專利名稱：一種基于載荷-深度曲線獲得金屬材料力學(xué)性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料力學(xué)性能測(cè)試方法技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于載荷-深度曲線 (p-h曲線)獲得金屬結(jié)構(gòu)材料屈服強(qiáng)度、加工硬化指數(shù)和抗拉強(qiáng)度力學(xué)性能的方法。
背景技術(shù)：
目前通用的納米壓痕測(cè)試技術(shù)也被稱之為深度敏感示值壓痕測(cè)試技術(shù)，其測(cè)試方法是將尖錐形或球形壓頭壓入被測(cè)材料的表面，通過連續(xù)記錄壓頭加載及卸載過程中的載荷、位移數(shù)據(jù)，得到被測(cè)材料的載荷-位移曲線(P-h曲線)。通過建立合適的力學(xué)模型，可以測(cè)試多種力學(xué)參量，包括硬度、彈性模量、斷裂韌度、應(yīng)力-應(yīng)變曲線、高聚物的存儲(chǔ)模量、 蠕變特性、疲勞特性、粘附特性等。IS0/TR 29381標(biāo)準(zhǔn)介紹了三大類計(jì)算方法量綱分析、 有限元模擬和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)。采用量綱分析可以得到各力學(xué)參量之間較為清晰的簡單關(guān)系式；采用純粹的有限元模擬可以得到彈塑性性能的測(cè)試方法，但是該方法需要知道接觸半徑大小，且其表達(dá)式包含上百個(gè)擬合參數(shù)，使用起來非常復(fù)雜；而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法尚不成熟。代表應(yīng)變(r印resentative strain)作為一種數(shù)學(xué)方法可以在量綱分析中把無量綱函數(shù)中的未知量減小到最少。過去的十年，代表應(yīng)變的定義被進(jìn)一步研究。最初有人針對(duì)尖錐壓頭將其定義為一種應(yīng)變數(shù)值，此時(shí)構(gòu)造的無量綱函數(shù)獨(dú)立于應(yīng)變硬化指數(shù)且僅與參數(shù)E7o有關(guān)(E*為簡約模量，O為流變應(yīng)力或代表應(yīng)力)。后來有人將該定義推廣到了球形壓痕，最近又有人把代表應(yīng)變定義為單向應(yīng)力應(yīng)變曲線的塑性應(yīng)變，物理意義更為明確。相對(duì)于尖錐形壓頭，球形壓頭的優(yōu)點(diǎn)在于隨著壓入深度的增加，壓痕下方的應(yīng)變也隨之增加，從而使得變形從接觸初始的全彈性轉(zhuǎn)變到下一階段的彈塑性和全塑性，從而可以方便得到類似拉伸曲線的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。球形壓頭另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于一定尺寸的球形壓頭，壓痕深度h與壓頭半徑R之比(h/R)與錐形壓痕的尖錐角度存在一個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此，可以只用一個(gè)球形壓痕在2個(gè)不同深度下的壓痕數(shù)據(jù)來推測(cè)材料的塑性性能。 球形壓痕的本質(zhì)與雙尖壓頭算法是一致的，但是球形壓痕僅僅只需一次壓痕測(cè)試。如果把代表應(yīng)變定義為單向應(yīng)力應(yīng)變曲線的塑性應(yīng)變(即^= ε f，見

圖1)，相應(yīng)的，按照材料的本構(gòu)關(guān)系，代表應(yīng)力σρ就可以表達(dá)為
權(quán)利要求
1. 一種基于載荷-深度曲線獲得金屬材料力學(xué)性能的方法，所述金屬材料的本構(gòu)關(guān)系符合冪次定律，其特征在于包括如下步驟(1)用球形壓頭對(duì)已知彈性模量的材料進(jìn)行測(cè)試，得到載荷-深度曲線，即p-h曲線；(2)通過對(duì)合金鋼、鋁合金和鈦合金三種彈性模量明顯不同的工程材料進(jìn)行有限單元法數(shù)值模擬，確定新的代表應(yīng)變，使得在此應(yīng)變下加工硬化指數(shù)η = 0. 4與η = 0. 5的無量綱函數(shù)W/ (h3 or) ^EVor的關(guān)系曲線相互重合，引入反映η值的球因子參數(shù)S后的無量綱函數(shù)式表示如下
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于載荷-深度曲線獲得金屬材料力學(xué)性能的方法，其特征在于所述的載荷-深度關(guān)系滿足的條件h/R的比值范圍在0. 1 0. 5之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于載荷-深度曲線獲得金屬材料力學(xué)性能的方法，其特征在于所述的深度與壓頭半徑的比值分別為0. 1和0. 4，即^/R = 0. 1，h2/R = 0. 4。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于載荷-深度曲線獲得金屬材料力學(xué)性能的方法，其特征在于所述的第一、第二、第三系數(shù)對(duì)應(yīng)h/R比值的具體數(shù)值如下表4 表4
全文摘要
一種基于載荷-深度曲線獲得金屬材料力學(xué)性能的方法，屬于材料性能測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域。其在確定采用大的壓入深度比(深度h/壓頭半徑R)的基礎(chǔ)上，采用兩種深度組合(h1＝0.1R、h2＝0.4R)，對(duì)三種彈性模量有明顯差異的合金鋼、鋁合金和鈦合金工程材料進(jìn)行分別處理，得到各自的材料性能系數(shù)，引入反映硬化指數(shù)效應(yīng)的球因子S，得到無量綱函數(shù)和W/(h3σrS)與E*/(σrS)之間的關(guān)系式。通過本發(fā)明中采用有限元數(shù)值模擬得到的各個(gè)系數(shù)及材料的本構(gòu)關(guān)系，最終確定所測(cè)試材料的力學(xué)性能。通過本發(fā)明獲得的結(jié)果更準(zhǔn)確，方法易用、快捷。適用于符合冪次定律的工程結(jié)構(gòu)材料。
文檔編號(hào)G01N3/42GK102455263SQ20101052121
公開日2012年5月16日 申請(qǐng)日期2010年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月27日
發(fā)明者陳軍, 陳懷寧, 陳靜, 馬耀芳 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院金屬研究所