專利名稱：：儀器化微米壓入測試材料單軸強度均值的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于材料力學(xué)性能測試領(lǐng)域。具體涉及一種利用儀器化壓入儀和金剛石錐形壓頭(Berkovich壓頭、Vickers壓頭或圓錐壓頭(圓錐半角為70.3°))在微米測量尺度(壓入深度大于8微米或測試載荷大于4牛頓)上測量材料單軸強度均值(材料的屈服強度與強度極限的算術(shù)平均值)的方法。
背景技術(shù)：
：隨著表面改性材料、薄膜材料、MEMS(微電子微機械系統(tǒng))材料、復(fù)合材料、納米材料等領(lǐng)域的快速發(fā)展，表面、界面及微尺度材料的工作可靠性由于面臨苛刻工作條件的挑戰(zhàn)，越來越引起人們的重視，成為國內(nèi)外研究的熱點。然而受尺寸限制，傳統(tǒng)的材料力學(xué)性能測試技術(shù)及手段已經(jīng)無法滿足上述材料的力學(xué)性能測試需要，使得材料微區(qū)力學(xué)性能的測試成為亟待解決的關(guān)鍵問題。儀器化壓入技術(shù)是在傳統(tǒng)布氏硬度和維氏硬度試驗基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種微區(qū)和非破壞性的新的材料力學(xué)性能測試技術(shù)，它可以高精度的同步測試和記錄各種幾何形狀的壓頭壓入試樣及撤離試樣時的載荷與位移數(shù)據(jù)，從而可以提供比傳統(tǒng)硬度試驗更多的反映被測試材料力學(xué)性能的有用信息，這為材料諸多基本力學(xué)性能參數(shù)的識別提供了重要的技術(shù)手段。利用儀器化壓入技術(shù)測試材料的單軸強度均值(材料的屈服強度與強度極限的算術(shù)平均值)具有重要意義。首先，在評價材料強度方面，盡管目前的商用儀器化壓入儀具有儀器化壓入硬度的測試功能，但是硬度本身與材料強度間并不具有簡單的比例對應(yīng)關(guān)系，因此，如果把硬度作為評價材料強度水平高低的指標(biāo)，那么它只具有相對意義。而如果能改硬度測試為材料強度的直接測試，從而將材料強度的相對比較變成絕對比較，這對于材料強度的評價無疑更具科學(xué)性。第二，基于材料的單軸強度均值可以方便地預(yù)測材料的疲勞強度極限，這對于工作在循環(huán)變化載荷下的微尺度材料的服役可靠性評估尤為重要。第三，通過建立材料單軸強度均值與儀器化壓入硬度及比功的關(guān)系，可以從材料強度的角度賦予儀器化壓入硬度以物理意義。鑒于上述價值，本發(fā)明提供一種使用儀器化微米壓入技術(shù)測試材料單軸強度均值的方法。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的之一是提供一種儀器化微米壓入測試材料單軸強度均值的方法，該方法只需利用壓入加載功、卸載功以及名義硬度便可確定被測試材料的單軸強度均值。該方法在工業(yè)上是可行的且非常有效。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案—種儀器化微米壓入測試材料單軸強度均值的方法，該方法使用儀器化微米壓入加載功、卸載功以及名義硬度來測定被測試材料的單軸強度均值，具體包括以下步驟(1)利用儀器化壓入儀和金剛石錐形壓頭對被測試材料表面實施最大壓入深度hm大于8微米(hm》8pm)(或測試載荷大于4N)的垂直壓入，獲得被測試材料的載荷_位移曲線；(2)根據(jù)被測試材料的載荷-位移曲線計算名義硬度/^三A/J(/2m)-^/(24.5《);其中，Pm為最大壓入載荷，hm為對應(yīng)最大壓入載荷時的最大壓入深度，AQO為對應(yīng)最大壓入深度時的壓頭橫截面積；(3)通過分別積分加載曲線和卸載曲線計算壓入加載功Wt、卸載功We，并在此基礎(chǔ)上計算壓入比功W乂Wf;(4)若已知被壓材料的楊氏模量E，則直接計算被壓材料與壓頭材料平面應(yīng)變楊氏模量之比/7s[五/(l一^)]/[五,/(l-v,2)]，其中，v為被測試材料的泊松比，可由材料手冊確定，Ei=1141GPa和Vi=0.07分別為金剛石壓頭的楊氏模量與泊松比；若被壓材料的楊氏模量未知，則需要使用儀器化微米壓入測試材料楊氏模量的方法確定被壓材料的楊氏模量E:E=(li2)/[1/E。-1.32(1-Vi2)/EJ，其中，E。為被測試材料與壓頭材料的聯(lián)合楊氏模6量，且五^Z/n/[ZaJ『e/『t;r]，am(m=1，2，3，4，5，6)為多項式系數(shù)，且&1=0.16716，a2=-0.13875，a3=0.06215，a4=0.01568，a5=-0.04784，a6=0.01878;在此基礎(chǔ)上計算被壓材料與壓頭材料的平面應(yīng)變楊氏模量之比;/s[￡/(l-v/2)]/[￡,/(l-1/,2)];(5)基于比功W乂Wt和表1中的系數(shù)an,(j=1，…，4;m二0，1，…，6)計算下列函數(shù)值(asb///n、二/呵.(K/『t)=i>n。，(『e/『t)m(產(chǎn)l，2，3，4)式中，osb表示被測試材料的單軸強度均值，即材料的屈服強度os與強度極限ob的算術(shù)平均值0^=(Qs+。b)/2;表l系數(shù)an。j,,,(j=1，…，4;m=0，1，，6)的取值"nq/0"nq/3"nq/4"nq/5120.216120.210440.688810.858420.04755-2.01805-0.305979.140637.13599-13,6976-12.91849.109467.64154-1.256540.208120.211220.887910.69706-2.55360-1.0972410.98895.34558-16.7842-7.1982711.52894.94342-1.91479-0.70899(6)根據(jù)(。sb/Hn)j(j=1，…，4)和四個n值nj(j=1，…，4):l=[70/(1-0.32)]/°o=o、n2=[70/(1-0.32)]/[1141/(l-0.072)]=0.0671、n3=[200/(1-0.32)]/[1141/(l-0.072)]=0.1917禾Pn4=[400/(1—0.32)]/[1141/(1—0.072)]=0.3834，用三次拉格朗日插值法計算對應(yīng)被壓材料與壓頭平面應(yīng)變楊氏模量之比為n的材料單軸強度均值osb與名義硬度Hn的比值oSb/Hn:4-4—/〃n=z(Osb/n[("—"y)/w—)]}(7)基于名義硬度Hn確定被壓材料的單軸強度均值osb:。sb=(osb/Hn)Hn其中，所述金剛石錐形壓頭為Berkovich壓頭、Vickers壓頭或圓錐壓頭。其中，圓錐壓頭的圓錐半角為70.3。。步驟(4)中，如果被被測試材料的泊松比不能由材料手冊確定，則對金屬材料取v=0.3，對陶瓷材料取v=0.2。圖1是真實與工程應(yīng)力_應(yīng)變關(guān)系對應(yīng)參量示意圖；圖2是儀器化壓入加、卸載曲線及加、卸載功示意圖；圖3是對應(yīng)n=0以及不同n時的oSb/Hn與W乂Wt關(guān)系；圖4是對應(yīng)n=0.0671以及不同n時的osb/Hn與We/Wt關(guān)系；圖5是對應(yīng)n=0.1917以及不同n時的osb/Hn與We/Wt關(guān)系；圖6是對應(yīng)n=0.3834以及不同n時的osb/Hn與We/Wt關(guān)系；圖7是對應(yīng)不同n的代表性oSb/Hn-We/Wt關(guān)系；具體實施例方式以下通過結(jié)合附圖對本發(fā)明的方法進行詳細說明，但實施例僅僅是例示的目的，并不旨在對本發(fā)明的范圍進行任何限定。本發(fā)明提出了一種測定材料單軸強度均值的方法，即使用儀器化微米壓入來測試材料單軸強度均值的方法。該方法只需利用儀器化微米壓入加載功、卸載功以及名義硬度便可確定被測試材料的單軸強度均值。該方法具體包括以下步驟(1)利用儀器化壓入儀和金剛石錐形壓頭對被測試材料表面實施最大壓入深度hm大于8微米(hm>8m)(或測試載荷大于4N)的垂直壓入，獲得被測試材料的載荷_位移曲線；(2)根據(jù)被測試材料的載荷_位移曲線計算名義硬度^r^^n"(&)-^/(24.5《)；其中，Pm為最大壓入載荷，hm為對應(yīng)最大壓入載荷時的最大壓入深度，AQO為對應(yīng)最大壓入深度時的壓頭橫截面積；(3)通過分別積分加載曲線和卸載曲線計算壓入加載功Wt、卸載功We，并在此基礎(chǔ)上計算壓入比功W乂Wt;(4)若已知被壓材料的楊氏模量E，則直接計算被壓材料與壓頭材料平面應(yīng)變楊氏模量之比//=[五/(1-W)]，其中，v為被測試材料的泊松比，可由材料手冊確定，Ei=1141GPa和Vi=0.07分別為金剛石壓頭的楊氏模量與泊松比；若被壓材料的楊氏模量未知，則需要使用儀器化微米壓入測試材料楊氏模量的方法確定被壓材料的楊氏模量E:E=(li2)/[1/E。-1.32(1-Vi2)/EJ，其中，E。為被測試材料與壓頭材料的聯(lián)合楊氏模6量，且5c-Z/n/[Z^(『e/『t^]，am(m=1，2，3，4，5，6)為多項式系數(shù)，且^=0.16716，a2=-0.13875，a3=0.06215，a4=0.01568，a5=-0.04784，a6=0.01878;在此基礎(chǔ)上計算被壓材料與壓頭材料的平面應(yīng)變楊氏模量之比/^[五/(1-v2)]/[￡,/(1-v,2)];(5)基于比功W乂Wt和表1中的系數(shù)an。jm(j=1，…，4;m二0，1，…，6)計算下列函數(shù)值(CTsb///n),.=/呵.(W/『t)=i>，(『e/『t"(戶l，2，3，4)式中，osb表示被測試材料的單軸強度均值，即材料的屈服強度os與強度極限ob的算術(shù)平均值0^=(Qs+Qb)/2;<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>(6)根據(jù)(osb/Hn)j(j=1，…，4)和4個n值n」(j=1，…，4):=[70/(1-0.32)]/①=o、n2=[70/(1-0.32)]/[1141/(l-0.072)]=0.0671、n3=[200/(1-0.32)]/[1141/(l-0.072)]=0.1917禾Pn4=[400/(1—0.32)]/[1141/(1—0.072)]=0.3834，用三次拉格朗日插值法計算對應(yīng)被壓材料與壓頭平面應(yīng)變楊氏模量之比為n的材料單軸強度均值osb與名義硬度Hn的比值oSb/Hn:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(7)基于名義硬度Hn確定被壓材料的單軸強度均值osb:。sb=(osb/Hn)Hn其中，所述金剛石錐形壓頭為Berkovich壓頭、Vickers壓頭或圓錐壓頭。其中，圓錐壓頭的圓錐半角為70.3。。步驟(4)中，如果被被測試材料的泊松比不能由材料手冊確定，則對金屬材料取v=0.3，對陶瓷材料取v=0.2。以下詳細說明本發(fā)明的形成過程。首先確定材料的單軸強度均值與材料基本力學(xué)性能參數(shù)的關(guān)系。分析涉及到材料單軸拉伸的真實應(yīng)力_真實應(yīng)變關(guān)系和工程應(yīng)力_工程應(yīng)變關(guān)系，其主要參數(shù)如圖1所示。下標(biāo)"T"代表真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的應(yīng)力或應(yīng)變量，而下標(biāo)"E"則代表工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的應(yīng)力或應(yīng)變量。真實應(yīng)力、真實應(yīng)變、工程應(yīng)力、工程應(yīng)變分別記為oT，eT，h和^，相應(yīng)地，在屈服點的這些量分別記為oT,Y、eT,Y、OE,y和^,y，其中，工程屈服應(yīng)力0E,y=Os。此外，最大工程應(yīng)力亦即材料的強度極限記為Ou或Ob，而與之相對應(yīng)的真實應(yīng)力、真實應(yīng)變分別記為c^,b和eT,b。A.os與材料基本力學(xué)性能參數(shù)的關(guān)系假設(shè)固體材料的單軸真實應(yīng)力_應(yīng)變關(guān)系由楊氏模量為E的線彈性和Hollomon冪硬化塑性組成，艮卩<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>其中，eT,y=oT,y/E，n為材料的應(yīng)變硬化指數(shù)。在拉伸實驗中，設(shè)試樣的初始橫截面半徑為r。、面積為A。，則X。=;r《。當(dāng)載荷從零增加到某一值時，橫截面半徑和面積分別變化為r和A二Jir2，此時，材料的工程應(yīng)變?yōu)閛E=F/A。=(F/A)(A/A。)=oT(A/A。)=oT(r/r。)2(2)r/r?？梢杂烧鎸崗较驊?yīng)變的定義得到，即ST.,j[d^^ln(r/VQ)。在彈性階段，eTr還等于-v^，即e^二-v^，所以有r/r0=exp(_veT)(3)禾口A/A0=(r/r0)2=exp(_2veT)(4)把(4)式代入(2)式得oE=oT/exp(2veT)(5)所以os=。E,y可以表示成基本材料參數(shù)。T,y(或^,y)、E和v的函數(shù)，即oE,y=oT,y/exp(2veT,y)=oT,y/exp(2voT,y/E)(6)B.ob以及osb與材料基本力學(xué)性能參數(shù)的關(guān)系分兩種情況進行分析第一種情況eT,b《e^，見圖1。當(dāng)工程應(yīng)力增大到oE,y時，如果繼續(xù)增加工程應(yīng)變，相應(yīng)的工程應(yīng)力不增加反而逐漸地減小，這就意味著工程屈服應(yīng)力OE,y就是最大工程應(yīng)力Ou，即材料的強度極限，此時，ob=0E,b=0E,y=oT,y/exp(2veT,y)=oT,y/exp(2voT,y/E)(7)第二種情況eT,b>eT,y，見圖1。對于單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，塑性階段的真實應(yīng)變eT由兩部分構(gòu)成彈性應(yīng)變S;=/￡和塑性應(yīng)變￡=ST-4=ST。根據(jù)彈性理論，與彈性應(yīng)變相對應(yīng)的徑向應(yīng)變?yōu)镾!,r=-VC7T/￡;根據(jù)塑性變形體積不變原則，與塑性應(yīng)變相對應(yīng)的徑向應(yīng)變?yōu)镾^=-0.5^=-0.5(ST。綜合以上結(jié)果，總的真實徑向應(yīng)變可以表達為￡T,r=￡;,r+《r=—|VoT/^+0.5(￡T—aT/￡)](8)=—用c^,y(h/eT,y)n代替h，上式可以改寫為sT,r=—(9)當(dāng)工程應(yīng)力達到最大值時，作用于試樣上的載荷F達最大，此時dF=d(oTA)=oTdA+AdoT=0(10)因此-dA/A=doT/oT(11)其中(11)式的兩邊分別為doT/ot=d[oT,y(eT/eT,y)n]/[。T,y(eT/eT,y)n]ndeT/et禾口_dA/A=_2dr/:r=_2deT,r所以，_2det,r=ndeT/eT(12)把(9)式代入(12)式，并且令eT=h,b，得別為￡Tb=w[l+(1_2。4:)￡;,b](13)根據(jù)(9)式，當(dāng)eT,b>、y且eT=h,b時，徑向應(yīng)變e^和強度極限0^分=_[o.5sT+(v_o.5)4:"y￡;]Et=Et=_(14)和爿4-O](15)=(7Tbexp(2eTr=C"V'y(ST,b/sTy)"/exp[￡Tb+(2l/-1)￡綜合以上兩種情況，c^可以表示為T,y￡T,b"]Ey—(JT,y/exp(2v￡Ty)TyyVeXp[sTb+(2v-1)4:4b]9￡T,bJT,y(16)■I,￡T，b>￡T，y可見，Ob=OE,b是材料基本力學(xué)性能參數(shù)OT,y(或￡T,y)、E和V的函數(shù)，進而材料的單軸強度均值osb=(^+。b)/2也可以表示成上述材料基本力學(xué)性能參數(shù)的函數(shù)，即0sb=(0s+0b)/2=(0E,y+0E,b)/2=f。(。t,y，E，v，n)(17)其次，確定osb與Hn、W乂Wt及n的關(guān)系。定義名義硬度Hn為最大壓入載荷Pm與對應(yīng)最大壓入深度hm時壓頭橫截面積A(hm)之比，S卩，HnePm/A(hm)，定義壓入加載功Wt和卸載功We分別為壓頭在加載過程和卸載過程中所做的功，其值分別等于加載曲線和卸載曲線與載荷-位移曲線橫坐標(biāo)所圍面積，如圖2所示。同時將金剛石壓頭視為彈性體，被壓材料視為彈塑性體，其單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系由線彈性和Hollomon冪硬化函數(shù)組成，則名義硬度Hn和壓入比功We/Wt可以分別表示為如下函數(shù)Hn=fnol(oT,y，n，E，v，Ei，Vi，hm)(18)We/Wt=fw。i(。t,y，n，E，v，Ei，Vi，h邁)(19)變換(17)式得<JTy=/?！?20)將(20)式代入(18)和(19)式中得0099]Hn=fn。2(osb，n，E，v，Ei，Vi，hm)(21)0100]We/Wt=fWo2(osb，n，E，v，Ei，Vi，hm)(22)0101]考慮簡單將壓頭及被壓材料的彈性常數(shù)用其平面應(yīng)變楊氏模量來代替，則(21)和(22)式可以被簡化為0102]0103]0104]0105]0106]0107]0108]0109]0110]A=/na3(asb,—v2),￡,/(l—(23)R/^t=/Wa3(b,—V,2),/Zm)(24)將五,/(1-",2)=1/[(1/A)—((l—V2)/五)]代入上式得Hn=fno4(osb，n，E/(l-v2)，Er，hm)(25)We/Wt=fw。4(。sb，n，E/(l-v2)，Er，hm)(26)應(yīng)用量綱n定理，上式被進一步簡化為Hn/Er=Fn。5(oSb/Er，n，[E/(l_v2)]/Er)(27)We/Wt=fw。5(oSb/Er，n，[E/(1-v2)]/Er)(28)由于[￡/(1-r2)〗/《=1+—一)〗/[￡,/(1—《)〗=1+t;，上式可以被改寫為(31)Hn/Er=fno6(osb/Er，n，n)(29)0112]We/Wt=fw。6(osb/Er，n，n)(30)0113]變換(30)式得0114]crsb/￡r=y^6(『,t,",")0115]將(31)式代入(29)式得0116]Hn/Er=fn。7(We/Wt，n，n)(32)0117]最終將(31)式除以(32)式得0118]oSb/Hn=fn。(We/Wt，n，n)(33)0119]應(yīng)用有限元數(shù)值方法可以對上述函數(shù)關(guān)系進行數(shù)值求解。在有限元模擬中，壓頭采用錐半角為70.3°的圓錐金剛石壓頭，其楊氏模量和泊松比分別為1141GPa和0.07;被壓材料的真實屈服強度取值范圍為0.5160000MPa，硬化指數(shù)的取值為0、0.05、0.15、0.3和0.45;平面應(yīng)變楊氏模量之比7=[五/(1-一)]/[五,/(1-v,2)]的取值為ni=[70/(1-0.32)]/①=o、n2=[70/(1-0.32)]/[1141/(l-0.072)]=0.0671、n3=[200/(1-0.32)]/[1141/(l-0.072)]=0.1917禾Pn4=[400/(1—0.32)]/[1141/(1—0.072)]=0.3834;壓頭與被壓材料間無摩擦。圖3-圖6為對應(yīng)不同的n和n時的osb/Hn與We/Wt關(guān)系。從圖中可以看出，對于確定的平面應(yīng)變楊氏模量之比n，所有數(shù)據(jù)點均分布在一個狹窄的條形帶里，因此，為方便應(yīng)用可以忽略硬化指數(shù)n對oSb/Hn與W乂Wt關(guān)系的影響，而將0Sb/Hn與wywt關(guān)系近似表示為一一對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，該關(guān)系被稱為代表性的osb/Hn-wywt關(guān)系，通過采用6次多項式對數(shù)據(jù)點進行曲線擬合，可以方便地確定上述代表性關(guān)系，即"b=,t)=i>—t)W(戶l，2，3，4)(34)式中。jm(j二l，…，4;m二o，L…，6)的取值見表1，下標(biāo)j=1，2，3，4代表4個平面應(yīng)變楊氏模量之比n:^、n2、113和n4所對應(yīng)的4個代表性的。VHn-wyWt關(guān)系。進一步將4個代表性的。sb/Hn-wyWt關(guān)系放入圖7中進行比較發(fā)現(xiàn)，不同的n對代表10_/a呵'2"nq/'4"nq/'510.216120.688810.04755-0.305977.13599-12.91847,6415420.210440.85842-2.018059.14063-13.69769.10946-1.256530.208120.88791-2.5536010.9889-16.784211.5289-1,9147940.211220,69706-1.097245.34558-7.198274.94342-0.70899方程(34)的建立揭示了材料單軸強度均值osb與名義硬度Hn、壓入比功W乂Wt及被壓材料與壓頭材料平面應(yīng)變楊氏模量之比n間的函數(shù)關(guān)系，為儀器化微米壓入測試材料楊氏模量提供了理論基礎(chǔ)。應(yīng)用實施例兩種鋁合金，即6061-T6511和7075-T651的儀器化微米壓入實驗數(shù)據(jù)已由文獻[DaoM，ChollacoopN，VanVlietKJ，VenkateshTA，SureshS.Computationalmodelingoftheforwardandreverseproblemsininstrumentedsharpindentation[J].ActaMater.，2001,49(19):38993918]給出，實驗對每種材料固定最大壓入載荷并且重復(fù)6次實施儀器化微米壓入測試，根據(jù)實驗所得載荷-位移曲線可以確定被測試材料的名義硬度Hn及壓入比功We/Wt，見表2。在此基礎(chǔ)上使用儀器化微米壓入測試材料楊氏模量的方法確定被壓材料的楊氏模量E:E=(1-v2)/[1/Ec-l.32(1-Vi2)/EJ，其中，v=0.33，Vi=0.07，Ei=1141GPa，E。為被領(lǐng)B式材料與壓頭材料的聯(lián)合楊氏模量，且五^札/[t^(『e/『t:r]，am(m=1，2，3，4，5，6)為多項式系數(shù)，且a!=0.16716，a2=-0.13875，a3=0.06215，a4=0.01568，a5=-0.04784，a6=0.01878;然后計算被壓材料與壓頭材料的平面應(yīng)變楊氏模量之比/7^[五/(1-v2)]/[^/(l-一)];最后應(yīng)用本發(fā)明可以確定兩種鋁合金的單軸強度均值osb，結(jié)果見表2。作為比較，通過標(biāo)準(zhǔn)單軸拉伸試驗可以確定兩種鋁合金的單軸強度均值分別為307.7MPa和562.8MPa，因此(osb_307.7)/307.7和(osb_562.8)/562.8即為兩種鋁合金單軸強度均值的儀器化微米壓入測試結(jié)果的測試誤差，從表2中的誤差結(jié)果可以看出，對兩種鋁合金材料應(yīng)用發(fā)明人所提方法獲得的單軸強度均值測試結(jié)果與其標(biāo)準(zhǔn)值的相對誤差分別為4.2%和2.0%，表明發(fā)明人所提方法是可行和非常有效的。表2基于名義硬度確定鋁合金6061-T6511和7075-T651單軸強度均值的儀器化微米壓入實驗測試結(jié)果11Al6061-T6511乃m『,t￡7(asb-307.7)/307.7Testno.(,)(GPa)(GPa)(GPa)110.461.118O扁71.30.0698316.02.7%210,311.1510.09575.90.0743322.74.9%310.501.1100.09672.20.0707312.11.4%410.48U140.11162.80.0615324.95.6%510.541.1020,11162.10,0607321.44.4%610.431.1270.10964.70.0633326.96.2%均值320.74.2%Al7075-T651Am"n￡7(cTsb-562.8)/562.8Testno.(|am)(GPa)(GPa)(GPa)18.451.7140.16767.80.0664566.80.7%28.561.6690,16267.80.0663545.9-3.0%38.421.7270.16867.90.0665572.11.7%48.341.7590.16470.90.0694577.52.6%58.301.7760.16172.90.0714578.82.8%68.201,8200.16971.60.0700604.17.3%均值574.22.0%盡管上文對本發(fā)明的具體實施方式給予了詳細描述和說明，但是應(yīng)該指明的是，我們可以依據(jù)本發(fā)明的構(gòu)想對上述實施方式進行各種等效改變和修改，其所產(chǎn)生的功能作用仍未超出說明書及附圖所涵蓋的精神時，均應(yīng)在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。權(quán)利要求一種儀器化微米壓入測試材料單軸強度均值的方法，該方法使用儀器化微米壓入加載功、卸載功以及名義硬度來測定被測試材料的單軸強度均值，具體包括以下步驟(1)利用儀器化壓入儀和金剛石錐形壓頭對被測試材料表面實施最大壓入深度hm大于8微米或測試載荷大于4N的垂直壓入，獲得被測試材料的載荷-位移曲線；(2)根據(jù)被測試材料的載荷-位移曲線計算名義硬度其中，Pm為最大壓入載荷，hm為對應(yīng)最大壓入載荷時的最大壓入深度，A(hm)為對應(yīng)最大壓入深度時的壓頭橫截面積；(3)通過分別積分加載曲線和卸載曲線計算壓入加載功Wt、卸載功We，并在此基礎(chǔ)上計算壓入比功We/Wt；(4)若已知被壓材料的楊氏模量E，則直接計算被壓材料與壓頭材料平面應(yīng)變楊氏模量之比其中，v為被測試材料的泊松比，可由材料手冊確定，Ei＝1141GPa和vi＝0.07分別為金剛石壓頭的楊氏模量與泊松比；若被壓材料的楊氏模量未知，則需要使用儀器化微米壓入測試材料楊氏模量的方法確定被壓材料的楊氏模量EE＝(1-v2)/[1/Ec-1.32(1-vi2)/Ei]，其中，Ec為被測試材料與壓頭材料的聯(lián)合楊氏模量，且am(m＝1，2，3，4，5，6)為多項式系數(shù)，且a1＝0.16716，a2＝-0.13875，a3＝0.06215，a4＝0.01568，a5＝-0.04784，a6＝0.01878；在此基礎(chǔ)上計算被壓材料與壓頭材料的平面應(yīng)變楊氏模量之比(5)基于比功We/Wt和系數(shù)anσjm(j＝1，…，4；m＝0，1，…，6)計算下列函數(shù)值<mrow><msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>σ</mi><mi>sb</mi></msub><mo>/</mo><msub><mi>H</mi><mi>n</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mi>j</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>f</mi><mi>nσj</mi></msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>W</mi><mi>e</mi></msub><mo>/</mo><msub><mi>W</mi><mi>t</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>m</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mn>6</mn></munderover><msub><mi>a</mi><mi>nσjm</mi></msub><msup><mrow><mo>(</mo><msub><mi>W</mi><mi>e</mi></msub><mo>/</mo><msub><mi>W</mi><mi>t</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mi>m</mi></msup><mrow><mo>(</mo><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1,2,3,4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>式中，σsb表示被測試材料的單軸強度均值，即材料的屈服強度σs與強度極限σb的算術(shù)平均值σsb＝(σs+σb)/2；系數(shù)anσjm(j＝1，…，4；m＝0，1，…，6)的取值為anσ10＝0.21612，anσ11＝0.68881，anσ12＝0.04755，anσ13＝-0.30597，anσ14＝7.13599，anσ15＝-12.9184，anσ16＝7.64154；anσ20＝0.21044，anσ21＝0.85842，anσ22＝-2.01805，anσ23＝9.14063，anσ24＝-13.6976，anσ25＝9.10946，anσ26＝-1.25655；anσ30＝0.20812，anσ31＝-2.55360，anσ32＝-2.55360，anσ33＝10.9889，anσ34＝-16.7842，anσ35＝11.5289，anσ36＝-1.91479；anσ40＝0.21122，anσ41＝0.69706，anσ42＝-1.09724，anσ43＝5.34558，anσ44＝-7.19827，anσ45＝4.94342，anσ46＝-0.70899；(6)根據(jù)(σsb/Hn)j(j＝1，…，4)和4個η值ηj(j＝1，…，4)η1＝[70/(1-0.32)]/∞＝0、η2＝[70/(1-0.32)]/[1141/(1-0.072)]＝0.0671、η3＝[200/(1-0.32)]/[1141/(1-0.072)]＝0.1917和η4＝[400/(1-0.32)]/[1141/(1-0.072)]＝0.3834，用三次拉格朗日插值法計算對應(yīng)被壓材料與壓頭平面應(yīng)變楊氏模量之比為η的材料單軸強度均值σsb與名義硬度Hn的比值σsb/Hn<mrow><msub><mi>σ</mi><mi>sb</mi></msub><mo>/</mo><msub><mi>H</mi><mi>n</mi></msub><mo>=</mo><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mn>4</mn></munderover><mo>{</mo><msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>σ</mi><mi>sb</mi></msub><mo>/</mo><msub><mi>H</mi><mi>n</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mi>k</mi></msub><munderover><mi>Π</mi><munder><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><mi>j</mi><mo>≠</mo><mi>k</mi></mrow></munder><mn>4</mn></munderover><mo>[</mo><mrow><mo>(</mo><mi>η</mi><mo>-</mo><msub><mi>η</mi><mi>j</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><msub><mi>η</mi><mi>k</mi></msub><mo>-</mo><msub><mi>η</mi><mi>j</mi></msub><mo>)</mo><mo>]</mo><mo>}</mo></mrow>(7)基于名義硬度Hn確定被壓材料的單軸強度均值σsbσsb＝(σsb/Hn)HnFSA00000013176400011.tif,FSA00000013176400012.tif,FSA00000013176400013.tif,FSA00000013176400014.tif2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述金剛石錐形壓頭為Berkovich壓頭、Vickers壓頭或圓錐壓頭。3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述圓錐壓頭的圓錐半角為70.3。。4.如權(quán)利要求l所述的方法，其中，步驟(4)中，如果被測試材料的泊松比不能由材料手冊確定，則對金屬材料取v=0.3，對陶瓷材料取v=0.2。全文摘要本發(fā)明公開了一種儀器化微米壓入測試材料單軸強度均值(材料的屈服強度與強度極限的算術(shù)平均值)的方法，該方法使用儀器化微米壓入加載功、卸載功以及名義硬度來測定被測試材料的單軸強度均值。使用本發(fā)明的方法可以容易地測定出被測材料的單軸強度均值。文檔編號G01N3/08GK101776551SQ20101010702公開日2010年7月14日申請日期2010年2月9日優(yōu)先權(quán)日2010年2月9日發(fā)明者馬德軍申請人:馬德軍