專利名稱：一種利用雙錐度壓頭測定材料力學性能的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及到材料力學性能的測量，特別涉及一種用雙錐度壓頭測試材料力學性能的方法。
背景技術：
力學性能是評價材料質量的主要指標，也是進行工程設計與計算的主要依據(jù)。通常情況下，材料的力學性能最終取決于其應力-應變關系。單軸拉伸實驗是獲得材料應力-應變關系最直接的實驗方法。實驗中試樣受力均勻，實驗結果容易解釋，可以得到材料的屈服強度、塑性應變指數(shù)、抗拉強度、延伸率、斷面收縮率、韌性等力學性能參數(shù)。但是單軸拉伸實驗需要制備專門的標準拉伸試樣，得到的是材料的平均力學性能參數(shù)，對材料是一種破壞性實驗。對于性能連續(xù)變化的焊接件、熱處理區(qū)、結構零件等就不能直接使用。
壓入實驗是另外一種獲得材料力學性能的基本方法，實驗過程對于試樣是非破壞性的，基本上是一種無損檢測。實驗過程中材料處于復雜的三軸應力狀態(tài)，很難直接進行理論求解，從而對實驗結果進行定量分析。專利CN1533500A利用球形壓頭采用有限元方法得到了材料的應力-應變關系，但有關參數(shù)的選擇和迭代過程較為復雜，方法的實用性較差。特別是采用球形壓頭時，材料應變較小，基本上處于彈性-塑性變形階段，很難表征大應變條件下的應力-應變關系，也難于與常用的錐型壓頭所得結果進行直接對比。
在利用錐形壓頭對材料力學性能的研究中，人們發(fā)現(xiàn)確定的壓入載荷-位移曲線可以與不同的應力-應變曲線相對應(Y.-T.Cheng，C.-M.ChengScaling，dimensional analysis，and indentation measurements Materials Scienceand Engineering R 44(2004)91-149)，導致壓入過程中單一的載荷位移曲線可與不同的材料力學性能參數(shù)相對應，即所測結果不惟一，因此必須加入另外的條件來進行限制。同時發(fā)現(xiàn)，確定圓錐角度的壓頭存在著特征應變，該應變值與材料的塑性應變指數(shù)無關(M.Dao，N.Chollacoop，K.J.Van Vliet，T.A.Venkatesh.S.Suresh.Computational modeling of the forward and reverseproblems in instrumented sharp indentation.Acta Mater.，2001，493899-3918)，據(jù)此可以得到應力-應變曲線上的一點。在此基礎上，J.L.Bucaille提出采用兩個不同錐度的圓錐壓頭進行兩次壓入過程可以得到材料的應力-應變關系(J.L.Bucaille，S.Stauss，E.Felder，J.Michler.Determination of plastic properties ofmetals by instrumented indentation using different sharp indenters[J].Acta Mater.，2003，511663-1678.)，從而獲取材料的力學性能參數(shù)。這樣在實際測試中，就需要更換不同圓錐角度的壓頭，很難直接測量材料的力學性能，這種方法同樣不適用于材料性能變化的區(qū)域，該方法的實用性較差。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種用雙錐度壓頭測試材料力學性能的方法，利用雙錐度壓頭通過一次壓入過程，直接得到材料的屈服強度、塑性應變指數(shù)、延伸率、斷面收縮率、抗拉強度、韌性等力學性能。本方法避免了傳統(tǒng)拉伸實驗中的試樣專門制備過程，節(jié)省了人力物力。對試樣本身沒有破壞性，基本上是一種無損檢測，可以用來對零件進行在線測量。
本發(fā)明的技術方案是這樣實現(xiàn)的首先，確定雙錐度壓頭的結構參數(shù)，圓錐半角θ1、θ2，高度h1、h2，將雙錐度壓頭壓入待測試樣，其壓入深度大于h1，得到壓入過程的載荷位移曲線，將載荷位移曲線中的加載曲線小于h1和大于h1兩部分分別進行P＝Ch2擬合，得到參數(shù)C1和C，其中C1為圓錐半角θ1對應的特征參數(shù)；C為圓錐半角θ1和θ2對應的特征參數(shù)C1和C2的復合值，引入分配系數(shù)λ，C＝C1λ+C2(1-λ)，用來確定特征參數(shù)C2；C2=C-C1λ1-λ---(1)]]>其次，估計待測測試樣的屈服強度Y、塑性應變指數(shù)n的變化范圍，利用有限元方法對不同屈服強度和塑性應變指數(shù)條件下的特征參數(shù)進行分析，確定參數(shù)λ與塑性應變指數(shù)的關系，從而由(1)式得到特征參數(shù)C2與塑性應變指數(shù)的關系；最后對所擬和的特征參數(shù)求解方程，對于確定的壓頭和材料系統(tǒng)存在量綱分析關系式(2)、應力-應變關系式(4)以及特征應變關系式(5)；Cσr=f(Eσr)---(2)]]>上式可以采用(3)式來表示； σr＝Y1-n(Eεr+Y)n(4)εr＝0.2ctgθ (5)其中θ為圓錐半角、σ為應力、Y為屈服強度、n為塑性應變指數(shù)、E為彈性模量、ε為應變，εr為不同圓錐半角對應的特征應變；將參數(shù)特征參數(shù)C1和C2與對應的圓錐角度θ1和θ2帶入式(3)、(4)中可以得到C1σr1=f(Eσr1)---(6-1)]]>C2σr2=f(Eσr2)---(6-2)]]>σr1＝Y1-n(Eεr1+Y)n(7-1)σr2＝Y1-n(Eεr2+Y)n(7-2)聯(lián)立公式(5)、(6)、(7)，求解即可得到屈服強度Y和塑性應變指數(shù)n。
所述的載荷位移曲線的確定方法采用連續(xù)壓入法或測試有限個載荷-位移對應點的方法。
所述的雙錐度壓頭壓入待測試樣，其壓入最佳深度為2h1。
本發(fā)明利用雙錐度壓頭測試材料力學性能的方法，避免了傳統(tǒng)拉伸實驗中的試樣專門制備過程，節(jié)省了人力物力，對試樣本身沒有破壞性，基本上是一種無損檢測。對于不能進行用傳統(tǒng)的拉伸實驗進行測試的試樣如焊接變形區(qū)、熱處理區(qū)域可以進行在線測量。本發(fā)明可以用于材料的微觀領域性能測試中，可以較快的給出材料微觀力學性能的評價，適合于材料微觀領域的企業(yè)與科研單位中推廣和應用。


圖1為本發(fā)明雙錐度圓錐壓頭結構示意圖；圖2為本發(fā)明壓入過程載荷位移曲線示意圖；
圖3為本發(fā)明加載曲線兩部分特征參數(shù)關系圖；圖4為本發(fā)明參數(shù)λ確定方法圖。
下面結合附圖對本發(fā)明的內容作進一步詳細說明。
具體實施例方式
如圖1所示，為本發(fā)明中所述的雙錐度圓錐壓頭，由下部1的圓錐和上部2的圓臺兩部分組成。結構參數(shù)為圓錐半角θ1、θ2，高度h1、h2。
如圖2所示，為壓入過程載荷位移曲線示意圖，橫軸為壓入深度，縱軸為壓入載荷。加載曲線由兩部分組成(小于h1、大于h1)，分別對應下部1和上部2壓入材料過程的載荷-位移關系。
如圖3所示，為利用有限元方法確定的銅合金加載線兩部分特性參數(shù)關系圖，其中橫軸表示C1-C2、縱軸表示C-C2。圖中表示不同的塑性應變指數(shù)0.1、0.2、0.3、0.4、0.5條件下C1-C2與C-C2的對應關系，兩者基本上是線性的，其斜率即為參數(shù)λ。
如圖4所示，為參數(shù)λ確定方法圖。對圖3中的λ與n的進行多項式擬和得到λ＝0.240+0.210n+1.665n2，該曲線唯一地決定了λ與n之間的關系。
下面以銅合金為例作進一步說明。
首先，確定雙錐度壓頭的結構參數(shù)，如圖1所示，下部圓錐1與上部圓臺2的圓錐半角分別為70.3度和42.3度，高度h1為1微米、h2為2微米，由金剛石制作而成。將雙錐度壓頭壓入待測試樣，其壓入深度為2微米，得到壓入過程的載荷位移曲線如圖2所示。
將載荷位移曲線中的加載曲線小于h1和大于h1兩部分分別進行P＝Ch2擬合，得到參數(shù)C1＝30.98GPa和C＝5.22GPa，引入分配系數(shù)λ，C＝C1λ+C2(1-λ)，即C-C2＝(C1-C2)λ，可以得到C2=5.22-30.98λ1-λ---(1)]]>其次，估計銅合金的屈服強度Y的變化范圍為50MPa-200MPa之間，塑性應變指數(shù)n的變化范圍在0.1-0.5之間，利用有限元方法確定的不同的塑性應變指數(shù)0.1、0.2、0.3、0.4、0.5時加載線兩部分特性參數(shù)關系如圖3所示?？梢钥闯鰞烧呋旧铣示€性變化，其斜率與塑性應變指數(shù)n有關。引入分配系數(shù)λ，C＝C1λ+C2(1-λ)，即C-C2＝(C1-C2)λ，λ即為圖中各個直線的斜率，這樣，就可以進行λ與n關系的確定。圖4所示為參數(shù)λ確定方法圖，對圖3中的λ與n的進行多項式擬和得到λ＝0.240+0.210n+1.665n2，該曲線唯一地決定了λ與n之間的關系。
最后對所擬和的特征參數(shù)求解方程，對于確定的壓頭和材料系統(tǒng)存在量綱分析關系式(2)、應力-應變關系式(4)以及特征應變關系式(5)Cσr=f(Eσr)---(2)]]>上式可以采用(3)式來表示(Acta Mater.，2003，511663-1678)。
σr＝Y1-n(Eεr+Y)n(4)εr＝0.2ctgθ(5)其中θ為圓錐半角、σ為應力、Y為屈服強度、n為塑性應變指數(shù)、E為彈性模量、ε為應變。εr為不同圓錐半角對應的特征應變。
將特征參數(shù)C1＝30.98和公式(1)中對應的值C2以及擬和參數(shù)λ＝0.240+0.210n+1.665n2帶入式(3)、(4)中可以得到
C1Cr1=f(Eσr1)---(6-1)]]>C2σr2=f(Eσr2)---(6-2)]]>σr1＝Y1-n(Eεr1+Y)n(7-1)σr2＝Y1-n(Eεr2+Y)n(7-2)對于圖1中所述的壓頭，對應于70.3度和42.3度的圓錐半角特征應變利用公式(5)分別為0.033和0.126，將(6)(7)聯(lián)立求解可以確定銅合金的屈服強度為180MPa，塑性應變指數(shù)為0.3。
本發(fā)明的另一應用是得到其它力學性能指標，例如σb＝Y1-nEne-nnn(8)Toughness=En+1[nn+1-(YE)n+1]+12Y2E---(9)]]>ψ＝en-1(10)η=1-e-n2---(11)]]>其中σb為拉伸強度、Toughness為對應拉伸曲線下的面積，可以用來表征韌性，ψ為延伸率、η為斷面收縮率。
根據(jù)前面的屈服強度合塑性應變指數(shù)可以得到銅合金的其它力學性能參數(shù)，如拉伸強度σb為900MPa、韌性Toughness為20.8MPa.m1/2，延伸率ψ為0.35、斷面收縮率η為0.14。
權利要求
1.一種利用雙錐度壓頭測定材料力學性能的方法，其特征在于，按下述步驟進行首先，確定雙錐度壓頭的圓錐半角θ1、θ2，高度h1、h2結構參數(shù)，將雙錐度壓頭壓入待測試樣，其壓入深度大于h1，得到壓入過程的載荷位移曲線，將載荷位移曲線中的加載曲線小于h1和大于h1兩部分分別按P＝Ch2擬合，得到參數(shù)C1和C，其中C1為圓錐半角θ1對應的特征參數(shù)；C為圓錐半角θ1和θ2對應的特征參數(shù)C1和C2的復合值，引入分配系數(shù)λ，C＝C1λ+C2(1-λ)，用來確定特征參數(shù)C2；C2=C-C1λ1-λ---(1)]]>其次，估計待測試樣的屈服強度Y、塑性應變指數(shù)n的變化范圍，利用有限元方法對不同屈服強度和塑性應變指數(shù)條件下的特征參數(shù)進行分析，確定參數(shù)λ與塑性應變指數(shù)的關系，從而由(1)式得到特征參數(shù)C2與塑性應變指數(shù)的關系；最后對所擬和的特征參數(shù)求解方程，對于確定的壓頭和材料系統(tǒng)存在量綱分析關系式(2)、應力-應變關系式(4)以及特征應變關系式(5)；Cσr=f(Eσr)---(2)]]>上式可以采用(3)式來表示； σr＝Y1-n(Eεr+Y)n(4)εr＝0.2ctgθ (5)其中θ為圓錐半角、σ為應力、Y為屈服強度、n為塑性應變指數(shù)、E為彈性模量、ε為應變，εr為不同圓錐半角對應的特征應變；將參數(shù)特征參數(shù)C1和C2與對應的圓錐角度θ1和θ2帶入式(3)、(4)中可以得到C1σr1=f(Eσr1)---(6-1)]]>C2σr2=f(Eσr2)---(6-2)]]>σr1＝Y1-n(Eεr1+Y)n(7-1)σr2＝Y1-n(Eεr2+Y)n(7-2)聯(lián)立公式(5)、(6)、(7)，求解即可得到屈服強度Y和塑性應變指數(shù)n。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的載荷位移曲線的確定方法采用連續(xù)壓入法或測試有限個載荷-位移對應點的方法。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的雙錐度壓頭壓入待測試樣的深度為2h1。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用雙錐度壓頭測定材料力學性能的方法，首先，確定雙錐度壓頭的結構參數(shù)，將雙錐度壓頭壓入待測試樣，得到壓入過程的載荷位移曲線，將載荷位移曲線中的加載曲線按P＝Ch
文檔編號G06F19/00GK101038247SQ20071001763
公開日2007年9月19日 申請日期2007年4月6日 優(yōu)先權日2007年4月6日
發(fā)明者侯根良, 徐可為 申請人:西安交通大學