[发明专利]一种提取材料力学性能的方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料力学性能表征领域，尤其是一种提取材料力学性能的方法。

背景技术

材料的力学参数一直是基础研究领域里关注的焦点，也是进行各种结构设计及安全性评估的重要依据。在过去的一百多年中，根据材料使用环境的要求，一般采用拉、压、弯、剪、扭等传统试验方法测试材料的力学参数。这类试验由于应力状态简单，在宏观尺度下容易操作，因而得到了广泛应用。但是，随着航空航天等高新技术的发展，传统的试验方法受到越来越多的限制，这主要体现在三方面。第一，微结构的力学性能表征。例如尺度在10nm～100μm量级的样品，采用常规的拉伸和压缩试验，在仪器的分辨能力和样品的制备安装(夹持、对中等)方面，存在着一系列的困难；第二，材料表面的力学性能表征。对于新型航空航天结构，大量使用激光表面改性材料，需要发展能表面力学性能的测试方法；第三，对材料无损的力学性能表征。例如某些关键部件价格昂贵，需要发展原位无损的力学性能测试方法。

压入法作为一种微区、微损测试方式，其操作相对简便，对样品制备及试件对中要求相对较低，容易达成便携的目的。从而具有解决述三方面问题的潜力。因此，如何利用压入法提取材料力学参数逐渐成为研究热点。

目前的压入法，根据压头的几何形状，主要可以分为两大类，即球形压入法和锥形压入法。锥形压头具有自相似性，已广泛应用于压入硬度和模量的测量。通过大量的数值模拟发现，对于服从幂硬化的材料来说，锥形压入法的加载曲线和材料的力学参数之间缺乏一一对应的关系。后来一些学者认为，锥形压入法卸载曲线的差异，可以体现丰富的材料信息。例如，可以体现材料硬化指数的不同，但当材料屈服应变较小时，难以识别这些微小差异。因此通过单锥角压头的加卸载曲线，难以确定出材料的应力-应变关系。

实际上，可以从变形机制上解释这个问题。应变在本质上是表征材料变形程度的无量纲量。每一点的应变可以表示成如下参数的函数。空间位置：x、y、z；材料的力学参数：弹性模量E，泊松比v，屈服强度σ_y，应变硬化指数n；控制变量：压入深度h或接触半径a；几何尺寸：试样的特征尺寸L来描述。这样可得：

ε＝f(x，y，z；E，v，n，σ_y；a，h，L)    (30)

采用E和h作为基本量，由量纲分析可得：

ϵ=f(xh,yh,zh;v,n,ϵy;ah,hL)---(31)]]>

式中，ε_y＝σ_y/E。对于同一种材料，E、v、σ_y、n都为常数；如果视材料为无限大体，故a/L为常数0，可得