[发明专利]多晶体中各组成晶粒的晶体取向和微观力学性能测定方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属多晶体力学性能的测定方法。

背景技术

包括钢铁、有色金属等在内的多晶体结构材料在国民经济中占有十分重要的地位，而此类材料的力学性能是与其应用相关的最重要的性能。现代材料科学研究的一个基本原理是，材料性能与其内部微观结构直接相关。目前，有关材料性能与微观结构关系的研究，已从传统上基于微观结构对材料性能进行解释向为了获得特定的性能而进行微观结构设计的方向发展。为了实现通过微观结构设计来达到特定材料性能的目的，则需要建立微观结构与性能之间定量的直接关系。随着现代高性能材料及其应用的发展，从微纳米尺度分别对材料的力学性能及微观结构进行定量表征，以及建立它们之间的联系和规律，越来越具有十分重要的理论及实践意义。

传统上，人们通常从宏观角度研究材料的力学行为，或从原子尺度、显微尺度对材料的微观结构进行表征。宏观工程材料学往往从“连续介质”和“各向同性体”两个前提出发，因而不能与材料微观结构建立很好的联系。而微观材料学多在显微观察手段能够达到的微米、纳米尺度表征材料的微观结构，这类研究的结果通常不具备全面的宏观统计意义，因而往往不能直接、定量地联系到材料的宏观力学性能。为了实现材料力学行为与微观结构之间的直接定量联系，一个显然的途径就是在同一个或相当的尺度下对材料的力学性能及微观结构进行定量表征。

在材料微观结构表征技术中，真正能具有统计意义的分析手段是近十年发展起来的电子背散射衍射(EBSD)分析技术(稀有金属材料与工程，35(2006)500-504)。该技术可以数十纳米的空间分辨率，在扫描电子显微镜(SEM)中对块状样品表面晶体相分布及晶体取向进行完全自动化的定量测定。在材料微观力学性能表征技术中，过去二十年中逐渐发展起来的纳米压入测试技术(J.Mater.Res.，1992，7(1992)：1564-1583；J.Mater.Res.，19(2004)：3-20)已成为强有力的测试手段，它可以同时测定材料的杨氏模量和硬度两个重要的力学性能指标。如果能够将EBSD和纳米压入技术结合起来，同时测得多晶体中各组成晶粒的取向信息，以及杨氏模量、硬度等力学性能指标，将为建立多晶体材料力学行为与微观结构之间的直接定量联系提供重要的依据。

目前，商业化的纳米压入仪大都配备了光学观察系统，再配合适当的数据分析方法，可以对多晶体中不同相的微观力学性能进行定量表征。中国专利文献(多相材料中各组成相含量的测试方法.申请号200610031069.6)和(一种多相材料中各组成相微观力学性能的测定方法.申请号200710036709.7)介绍了纳米压入技术在这方面的应用。试验方案是在试样待测表面进行以网格形式分布的点群压入，来获得具有统计意义的多相材料中各组成相的硬度和杨氏模量。

在一些学术论文中，也有利用纳米压入技术获得多相材料中组成相微观力学性能的报道。文献(Thin Solid Films，308-309(1997)297-303)利用压入技术测定了双相不锈钢中铁素体和奥氏体两个组成相的杨氏模量和硬度；文献(Scr.Mater.，45(2001)1401-1406)利用纳米压入技术测定了超细晶粒X65管线钢中铁素体和马氏体的杨氏模量和硬度；文献(Mater.Sci.Eng.，A328(2002)26-32)则利用纳米压入技术测定了TRIP钢中铁素体、贝氏体、奥氏体和马氏体的硬度。这些文献所采用的试验方案均是瞄准组成相的某一个或若干个晶粒直接进行压入测试，可以获得压入点所在个别晶粒的性能。

以上专利和学术文献所采用的试验方案除了能够获得多晶体中具有统计意义的各组成相或者各组成相中某一个或若干个晶粒的杨氏模量和硬度之外，不能同时获得所测试晶粒的取向信息。

虽然一些纯金属多晶体材料典型取向(例如<111>、<110>、<001>)晶粒的杨氏模量可通过查表或者是理论计算方式(Physica B，390(2007)106-111)来获得，但实际应用中的多晶体材料大多是合金，即便是材料中含有极少的杂质元素，其杨氏模量也会与纯金属相距甚远，因此，非直接测试方法无法获得其具体值。而且，不通过直接测试，也无法获得与材料强度直接相关的硬度指标。