本发明涉及一种钛合金表面梯度改性层弹塑性性能参数的定量表征方法，属于金属表面改性层力学性能表征领域。
背景技术
钛合金由于比强度高、耐蚀以及生物相容性优异，被广泛地应用于航空航天、化工、体育器械和生物医疗等领域。但钛合金硬度低、摩擦系数高，表面力学性能明显不及常用铁基金属结构材料，进而限制了其应用范围，影响了其结构的安全性和可靠性。因此，对钛合金表面进行改性处理，提高其表面载荷抗力是钛合金应用中需要重点解决的命题。目前针对钛合金进行等离子表面合金化处理的工艺已相对较为成熟，可以通过控制工件极和源极之间的压差以及改性工艺温度，得到不同厚度和性能的梯度改性层。然而，由于钛合金表面梯度改性层力学性能参数缺乏定量表征手段，致使其虽具有较好的改性性能却无法在实际中得到广泛的应用。
目前钛合金表面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，才可通过有限元数值模拟考察接触条件下改性层内部的应力、应变状态，建立相应的失效机制，继而为钛合金表面改性层的设计及工程应用提供理论参考。
技术实现要素：
本发明旨在提供一种钛合金表面梯度改性层弹塑性性能参数的定量表征方法，通过该方法可以定量求得钛合金表面梯度改性层厚度方向上梯度变化的弹性模量，应变强化指数以及屈服极限，继而可以确定不同厚度处对应的幂律强化本构方程。
本发明提供了一种钛合金表面梯度改性层弹塑性的定量表征方法，首先采用纳米压入测试和有限元数值模拟反演分析算法，确定钛合金基材的弹塑性性能参数，然后确定沉积层的弹塑性性能参数，最后通过数学线性简化模型，确定扩散层的弹塑性性能参数。
上述表征方法，包含以下步骤：
步骤一：确定沉积层和扩散层的厚度：采用gdoes-750辉光放电光谱仪检测梯度改性层的成分分布，结合横截面扫描电镜照片确定沉积层的厚度d1和扩散层的厚度d2；
步骤二：纳米压入测试：选取10个测试点，采用位移加载模式，对钛合金基材和沉积层表面分别进行纳米压入测试，取平均值作为测试结果；
步骤三：求解钛合金基材和沉积层的弹塑性性能参数：利用abaqus有限元软件对纳米压入过程进行反演分析建立的反演分析算法，求解钛合金基材和沉积层的弹塑性性能参数；反演分析算法包括如下5个公式：
上述公式中σr为特征应力，εr为特征应变，πu为无量纲函数，由有限元模拟获得；er为复合弹性模量，h为硬度，直接由纳米压入测得；c为测试结果中加载曲线的曲率，通过曲线拟合确定；hmax为载荷-位移曲线对应的最大压深，hf为载荷-位移曲线对应的残余压深，由测试所得载荷-位移曲线确定；n为应变强化指数，由无量纲函数确定；e为弹性模量，由复合弹性模量确定；v为泊松比，取常量0.25；
步骤四：求解扩散层的弹塑性性能参数：利用线性简化模型表达式求解扩散层的弹塑性性能参数；线性简化模型表达式为：(由附图2直接提取)
式中x代表弹性模量、屈服极限和应变强化指数(x表示为三个参数，因为三者均符合次线性关系)，d是改性层内部某一点距离改性层表面的垂直距离，xsubstrate和xsurface分别为钛合金基材和沉积层的弹性模量、屈服极限和应变强化指数。
上述表征方法，所述步骤二中对沉积层进行纳米压入测试时，压痕深度应小于d1/10，以避免扩散层和基体的影响。
上述表征方法，所述步骤三中特征应力σr、特征应变εr以及无量纲函数πu的表达式，通过假定一批弹塑性性能已知的材料进行有限元模拟确定，所假定材料的力学性能参数涵盖绝大多数金属。
上述表征方法，所述步骤三中反演分析算法对应公式(3)的具体表达式为：
上述表征方法，所述步骤四中的线性数学简化模型是根据不同改性工艺和不同改性层横截面纳米压入测试所得力学性能参数的分配规律而定的。
本发明的有益效果：
采用本发明方法只需对钛合金基材和沉积层进行纳米压入测试，无需对改性层(沉积层加扩散层)的横截面进行纳米压入测试，从而可以快速、有效地定量表征钛合金表面梯度改性层的力学性能参数。
附图说明
图1为实施例1梯度改性层及纳米压入示意图。
图2为实施例1求解扩散层弹塑性性能参数的线性简化模型。
图3为实施例1纯钛表面渗钼层微米压入实验和有限元模拟所得载荷-位移曲线对比图。
具体实施方式
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。
实施例1：
以纯钛ti表面渗钼mo为例(工艺参数为：源极负偏压-660～-900v，工件极负偏压-300～-650v，温度900℃，保温时间3h)，通过本发明方法求解mo梯度改性层的弹塑性性能参数，具体包括以下步骤：
步骤1：确定沉积层和扩散层的厚度：采用gdoes-750辉光放电光谱仪检测梯度改性层的成分分布，结合横截面扫描电镜照片确定沉积层的厚度d1和扩散层的厚度d2；
步骤2：纳米压入测试：选取10个测试点，采用位移加载模式，对钛合金基材和沉积层表面分别进行纳米压入测试，取平均值作为测试结果。对沉积层进行纳米压入测试时，压痕深度要小于d1/10，以避免扩散层和基体的影响；
步骤3：求解钛合金基材和沉积层的弹塑性性能参数：利用abaqus有限元软件对纳米压入过程进行反演分析建立的反演分析算法，求解钛合金基材和沉积层的弹塑性性能参数。反演分析算法包括如下5个公式：
上述公式中σr和εr为特征应力和特征应变，πu为无量纲函数，er和h分别为复合弹性模量和硬度，直接由纳米压入测得，c为测试结果中加载曲线的曲率，hmax和hf分别为测试所得载荷-位移曲线对应的最大压深和残余压深，n为应变强化指数，e为弹性模量。
步骤4：求解扩散层的弹塑性性能参数：利用线性简化模型表达式求解扩散层的弹塑性性能参数。线性简化模型表达式为：
式中x代表弹性模量、屈服极限和应变强化指数，d是改性层内部某一点距离改性层表面的垂直距离，xsubstrate和xsurface分别为钛合金基材和沉积层的弹性模量、屈服极限和应变强化指数。
通过上述步骤可以定量表征mo梯度改性层的弹塑性性能参数，具体求解结果见表1。图1和图2分别为纳米压入示意图和线性简化模型图。纳米压入采取位移加载的模式。对纯钛表面钼梯度改性层进行微米压入测试和有限元数值模拟，所得实验曲线和模拟曲线存在非常好的吻合度(如图3所示)，证明所求mo梯度改性层的弹塑性性能参数准确有效，同时也证明了本发明方法的可行性。
表1ti表面mo梯度改性层的弹塑性性能参数
实施例2：
以钛合金ti6al4v表面渗镍ni为例(工艺参数为：源极负偏压-700～-900v，工件极负偏压-500～-700v，温度930℃，保温时间3h)，采用同实施例1的方法和步骤，求得ni梯度改性层的弹塑性性能参数见表2。
表2ti6al4v表面ni梯度改性层的弹塑性性能参数
实施例3：
以钛合金ti6al4v表面锆-氮(zr-n)共渗为例(工艺参数为：源极负偏压-720～-820v，工件极负偏压-450～-500v，工艺温度930℃，保温时间3h)，采用同实施例1的方法和步骤，求得zr-n梯度改性层的弹塑性性能参数见表3。
表3ti6al4v表面zr-n梯度改性层的弹塑性性能参数