材料的彈塑性參數(shù)壓入測試方法的現(xiàn)狀分析

石新正 陳偉 馬德軍 孫亮

摘 要：隨著表改性材料、復(fù)合材料、納米材料等領(lǐng)域的迅速發(fā)展以及在各種裝備中的廣泛應(yīng)用，表面、界面以及微尺度材料的可靠性研究成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。利用微米壓入技術(shù)測試材料的彈塑性參數(shù)成為材料領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。本文簡單介紹了幾種材料的彈塑性參數(shù)壓入測試方法。

關(guān)鍵詞：彈塑性參數(shù);壓入;測試方法

一、儀器化壓入技術(shù)的現(xiàn)狀

材料的使用性能一方面與其工作環(huán)境和工作載荷有關(guān)，另一方面也與材料自身的力學(xué)性能有關(guān)，并且一般而言，材料表層的力學(xué)性能與其芯部有著明顯的不同，因而在機(jī)械零部件的可靠性設(shè)計(jì)以及可靠性評(píng)估的過程中，必然要正確揭示其表層基本力學(xué)性能與機(jī)械零部件服役性能之間的關(guān)系，顯而易見，傳統(tǒng)的材料力學(xué)性能測試方法例如單軸拉伸、壓縮試驗(yàn)方法不適用于上述材料的測試需要。儀器化壓入技術(shù)作為一種測試材料力學(xué)性能的有效工具，自從上世紀(jì)五十年代發(fā)展起來，逐步成為評(píng)估小尺度材料的力學(xué)性能的重要方法，它是在傳統(tǒng)的硬度測試的基礎(chǔ)上發(fā)展演變而來的一種微區(qū)和非破壞性的材料力學(xué)性能測試方法，以此實(shí)驗(yàn)和技術(shù)建立的儀器化壓入儀能夠在測試的過程中，連續(xù)高精度地獲取被測材料的載荷-位移之間的數(shù)據(jù)關(guān)系，以此構(gòu)建相應(yīng)的力學(xué)模型，測算材料的力學(xué)性能參數(shù)。相比較傳統(tǒng)的硬度試驗(yàn)，儀器化壓入儀能夠提供較多的豐富的參數(shù)信息，這就為分析材料的力學(xué)性能奠定基礎(chǔ)，由于儀器化壓入所采用的是間接測試被測材料的力學(xué)性能的方法，多數(shù)通過量綱分析和有限元數(shù)值模擬仿真的方法，在近些年的分析研究中，出現(xiàn)了數(shù)種材料力學(xué)性能參數(shù)儀器化壓入測試原理以及方法，但也存在著精度及其穩(wěn)定性有待提高的現(xiàn)狀。[1，2]

二、材料彈性模量壓入測試方法

三、材料塑性參數(shù)壓入測試方法

利用儀器化壓入技術(shù)識(shí)別材料的塑性參數(shù)，即屈服強(qiáng)度σy和應(yīng)變硬化指數(shù)n，已經(jīng)成為人們研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。目前，材料塑性參數(shù)壓入識(shí)別方法從原理上主要可分為“間接法”和“直接法”?！伴g接法”利用了冪硬化材料的代表性應(yīng)變?chǔ)舝和代表性應(yīng)力σr的概念，建立了代表性應(yīng)變?chǔ)舝和代表性應(yīng)力σr與儀器化壓入響應(yīng)間的無量綱函數(shù)關(guān)系，測試時(shí)，首先獲得對(duì)應(yīng)于雙或多個(gè)壓頭的兩組或多組被測材料的代表性應(yīng)變?chǔ)舝和代表性應(yīng)力σr坐標(biāo)點(diǎn)，然后利用這些坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行擬合，從而求出塑性參數(shù)，但是這種方法測試過程繁瑣，精度較低，這里不再過多介紹?！爸苯臃ā睙o需借助冪硬化材料的代表性應(yīng)變?chǔ)舝和代表性應(yīng)力σr，而是直接建立被測材料的屈服強(qiáng)度σy和應(yīng)變硬化指數(shù)n等塑性參數(shù)與儀器化壓入響應(yīng)間的無量綱函數(shù)關(guān)系，測試時(shí)直接測得被測材料的屈服強(qiáng)度σy和應(yīng)變硬化指數(shù)n。與“間接法”相比，“直接法”無需求取代表性應(yīng)變?chǔ)舝和代表性應(yīng)力σr坐標(biāo)點(diǎn)，也不必?cái)M合被測材料的冪硬化曲線，因而精度較高，直接法中方法較多，這里介紹其中的兩種。[2]

郭俊宏等人提出基于We/Wm-σy/Hn關(guān)系的材料塑性參數(shù)儀器化壓入識(shí)別方法，利用Vickers壓頭和大角度四棱錐壓頭可以得到σy=f70.3（n）和σy=f86.45（n），并求解該方程組，可得被測材料的屈服應(yīng)力σy和應(yīng)變硬化指數(shù)n等塑性參數(shù)。

陳偉基于量綱分析和有限元數(shù)值仿真，建立了Berkovich/Vickers壓痕中邊距與名義中邊距之比d/dn、名義硬度Hn、壓入比功We/Wt與材料彈塑性參數(shù)之間的無量綱函數(shù)關(guān)系，以此為基礎(chǔ)建立了聯(lián)合壓痕的材料彈塑性參數(shù)儀器化Berkovich/Vickers壓入識(shí)別方法。該方法僅利用單一Berkovich/Vickers壓頭儀器化壓入被測材料所得載荷-位移曲線及Berkovich/Vickers壓痕即可識(shí)別被測材料的屈服應(yīng)力σy和應(yīng)變硬化指數(shù)n等塑性參數(shù)。[3，4]

參考文獻(xiàn)：

[1]陳偉，馬德軍，宋仲康，等.彈性模量儀器化壓入測試方法比較分析[J].機(jī)械工程師， 2010（10）：7-9.

[2]張?zhí)┤A.微/納米力學(xué)測試技術(shù)[M].科學(xué)出版社，2013.

[3]馬德軍，陳偉，宋仲康，等.金屬材料塑性參數(shù)儀器化壓入識(shí)別方法[J].中國有色金屬學(xué)報(bào)， 2014（4）.

[4]陳偉，馬德軍，郭俊宏，等.基于Berkovich壓痕的金屬材料彈塑性參數(shù)儀器化壓入識(shí)別方法[J].中國有色金屬學(xué)報(bào)，2015（6）：1512-1524.