专利名称：一种基于载荷-深度曲线获得金属材料力学性能的方法
技术领域：
本发明属于材料力学性能测试方法技术领域，具体为一种基于载荷-深度曲线 (p-h曲线)获得金属结构材料屈服强度、加工硬化指数和抗拉强度力学性能的方法。
背景技术：
目前通用的纳米压痕测试技术也被称之为深度敏感示值压痕测试技术，其测试方法是将尖锥形或球形压头压入被测材料的表面，通过连续记录压头加载及卸载过程中的载荷、位移数据，得到被测材料的载荷-位移曲线(P-h曲线)。通过建立合适的力学模型，可以测试多种力学参量，包括硬度、弹性模量、断裂韧度、应力-应变曲线、高聚物的存储模量、 蠕变特性、疲劳特性、粘附特性等。IS0/TR 29381标准介绍了三大类计算方法量纲分析、 有限元模拟和神经网络预测。采用量纲分析可以得到各力学参量之间较为清晰的简单关系式；采用纯粹的有限元模拟可以得到弹塑性性能的测试方法，但是该方法需要知道接触半径大小，且其表达式包含上百个拟合参数，使用起来非常复杂；而神经网络法尚不成熟。代表应变(r印resentative strain)作为一种数学方法可以在量纲分析中把无量纲函数中的未知量减小到最少。过去的十年，代表应变的定义被进一步研究。最初有人针对尖锥压头将其定义为一种应变数值，此时构造的无量纲函数独立于应变硬化指数且仅与参数E7o有关(E*为简约模量，O为流变应力或代表应力)。后来有人将该定义推广到了球形压痕，最近又有人把代表应变定义为单向应力应变曲线的塑性应变，物理意义更为明确。相对于尖锥形压头，球形压头的优点在于随着压入深度的增加，压痕下方的应变也随之增加，从而使得变形从接触初始的全弹性转变到下一阶段的弹塑性和全塑性，从而可以方便得到类似拉伸曲线的真实应力-应变曲线。球形压头另外一个优点是对于一定尺寸的球形压头，压痕深度h与压头半径R之比(h/R)与锥形压痕的尖锥角度存在一个对应关系，因此，可以只用一个球形压痕在2个不同深度下的压痕数据来推测材料的塑性性能。 球形压痕的本质与双尖压头算法是一致的，但是球形压痕仅仅只需一次压痕测试。如果把代表应变定义为单向应力应变曲线的塑性应变(即^= ε f，见
图1)，相应的，按照材料的本构关系，代表应力σρ就可以表达为
权利要求
1. 一种基于载荷-深度曲线获得金属材料力学性能的方法，所述金属材料的本构关系符合幂次定律，其特征在于包括如下步骤(1)用球形压头对已知弹性模量的材料进行测试，得到载荷-深度曲线，即p-h曲线；(2)通过对合金钢、铝合金和钛合金三种弹性模量明显不同的工程材料进行有限单元法数值模拟，确定新的代表应变，使得在此应变下加工硬化指数η = 0. 4与η = 0. 5的无量纲函数W/ (h3 or) ^EVor的关系曲线相互重合，引入反映η值的球因子参数S后的无量纲函数式表示如下
2.根据权利要求1所述的基于载荷-深度曲线获得金属材料力学性能的方法，其特征在于所述的载荷-深度关系满足的条件h/R的比值范围在0. 1 0. 5之间。
3.根据权利要求2所述的基于载荷-深度曲线获得金属材料力学性能的方法，其特征在于所述的深度与压头半径的比值分别为0. 1和0. 4，即^/R = 0. 1，h2/R = 0. 4。
4.根据权利要求1所述的基于载荷-深度曲线获得金属材料力学性能的方法，其特征在于所述的第一、第二、第三系数对应h/R比值的具体数值如下表4 表4
全文摘要
一种基于载荷-深度曲线获得金属材料力学性能的方法，属于材料性能测试技术领域。其在确定采用大的压入深度比(深度h/压头半径R)的基础上，采用两种深度组合(h1＝0.1R、h2＝0.4R)，对三种弹性模量有明显差异的合金钢、铝合金和钛合金工程材料进行分别处理，得到各自的材料性能系数，引入反映硬化指数效应的球因子S，得到无量纲函数和W/(h3σrS)与E*/(σrS)之间的关系式。通过本发明中采用有限元数值模拟得到的各个系数及材料的本构关系，最终确定所测试材料的力学性能。通过本发明获得的结果更准确，方法易用、快捷。适用于符合幂次定律的工程结构材料。
文档编号G01N3/42GK102455263SQ20101052121
公开日2012年5月16日 申请日期2010年10月27日 优先权日2010年10月27日
发明者陈军, 陈怀宁, 陈静, 马耀芳 申请人:中国科学院金属研究所