[發明專利]一種消除壓入尺度效應影響的金屬蠕變性能參數獲取方法

有效

• 申請號: 202110576701.X
• 申請日: 2021-05-26
• 公開（公告）號: CN113281170B
• 公開（公告）日: 2023-03-24
• 發明（設計）人: 肖革勝;蘇步云;劉二強;樹學峰;孟璐
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08
• 代理公司: 太原科衛專利事務所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源;侯小幸

1.一種消除壓入尺度效應影響的金屬蠕變性能參數獲取方法，其特征在于：包括如下步驟：

1)采用三棱錐金剛石壓頭對金屬進行不同加載速率下的預壓入測試，確定加載段為彈塑性變形、卸載段為純彈性恢復變形的壓入加載/卸載時間，結合壓入保載時間得到完整的三棱錐金剛石壓頭壓入載荷–深度曲線P–h；

2)對金屬進行圓柱形金剛石壓頭微納米壓入測試，基于卸載段數據得到其折合模量E_r：

dP/dh＝2E_ra (1)

P和h分別為壓入載荷與壓入深度，a為圓柱形金剛石壓頭的橫截面半徑；

3)采用1)所得三棱錐金剛石壓頭壓入載荷–深度曲線P–h卸載段頂點的剛度值S，S即為加載段結束時的彈性接觸剛度S_e，結合壓入加載過程中接觸剛度S與壓入深度h之間的線性關系得到壓入加載段的實時壓入接觸剛度，S∝h；

4)基于壓入接觸剛度S–折合模量E_r–接觸面積A_c之間的關系式獲得壓入加載過程中硬度H隨壓入深度h的變化關系H–h；

H＝P/A_c＝P/(S²π/4β²E_r²)＝4β²E_r²P/πS² (2)

其中β＝1，通過基于晶體細觀機制的塑性應變梯度理論對所得加載段壓入硬度平方值–深度倒數關系H²-1/h進行線性擬合，得到不受壓入尺度效應影響的硬度值H₀及加載段壓入載荷–深度曲線P₀–h；

H²＝H₀²+h^*H₀²/h (3)

P₀＝H₀A_c (4)

h^*表示特征長度；

5)采用經驗關系式(5)對壓入保載段的蠕變變形進行描述；

h(t)＝h_e+bt^d+kt (5)

h_e＝∈P/S_e (6)

其中h_e為加載段的彈性壓入深度，b、d、k為相關擬合參數，t≥0為蠕變時間，即保載時間，∈為壓頭幾何形狀相關常數，當壓頭為三棱錐玻氏金剛石壓頭時，∈＝0.75，P為最大壓入載荷，即壓入保載載荷；

6)基于線性粘性假定下蠕變柔量的不變性，得到去除加載段壓入尺度效應影響的蠕變變形h₀(t)：

J₀(t)＝J(t)→A_inh₀(t)/(P₀h_in)＝A_inh(t)/(Ph_in) (7)

其中J(t)、J₀(t)為去除加載段壓入尺度效應前后的壓入蠕變柔量，h_in、A_in分別為加載段結束時的壓入深度與壓入接觸面積，P、P₀為去除加載段壓入尺度效應前后的壓入保載載荷，h_e⁰為去除加載段壓入尺度效應后的彈性壓入深度，b₀、d₀、k₀為去除加載段壓入尺度效應后的相關蠕變變形參數；

7)結合4)所得去除壓入尺度效應后的加載段壓入載荷–深度曲線P₀–h、6)所得去除加載段壓入尺度效應影響的蠕變變形h₀(t)及原始壓入卸載段數據，重構出去除壓入尺度效應影響的完整的壓入載荷–深度曲線P₀-h₀，基于去除壓入尺度效應后的穩態蠕變數據得到金屬的蠕變應力指數n₀；

其中為壓入保載段的蠕變應變率，H為壓入保載過程中的實時硬度。