是最大壓入深度，S是用卸載曲線上半段測(cè)得的接觸剛度，δ是一個(gè)與壓頭幾何形狀有關(guān)的參數(shù)，對(duì)于玻氏壓頭，該常數(shù)值為0.75；

在一個(gè)典型的儀器化壓痕試驗(yàn)的壓入載荷-壓入深度曲線中的加載曲線表示為P＝Ch²，P是壓入載荷，h是壓入深度，C是加載曲線的曲率；最終計(jì)算得到被測(cè)材料組織的彈性模量E；

被測(cè)材料組織的屈服強(qiáng)度，由H₀＝4.15σ_y求得；

其中，材料的硬度值H計(jì)算方法如下：

剪切應(yīng)力η與位錯(cuò)密度的關(guān)系為其中G是剪切模量，b是伯氏矢量的大小，ρ_s和ρ_g分別是統(tǒng)計(jì)存儲(chǔ)位錯(cuò)和幾何必需位錯(cuò)的密度；

對(duì)于金屬材料來說，硬度值是流變應(yīng)力的三倍，因此被測(cè)材料組織的硬度值H近似表示為：

當(dāng)統(tǒng)計(jì)存儲(chǔ)位錯(cuò)的密度ρ_s遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于幾何必需位錯(cuò)密度ρ_g時(shí)，材料的硬度就主要取決于幾何必需位錯(cuò)的密度；幾何必需位錯(cuò)密度ρ_g與壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度d的關(guān)系為其中γ表示平均應(yīng)變；

因此，材料的硬度值表示為：其中，是一個(gè)與材料有關(guān)的常數(shù)，是與尺寸無關(guān)的硬度值，它只與幾何必需位錯(cuò)密度有關(guān)；對(duì)于幾何相似壓頭，計(jì)算晶體材料的壓痕尺寸效應(yīng)，提出如下關(guān)系：由可知儀器化壓痕名義硬度的平方H²與壓入深度的導(dǎo)數(shù)1/h成正比，h*是一個(gè)與壓頭形狀和材料有關(guān)的特征長(zhǎng)度，當(dāng)1/h＝0時(shí)，得到與尺寸無關(guān)的硬度值H₀的值；

玻氏壓頭壓痕試驗(yàn)測(cè)得的硬度值H₀與材料屈服強(qiáng)度σ_y的關(guān)系滿足H₀＝4.15σ_y，因此計(jì)算得到材料的屈服強(qiáng)度σ_y；

在彈性模量E，屈服強(qiáng)度σ_y和特征應(yīng)力σ_0.033確定后，通過下式計(jì)算材料的加工硬化系數(shù)n：

其中，計(jì)算出塑性應(yīng)變?chǔ)?Sub>p為0.033時(shí)的應(yīng)力σ_0.033，計(jì)算如下：

其中加載曲線曲率C可通過公式P＝Ch²擬合加載曲線求得，求得σ_0.033值，代入最終得到材料的加工硬化系數(shù)n。