[发明专利]基于Berkovich压痕的材料弹塑性参数仪器化压入测试方法

说明书

技术领域

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σ_0.2及强度极限σ_b的方法。 

背景技术

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。 

材料弹性模量的仪器化压入测试主要有W.C.Oliver和G.M.Pharr提出的“Oliver-Pharr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。 

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。 

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σ_0.2及强度极限σ_b的仪器化压入测试方法。 

发明内容

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_0.2及强度极限σ_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n、弹性模量E、条件屈服强度σ_0.2及强度极限σ_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。 

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案： 

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_0.2及强度极限σ_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σ_0.2与强度极限σ_b。具体包括以下步骤：