基于纳米划入仪的脆性材料塑性变形-断裂转变临界深度和临界载荷的检测方法

摘要

一种基于纳米划入仪的脆性材料塑性变形‑断裂转变临界深度和临界载荷的检测方法，基于纳米划入断裂试验得到脆性断裂区域半径，结合压入断裂理论，拟合得到脆性断裂阶段断裂区域半径与压入深度的关系曲线；将该曲线与塑性变形阶段塑性区域半径与压入深度关系曲线相交，得到真实的塑性变形‑断裂转变临界深度。并基于纳米划入仪实时记录的载荷、深度与位移的关系，得到塑性变形‑断裂转变的临界载荷。本发明提供一种将纳米划入断裂试验和压入断裂理论相结合、精度较高、可靠性良好的脆性材料塑性变形‑断裂转变临界深度和临界载荷的检测方法。

主权项

一种基于纳米划入仪的脆性材料塑性变形‑断裂转变临界深度和临界载荷的检测方法，其特征在于：所述检测方法包含以下步骤：1)纳米划入断裂试验根据加工工况设定划入速率、划入距离和最大划入载荷，选定压头形状，以载荷线性增加的方式划入材料，得到弹性变形‑塑性变形‑脆性断裂逐渐转变的划痕，并测量断裂区域半径长度；2)脆性断裂阶段断裂区域半径与压入深度的关系横向裂纹长度c_r与压入载荷F的关系为：$c_r={\left(\frac{{\zeta }_L}{M}\right)}^{1/2}{\left(\cot \alpha \right)}^{5/12}\frac{E^{3/8}}{K_c^{1/2}{H}^{1/2}}{F}^{5/8}---\left(1\right)$式中，ζ_L和M为无量纲常数，ζ_L＝25×10^‑3，当横向裂纹＞径向裂纹时，M＝3(1‑ν²)/4π，ν为材料泊松比；当横向裂纹≤径向裂纹时，M＝3/4；α为压头半锥角；E、H和K_C为材料弹性模量、硬度和断裂韧度；压入载荷F和压入深度h关系为：F＝λ₀h²        (2)式中，λ₀为与压头几何形状相关的常数；将式(2)带入式(1)可得裂纹长度c_r与压入深度h的关系：c_r＝K₀h^5/4        (3)式中，K₀为与材料力学参数和压头几何形状有关的常数；将步骤1)所得划入断裂区域半径数据按式(3)进行拟合并绘制相应曲线；3)塑性变形阶段塑性区域半径与压入深度关系根据压入弹‑塑性变形有限元分析结果有：$b=h\tan \alpha {[\frac{3(1-2v)}{5-4v}+\frac{2\sqrt{3}}{\pi (5-4v)}\frac{E}{{\sigma }_y}\cot \alpha ]}^{1/2}---\left(4\right)$式(4)简化为：b＝K₁h          (5)式中，$K_1=tan\alpha {[\frac{3(1-2v)}{5-4v}+\frac{2\sqrt{3}}{\pi (5-4v)}\frac{E}{{\sigma }_y}\cot \alpha ]}^{1/2}---\left(6\right)$可见，K₁为与材料力学参数和压头几何形状有关的常数；式中，b为塑性变形阶段塑性区域半径；h为压入深度；ν为材料泊松比；σ_y为材料屈服强度；α为压头半锥角；4)测定塑性‑断裂临界深度：将式(3)和式(5)得到曲线绘制在同一个坐标系中，两条曲线的交点即为材料塑性变形‑断裂转变临界深度h_crit；由于纳米划入仪能够记录压头作用在试样表面上的法向力和划入深度随划入位置的连续变化过程，根据步骤(4)得到的材料塑性变形‑断裂转变临界深度，得到该材料的临界载荷。