[发明专利]一种测试金属材料在不同压入深度的硬度的方法

说明书

本发明公开了一种测试金属材料在不同压入深度的硬度的方法，属于测试硬度技术领域。该方法采用纳米压痕测试，得到材料的载荷‑位移曲线、弹性模量和接触刚度等数据，通过计算得到金属材料在不同压入深度的硬度。该方法仅通过一次纳米压痕测试，就可以得到连续的硬度‑位移曲线，大大减少了实验时间与成本，而且操作简便，局限性小，不仅适用于纳米压痕实验的加载阶段，还适用于保载阶段。从而为后续研究提供基础，具有非常广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于测试硬度技术领域，具体涉及一种测试金属材料在不同压入深度的硬度的方法。

背景技术

纳米压痕测试是一种先进的微纳米力学测试技术，可分为准静态法和连续刚度测量法。前者通过测量载荷与压入试样表面深度的关系，得到连续的载荷-位移曲线，从而获得材料最大压痕深度处一点的硬度和弹性模量。后者提供了另一种动态测量方法，可以通过一次加载卸载循环获得硬度、弹性模量、接触刚度等作为压痕深度的连续函数曲线。纳米压痕测试具有载荷和位移分辨率高，所需样品量小，可以无损检测等优点，因而得到了越来越广泛的应用。

硬度是材料局部抵抗硬物压入其表面的能力，是比较各种材料软硬的指标。在纳米压痕实验中，对于不同的加载应变速率，金属材料会表现出不同的硬度。对于恒应变速率加载，材料的硬度在不同深度下是恒定的，但是对于恒载荷速率加载，由于不同深度下应变速率可能不同，导致材料的硬度在不同深度下也是不同的。这种现象在粗晶金属中并不明显，但是对于超细晶金属和纳米晶金属，这种现象可以被很明显地观察到。根据金属材料的硬度值，可以估算出该金属的屈服应力。还可以根据不同深度的应变速率与硬度值，计算出材料的应变率敏感度，应力指数，激活体积等参数。

目前，测试金属材料在不同压入深度的硬度的方法是控制纳米压痕仪压头的压入深度，对所需的深度进行逐一测试。这种方法存在消耗时间长，实验次数过多，实验成本高等缺点，而且无法得到连续的硬度-位移曲线。虽然连续刚度技术可以在恒应变速率加载下得到连续的硬度-位移曲线，但是无法进行恒载荷速率加载，而且无法得到保载阶段的硬度-位移曲线，具有局限性。因此，研究一种耗时短，实验次数少，成本低，局限性小，可以得到连续的硬度-位移曲线的测试金属材料不同深度的硬度的方法具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供一种测试金属材料在不同压入深度的硬度的方法。

本发明通过以下技术方案实现：

一种测试金属材料在不同压入深度的硬度的方法，其特征在于：先将试样进行抛光处理，使其表面光亮，随后进行纳米压痕实验，得到载荷-位移曲线、弹性模量、接触刚度等数据，最后通过一系列的公式计算出金属材料在不同深度的硬度。

上述测试金属材料在不同压入深度的硬度的方法，具体包括以下步骤：

A、试样的处理：将金属试样表面经砂纸打磨后用抛光机抛光至镜面效果，随后放入装有无水乙醇的烧杯中，在超声波清洗机内清洗5-10分钟，再用去离子水冲洗10-30s，以清除其表面的残留物；

B、纳米压痕测试：对步骤A中处理后的试样进行纳米压痕测试，重复10-20次，得到载荷-位移曲线，弹性模量E和最大深度h_L下的接触刚度S_h；

C、硬度的计算：从步骤B中得到载荷-位移曲线中选取一条典型的曲线，进行数据处理。对于折合弹性模量Er，有如下关系式

1/E_r＝(1-v²)/E+(1-v_i²)/E_i (1)