基于单一Vickers压头的材料弹塑性参数仪器化压入测试方法

摘要

本发明公开了一种基于单一Vickers压头的材料弹塑性参数仪器化压入测试方法，该方法利用压痕位置具有特殊聚集方式的三次仪器化压入载荷-深度曲线确定金属材料的应变硬化指数、弹性模量和条件屈服强度σ_0.2。该方法具有如下优点：(1)仅需使用单一金刚石Vickers压头即可实现对金属材料应变硬化指数、弹性模量和条件屈服强度σ_0.2的测试；(2)基于测试所得材料应变硬化指数，可实现对材料弹性模量的高精度测试；(3)三次仪器化压入压痕位置具有聚集性，可实现对微区域材料弹塑性参数的测试。

主权项

一种基于单一Vickers压头的材料弹塑性参数仪器化压入测试方法，该方法利用压痕位置具有特殊聚集方式的三次仪器化压入载荷‑深度曲线确定金属材料的应变硬化指数、弹性模量和条件屈服强度σ_0.2；首先，利用第三次和初次仪器化压入比功之比与初次仪器化压入比功确定金属材料的应变硬化指数；其次，利用初次仪器化压入比功、初次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，利用初次仪器化压入比功、初次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；确定金属材料的应变硬化指数、弹性模量和条件屈服强度σ_0.2的步骤包括：1)利用仪器化压入仪和金刚石Vickers压头对被测材料实施设定某一最大压入载荷P_m的初次仪器化压入测试，该最大压入载荷P_m属于仪器化压入仪量程范围内的载荷均可，由此获得压入载荷‑深度曲线，利用该曲线确定初次仪器化压入最大压入深度h_m、名义硬度H_n、压入比功(W_e/W_t)₁，其中w_e为卸载功，w_t为加载功；2)将被测材料沿金刚石Vickers压头压痕两对角线平分线所确定的四个方向中的任一方向平移5h_m距离，然后对被测材料实施最大载荷与初次压入最大载荷相同的第二次仪器化压入测试，获得与第一个金刚石Vickers压头压痕相毗邻的第二个金刚石Vickers压头压痕；3)将被测材料平移至初次与第二次压入位置中间，然后对被测材料实施最大载荷与初次压入最大载荷相同的第三次仪器化压入测试，获得相应的压入载荷‑深度曲线，利用该曲线确定第三次仪器化压入比功(W_e/W_t)₃，同时确定被测试材料第三次和初次仪器化压入比功之比[(W_e/W_t)₃/(W_e/W_t)₁]；4)根据初次仪器化压入比功(W_e/W_t)₁及关系式多项式中系数a_iq(i＝1,…,4；q＝0,1,2)的取值为:分别确定i取1、2、3、4时的相应[(W_e/W_t)₃/(W_e/W_t)₁]_i(i＝1,…,4)值，然后利用拉格朗日插值公式与n_i(i＝1,…,4)值(n₁＝0,n₂＝0.15,n₃＝0.30,n₄＝0.45)确定n′：$n^{\prime }=\underset{i=1}{\overset{4}{\Sigma }}{n}_i\underset{\underset{k\ne i}{k=1}}{\overset{4}{\Pi }}\left\{\right\{[{(W_e/W_t)}_3/{(W_e/W_t)}_1]-{[{(W_e/W_t)}_3/{(W_e/W_t)}_1]}_k\}/\{{[{(W_e/W_t)}_3/{(W_e/W_t)}_1]}_i-{[{(W_e/W_t)}_3/{(W_e/W_t)}_1]}_k\left\}\right\}$进一步根据非负原则确定被测试材料的应变硬化指数n：n＝max{n′,0}5)根据初次仪器化压入比功(W_e/W_t)₁及关系式多项式系数b_is(i＝1,…,4；s＝1,…,6)的取值为：分别确定i取1、2、3、4时的相应(H_n/E_c)_i(i＝1,…,4)值，然后利用拉格朗日插值公式确定H_n/E_c：$H_n/E_c=\underset{i=1}{\overset{4}{\Sigma }}{(H_n/E_c)}_i\underset{\underset{k\ne i}{k=1}}{\overset{4}{\Pi }}[(n-n_k)/(n_i-n_k)]$进一步根据初次仪器化压入名义硬度H_n及H_n/E_c值确定被测试材料与金刚石Vickers压头的联合弹性模量E_c：E_c＝H_n/(H_n/E_c)及被测试材料的弹性模量E：$E=(1-{\nu }^2)/[1/E_c-1.32(1-{\nu }_i^2)/E_i]$其中，金刚石Vickers压头的弹性模量E_i＝1141GPa，泊松比ν_i＝0.07，被测试材料的泊松比ν可根据材料手册确定；6)根据初次仪器化压入比功(W_e/W_t)₁及关系式多项式系数c_ijk(i＝1,…,4；j＝1,2,3；k＝0,…,6)的取值为:分别确定i取1、2、3、4，j取1、2、3时的相应(σ_y/H_n)_ij(i＝1,…,4；j＝1,2,3)值，然后根据及η_j(j＝1,2,3)值(η₁＝0.0671,η₂＝0.1917,η₃＝0.3834)利用拉格朗日插值公式确定σ_y/H_n：${\sigma }_y/H_n=\underset{i=1}{\overset{4}{\Sigma }}\left\{\underset{j=1}{\overset{3}{\Sigma }}{({\sigma }_y/H_n)}_{ij}\underset{\underset{m\ne j}{m=1}}{\overset{3}{\Pi }}\right[(\eta -{\eta }_m)/({\eta }_j-{\eta }_m)\left]\right\}\underset{\underset{k\ne i}{k=1}}{\overset{4}{\Pi }}[(n-n_k)/(n_i-n_k)]$进一步根据初次仪器化压入名义硬度H_n及σ_y/H_n值确定被测试材料的屈服强度σ_y：σ_y＝H_n·(σ_y/H_n)最后，基于关系式σ_0.2＝σ_y^1‑n[σ_0.2+0.002E]ⁿ确定被测试材料的条件屈服强度σ_0.2。