基于Berkovich压痕的材料弹塑性参数仪器化压入测试方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于Berkovich压痕的金属材料弹塑性参数仪器化压入测试方法，该方法利用Berkovich压头仪器化压入金属材料所得载荷-位移曲线及Berkovich压痕确定金属材料的应变硬化指数n、弹性模量E、条件屈服强度σ0.2及强度极限σb。与使用两个或两个以上不同锥顶角的棱锥压头仪器化压入测试方法相比，该方法仅使用单一Berkovich压头对金属材料实施仪器化压入测试并辅以Berkovich压痕几何参数测试即可确定金属材料的应变硬化指数n、弹性模量E、条件屈服强度σ0.2及强度极限σb，避免了测试前需要单独设计加工不同于标准凌锥压头锥顶角的非标准棱锥压头问题，以及测试过程中需要更换压头及由此导致的需要对仪器柔度进行重新标定的问题，提高了测试效率。
【专利说明】基于Berkovich压痕的材料弹塑性参数仪器化压入测试方 法
【技术领域】
[0001] 本发明属于材料力学性能测试领域。具体涉及一种利用仪器化压入仪和 Berkovich压头测试金属材料应变硬化指数、弹性模量、条件屈服强度〇α2及强度极限〇b 的方法。
【背景技术】
[0002] 仪器化压入测试技术通过实时同步测量作用于金刚石压头上的压入载荷与金刚 石压头压入被测材料表面的压入深度获得压入载荷-位移曲线，根据仪器化压入响应与被 测材料力学性能参数间的无量纲函数关系式，可识别被测材料的诸多力学性能参数。
[0003] 材料弹性模量的仪器化压入测试主要有W. C. 01 iver和G. Μ. Pharr提出的 "Oliver-Phan方法"或"斜率方法"和马德军提出的"马德军方法"或"纯能量方法"。"斜 率方法"的理论基础为小变形弹性理论，由于未考虑被测材料在压头作用下的塑性行为和 几何大变形，使得"斜率方法"在应用于低应变硬化指数的被测材料时，测试结果严重偏离 弹性模量真值。"纯能量方法"考虑了材料、几何和接触边界条件的非线性，其弹性模量的测 试精度因此高于"斜率方法"。尽管如此，"纯能量方法"依然存在一定的理论测试误差，该 误差源于被测材料的应变硬化指数未知，因此设法识别被测试材料的应变硬化指数是提高 材料弹性模量仪器化压入测试精度的唯一有效途径。
[0004] 材料应变硬化指数与屈服强度的仪器化压入测试目前存在基于球形压头的单一 球压头压入法和基于不同锥顶角的多个锥压头压入法，其中应用单一球压头压入法遇到的 困难是制造半径为几个或几十微米的球形压头其几何加工精度难以满足测试要求，因此， 基于球形压头的材料应变硬化指数与屈服强度的仪器化压入测试方法在实际应用或工程 化方面难有作为。应用多个锥压头压入法不存在压头制造方面的问题，但测试过程需要更 换不同锥顶角的棱锥压头，同时需要对仪器柔度进行重新标定，而精确标定仪器柔度既耗 时又困难，因此应用多锥压头压入法进行测试其效率较低。
[0005] 针对目前金属材料弹塑性参数仪器化压入测试中存在的问题，本发明提出了一种 基于Berkovich压痕的金属材料应变硬化指数、弹性模量、条件屈服强度 〇 α2及强度极限 σ b的仪器化压入测试方法。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种基于Berkovich压痕的金属材料弹塑性参数仪器化压 入测试方法，利用该方法可以确定金属材料的弹塑性参数包括应变硬化指数、弹性模量、条 件屈服强度σ α2及强度极限〇b。与使用两个或两个以上不同锥顶角的棱锥压头仪器化压 入测试方法相比，该方法仅使用单一 Berkovich压头对金属材料实施仪器化压入测试并辅 以Berkovich压痕几何参数测试即可确定金属材料的应变硬化指数η、弹性模量E、条件屈 服强度O ci 2及强度极限〇b，避免了测试前需要单独设计加工不同于标准凌锥压头锥顶角 的非标准棱锥压头问题，以及测试过程中需要更换压头及由此导致的需要对仪器柔度进行 重新标定的问题，提高了测试效率。
[0007] 为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
[0008] -种基于Berkovich压痕的金属材料弹塑性参数仪器化压入测试方法，该方法利 用单一 Berkovich压头仪器化压入金属材料所得载荷-位移曲线及压痕确定金属材料的应 变硬化指数、弹性模量、条件屈服强度σ α2及强度极限〇b ;首先，利用Berkovich压痕中边 距与名义中边距之比和仪器化压入比功确定金属材料的应变硬化指数；其次，利用仪器化 压入比功、仪器化压入名义硬度及测试所得应变硬化指数确定金属材料的弹性模量；最后， 利用仪器化压入比功、仪器化压入名义硬度及测试所得弹性模量和应变硬化指数确定金属 材料的条件屈服强度O tl 2与强度极限〇b。具体包括以下步骤：
[0009] 1)利用仪器化压入仪和金刚石Berkovich压头对被测材料实施某一最大压入 载荷为P m的仪器化压入测试，获得压入载荷-位移曲线，同时利用该曲线确定金刚石 Berkovich压头的最大压入深度hm、名义硬度Hn = Pm/A(hm)，其中，A(hm)为对应最大压入 深度时的金刚石Berkovich压头横截面积，当不考虑金刚石Berkovich压头尖端钝化时 X(Zzm) = 24.5/?^，而考虑金刚石Berkovich压头尖端钝化时，则A(hm)应由金刚石Berkovich 压头的面积函数4〇1)来确定，即决/〇 = _)|/^;
[0010] 2)通过分别积分载荷-位移曲线关系中的加载曲线和卸载曲线计算压入加载功 Wt、卸载功We，并在此基础上计算压入比功We/Wt ;
[0011] 3)借助显微镜分别量取Berkovich压痕中心至三个压痕边界的距离：C^d2和d 3， 并确定中边距d = (￠^+4+(^)/3及其与名义中边距dn = hmtan65. 274°之比d/dn ;
[0012] 4)根据4个不同硬化指数Oi1 = 0, n2 = 0. 15, n3 = 0. 30, n4 = 0. 45)下的仪器 化压入比功We/Wt与d/dn的关系
【权利要求】
1. 一种基于Berkovich压痕的材料弹塑性参数仪器化压入测试方法，该方法利用 Berkovich压头仪器化压入金属材料所得载荷-位移曲线及Berkovich压痕确定金属材料 的应变硬化指数η、弹性模量E、条件屈服强度〇α2及强度极限〇b，具体包括以下步骤： 1) 利用仪器化压入仪和金刚石Berkovich压头对被测材料实施某一最大压入载荷为 Pm的仪器化压入测试，获得压入载荷-位移曲线，同时利用该曲线确定金刚石Berkovich压 头的最大压入深度hm、名义硬度Hn =Pm/A(hm)，其中，A(hm)为对应最大压入深度时的金刚 石Berkovich压头横截面积，当不考虑金刚石Berkovich压头尖端钝化时J(Am) = 24.5?， 而考虑金刚石Berkovich压头尖端钝化时，则A(hm)应由金刚石Berkovich压头的面积函 数A(h)来确定，即 = ; 2) 通过分别积分载荷-位移曲线关系中的加载曲线和卸载曲线计算压入加载功Wt、卸 载功We，并在此基础上计算压入比功We/Wt ; 3) 借助显微镜分别量取Berkovich压痕中心至三个压痕边界的距离=Clpd2和d3，并确 定中边距d= (￠^+4+(^)/3及其与名义中边距dn =dmtan65. 274。之比d/dn ; 4) 根据4个不同硬化指数Oi1 = 0,n2 = 0. 15,n3 = 0. 30,n4 = 0. 45)下的仪器化压 入比功We/Wt与d/dn的关系(d/iU ，其中，i取值分别为1、2、3、4(相应于 y=〇 4个不同的硬化指数），多项式系数aij(i= 1，...，4;j=0，1，2)的取值为：
分别确定i取1、2、3、4时的相应（d/U),值，然后根据拉格朗日插值公式确定n':
进一步根据非负原则确定被测试材料的应变硬化指数η: n=max{η'，0} 5) 根据4个不同硬化指数nji= 1，2,3,4)下的仪器化压入比功We/Wt与比值凡/艮的 关系风，其中，E。为被测试材料与金刚石Berkovich压头的联合弹性 7=〇 模量，多项式系数b"(i= 1，. . .，4 ;j= 0, . . .，6)的取值为：
分别确定i取1、2、3、4时的相应（H1ZEc)i值，然后利用拉格朗日插值公式确定Hn/E。：
进一步根据仪器化压入名义硬度Hn及比值Hn/E。确定被测试材料与金刚石Berkovich压头的联合弹性模量E。： Ec =Hn/(Hn/Ec) 及被测试材料的弹性模量E: 五=(l_v2)/[l/￡；-1.32(1-0/6] 其中，金刚石Berkovich压头的弹性模量Ei = 1141GPa，泊松比Vi= 〇. 07,被测试材 料的泊松比V可根据材料手册确定； 6) 根据4个不同硬化指数nji= 1，2,3,4)及3个不同被测试材料与金刚石压头平面 应变弹性模量之比n」(j= 1，2,3) (Il1 = 0. 0671，η2 = 0. 1917,η3 = 0. 3834)下的仪器 化压入比功We/Wt与屈服强度同名义硬度的比值关系(力/札)(：/=；^>#凡/以，其中，多项 k=Q 式系数Cijk(i=l，...，4;j=l，2,3;k= 0，...，6)的取值为：
分别确定i取l、2、3、4，j取1、2、3时的相应（。/!1丄」(1 = 1，...，4;」=1，2,3)值，然 后根据" = [E/Cl-V2；)]/[￡；/(l-vf)]&ITjU= 1，2,3)值由拉格朗日插值公式确定Oy/ Hn =
进一步根据仪器化压入名义硬度Hn及比值〇/扎确定被测试材料的屈服强度〇y : 〇y =Hn(QyZHn) 及由关系式σα2= 〇yh[〇a2+0.002E]n确定被测试材料的条件屈服强度〇α2; 7) 计算ey= 〇y/E，并由关系式?=η[1 + (1-2ν)ε；Γη4]确定eb，最后确定被测试材料 的强度极限σu :
2.如权利要求1所述的一种基于Berkovich压痕的材料弹塑性参数仪器化压入测试方 法，其中，步骤5)中，如果被测材料的泊松比不能由材料手册确定，则取值为0.3。
【文档编号】G01N3/42GK104237037SQ201410349761
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年7月23日 优先权日:2014年7月23日
【发明者】马德军, 陈伟, 王家梁, 宋仲康, 丛华 申请人:中国人民解放军装甲兵工程学院