一种金属表面弹塑性梯度改性层力学性能的表征方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种金属表面弹塑性梯度改性层力学性能的表征方法，属于金属表面改性层力学性能表征领域。
【背景技术】
[0002]金属表面改性可以有效地改善金属表面的抗磨损、变形、疲劳、腐蚀等各种性能。因此，从古至今，金属表面改性在各个行业得到了广泛的应用。较之于匀质改性层，梯度改性层具有两大优点:一是不存在明显的界面问题，可以有效地避免界面弱化引发的剥落失效；二是具有较好的变形协调能力，能够承受较高的静/动态接触载荷，对钛合金等软金属材料具有重要的应用价值。
[0003]目前梯度改性层主要借助复合硬度定性表征其力学性能，然而实际面临的问题是，只有定量求得梯度改性层的弹塑性性能参数，才可通过有限元正向分析考察静/动态接触条件下工件内部的应力、应变状态，建立其相应的失效机制，进而为改性层的设计及工程应用提供理论参考。在Analysis of instrumentedindentat1n test data for funct1nally graded materials, Surface & CoatingsTechnology，2003，168 (2):136-141 和 Mechanics of indentat1n of plasticallygraded materials—1:Analysis，Journal of the Mechanics and PhysicsofSolids, 2008, 56(1):157-171.中提到建立梯度改性层的通用本构方程，但数学简化过多，而且推导繁琐，对弹塑性梯度改性层不具有适用性，只能适用于弹性梯度效应明显或塑性梯度效应明显的材料。
【发明内容】
[0004]本发明旨在提供一种金属表面弹塑性梯度改性层力学性能的表征方法，通过对弹塑性梯度改性层横截面进行对粘镶样，分层处理，纳米压入测试，有限元反演分析计算以及数值拟合可以定量获得其力学性能参数，从而避免表面直接测量引起的基体效应或横截面非对粘镶样测试存在的倒角效应，以及纯粹的数学模型带来的过简化性和不通用性。
[0005]本发明提供了一种金属表面弹塑性梯度改性层力学性能的表征方法，采用纳米压入测试和有限元模拟相结合的表征手段。
[0006]该表征方法首先对于制备的试样进行横截面对粘镶样，然后根据改性层厚度及压痕接触半径的大小，对其分层单独表征，最后数值拟合各层的力学性能参数，从而定量获得金属表面弹塑性梯度改性层厚度方向上各点的力学性能参数。
[0007]本发明提供的表征方法包括以下步骤:
[0008](I)金属基材预处理:尺寸选为Φ 18mmX 5mm，对其表面进行抛光处理；
[0009](2)制备弹塑性梯度改性层:借助等离子表面合金化方法，合理的选择渗入元素，在金属基材表面形成高硬度、耐磨损和耐腐蚀的弹塑性梯度改性层；优化的工艺参数为:极间距，即靶材和试样表面之间的距离，设为18mm，工作气压为40Pa，源极负偏压为-660?-900V，工件极负偏压为-300?-650V，工艺温度为900°C，保温时间为3h ；
[0010](3)对粘镶样:将两个切好的横截面试样首先对粘在一起，然后再进行镶样，对镶好的横截面试样，进行抛光处理；
[0011](4)分层简化:根据弹塑性梯度改性层的厚度及压痕接触半径a的大小，按照压痕间距Λ I ^ 2a的规则，将改性层分成若干子层，从而使得弹塑性梯度改性层简化为弹塑性梯度多层膜的形式；
[0012](5)利用纳米压入测试结合有限元模拟定量表征每一层的弹塑性性能参数:纳米压入测试选用带内置扫描探针显微镜的纳米压入仪进行，每一子层的测试点数不少于5，测试载荷选为8mN ;利用ANSYSvl0.0有限元软件对每一子层测试所得的载荷_位移曲线进行反分析计算，获得每一子层的弹塑性性能参数；
[0013](6)利用Matlab6.5对各子层的弹塑性性能参数进行曲线拟合，拟合方程选用如下多项式:
[0014]y = a+t^x+t^x2+...bkxk
[0015]式中，a，bi，b2，…bk为拟合参数。利用拟合的函数关系式，可以定量求解金属表面弹塑性梯度改性层厚度方向上各点的力学性能参数。
[0016]上述表征方法中，所述步骤(I)和(3)中抛光处理的具体步骤为:首先采用SiC金刚砂纸进行打磨，然后采用0.5 μπι的金刚砂抛光喷雾剂进行抛光，直到表面粗糙度Ra〈0.1 μπι ;抛光后，依次用纯净水、丙酮超声清洗后备用。
[0017]上述表征方法中，所述步骤(2)中渗入元素根据金属相图金属间的互溶性选择。
[0018]上述表征方法中，所述步骤(2)中等离子表面合金化方法的工艺参数为:极间距设为18_，工作气压为40Pa，源极负偏压为-660?-900V，工件极负偏压为-300?-650V，工艺温度为900°C，保温时间为3h。
[0019]上述表征方法中，所述步骤(4)中每个子层的厚度h相等且满足:h ^ 4a。
[0020]上述表征方法中，所述步骤(5)中纳米压入测试的具体步骤为:纳米压入测试选用带内置扫描探针显微镜的纳米压入仪进行，每一子层的测试点数不少于5个，测试载荷选为8mN。
[0021]上述表征方法中，所述步骤(5)中有限元模拟的具体步骤为:利用ANSYSvl0.0有限元软件对每一子层测试所得的载荷-位移曲线进行反演分析计算，获得每一子层的弹塑性性能参数。
[0022]本发明的有益效果:采用本发明方法可避免直接对试样表面测试引起的基体效应或非对粘横截面镶样测试存在的倒角效应，从而实现快速、有效的定量表征金属表面弹塑性梯度改性层的力学性能参数(弹性模量、屈服应力及应变强化指数)。
【附图说明】
[0023]图1为纯Ti渗Mo后弹塑性梯度改性层横截面对粘镶样图，由扫描探针显微镜(SPM)测得。
[0024]图2为纯Ti渗Mo所得弹塑性梯度改性层的分层纳米压入测试后的残余压痕图，由扫描探针显微镜(SPM)测得。
[0025]图3为Mo弹塑性梯度改性层弹性模量E的拟合曲线。
[0026]图4为Mo弹塑性梯度改性层屈服应力σ y的拟合曲线。
[0027]图5为Mo弹塑性梯度改性层应变强化指数η的拟合曲线。
【具体实施方式】
[0028]下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
[0029]实施例:
[0030]现以纯Ti表面渗Mo形成的弹塑性梯度改性层为例，对本发明进行实施，如图1?图5可示:
[0031](I)首先采用型号为 320，600，800，1000，1500，2000，2500 和 3000 目的 SiC 金刚砂纸对Ti基材(Φ18_Χ5_)进行逐级打磨，其次采用0.5 μπι的金刚砂抛光