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        材料的彈塑性參數(shù)壓入測(cè)試方法的現(xiàn)狀分析

        2019-10-21 18:09:32石新正陳偉馬德軍孫亮
        科技風(fēng) 2019年17期
        關(guān)鍵詞:壓入測(cè)試方法

        石新正 陳偉 馬德軍 孫亮

        摘 要:隨著表改性材料、復(fù)合材料、納米材料等領(lǐng)域的迅速發(fā)展以及在各種裝備中的廣泛應(yīng)用,表面、界面以及微尺度材料的可靠性研究成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。利用微米壓入技術(shù)測(cè)試材料的彈塑性參數(shù)成為材料領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。本文簡(jiǎn)單介紹了幾種材料的彈塑性參數(shù)壓入測(cè)試方法。

        關(guān)鍵詞:彈塑性參數(shù);壓入;測(cè)試方法

        一、儀器化壓入技術(shù)的現(xiàn)狀

        材料的使用性能一方面與其工作環(huán)境和工作載荷有關(guān),另一方面也與材料自身的力學(xué)性能有關(guān),并且一般而言,材料表層的力學(xué)性能與其芯部有著明顯的不同,因而在機(jī)械零部件的可靠性設(shè)計(jì)以及可靠性評(píng)估的過(guò)程中,必然要正確揭示其表層基本力學(xué)性能與機(jī)械零部件服役性能之間的關(guān)系,顯而易見(jiàn),傳統(tǒng)的材料力學(xué)性能測(cè)試方法例如單軸拉伸、壓縮試驗(yàn)方法不適用于上述材料的測(cè)試需要。儀器化壓入技術(shù)作為一種測(cè)試材料力學(xué)性能的有效工具,自從上世紀(jì)五十年代發(fā)展起來(lái),逐步成為評(píng)估小尺度材料的力學(xué)性能的重要方法,它是在傳統(tǒng)的硬度測(cè)試的基礎(chǔ)上發(fā)展演變而來(lái)的一種微區(qū)和非破壞性的材料力學(xué)性能測(cè)試方法,以此實(shí)驗(yàn)和技術(shù)建立的儀器化壓入儀能夠在測(cè)試的過(guò)程中,連續(xù)高精度地獲取被測(cè)材料的載荷-位移之間的數(shù)據(jù)關(guān)系,以此構(gòu)建相應(yīng)的力學(xué)模型,測(cè)算材料的力學(xué)性能參數(shù)。相比較傳統(tǒng)的硬度試驗(yàn),儀器化壓入儀能夠提供較多的豐富的參數(shù)信息,這就為分析材料的力學(xué)性能奠定基礎(chǔ),由于儀器化壓入所采用的是間接測(cè)試被測(cè)材料的力學(xué)性能的方法,多數(shù)通過(guò)量綱分析和有限元數(shù)值模擬仿真的方法,在近些年的分析研究中,出現(xiàn)了數(shù)種材料力學(xué)性能參數(shù)儀器化壓入測(cè)試原理以及方法,但也存在著精度及其穩(wěn)定性有待提高的現(xiàn)狀。[1,2]

        二、材料彈性模量壓入測(cè)試方法

        三、材料塑性參數(shù)壓入測(cè)試方法

        利用儀器化壓入技術(shù)識(shí)別材料的塑性參數(shù),即屈服強(qiáng)度σy和應(yīng)變硬化指數(shù)n,已經(jīng)成為人們研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。目前,材料塑性參數(shù)壓入識(shí)別方法從原理上主要可分為“間接法”和“直接法”?!伴g接法”利用了冪硬化材料的代表性應(yīng)變?chǔ)舝和代表性應(yīng)力σr的概念,建立了代表性應(yīng)變?chǔ)舝和代表性應(yīng)力σr與儀器化壓入響應(yīng)間的無(wú)量綱函數(shù)關(guān)系,測(cè)試時(shí),首先獲得對(duì)應(yīng)于雙或多個(gè)壓頭的兩組或多組被測(cè)材料的代表性應(yīng)變?chǔ)舝和代表性應(yīng)力σr坐標(biāo)點(diǎn),然后利用這些坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行擬合,從而求出塑性參數(shù),但是這種方法測(cè)試過(guò)程繁瑣,精度較低,這里不再過(guò)多介紹?!爸苯臃ā睙o(wú)需借助冪硬化材料的代表性應(yīng)變?chǔ)舝和代表性應(yīng)力σr,而是直接建立被測(cè)材料的屈服強(qiáng)度σy和應(yīng)變硬化指數(shù)n等塑性參數(shù)與儀器化壓入響應(yīng)間的無(wú)量綱函數(shù)關(guān)系,測(cè)試時(shí)直接測(cè)得被測(cè)材料的屈服強(qiáng)度σy和應(yīng)變硬化指數(shù)n。與“間接法”相比,“直接法”無(wú)需求取代表性應(yīng)變?chǔ)舝和代表性應(yīng)力σr坐標(biāo)點(diǎn),也不必?cái)M合被測(cè)材料的冪硬化曲線,因而精度較高,直接法中方法較多,這里介紹其中的兩種。[2]

        郭俊宏等人提出基于We/Wm-σy/Hn關(guān)系的材料塑性參數(shù)儀器化壓入識(shí)別方法,利用Vickers壓頭和大角度四棱錐壓頭可以得到σy=f70.3(n)和σy=f86.45(n),并求解該方程組,可得被測(cè)材料的屈服應(yīng)力σy和應(yīng)變硬化指數(shù)n等塑性參數(shù)。

        陳偉基于量綱分析和有限元數(shù)值仿真,建立了Berkovich/Vickers壓痕中邊距與名義中邊距之比d/dn、名義硬度Hn、壓入比功We/Wt與材料彈塑性參數(shù)之間的無(wú)量綱函數(shù)關(guān)系,以此為基礎(chǔ)建立了聯(lián)合壓痕的材料彈塑性參數(shù)儀器化Berkovich/Vickers壓入識(shí)別方法。該方法僅利用單一Berkovich/Vickers壓頭儀器化壓入被測(cè)材料所得載荷-位移曲線及Berkovich/Vickers壓痕即可識(shí)別被測(cè)材料的屈服應(yīng)力σy和應(yīng)變硬化指數(shù)n等塑性參數(shù)。[3,4]

        參考文獻(xiàn):

        [1]陳偉,馬德軍,宋仲康,等.彈性模量?jī)x器化壓入測(cè)試方法比較分析[J].機(jī)械工程師, 2010(10):7-9.

        [2]張?zhí)┤A.微/納米力學(xué)測(cè)試技術(shù)[M].科學(xué)出版社,2013.

        [3]馬德軍,陳偉,宋仲康,等.金屬材料塑性參數(shù)儀器化壓入識(shí)別方法[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2014(4).

        [4]陳偉,馬德軍,郭俊宏,等.基于Berkovich壓痕的金屬材料彈塑性參數(shù)儀器化壓入識(shí)別方法[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),2015(6):1512-1524.

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