[发明专利]仪器化微米压入测试材料单轴强度均值的方法

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金刚石锥形压头(Berkovich压头、Vickers压头或圆锥压头(圆锥半角为70.3°))在微米测量尺度(压入深度大于8微米或测试载荷大于4牛顿)上测量材料单轴强度均值(材料的屈服强度与强度极限的算术平均值)的方法。

背景技术

随着表面改性材料、薄膜材料、MEMS(微电子微机械系统)材料、复合材料、纳米材料等领域的快速发展，表面、界面及微尺度材料的工作可靠性由于面临苛刻工作条件的挑战，越来越引起人们的重视，成为国内外研究的热点。然而受尺寸限制，传统的材料力学性能测试技术及手段已经无法满足上述材料的力学性能测试需要，使得材料微区力学性能的测试成为亟待解决的关键问题。

仪器化压入技术是在传统布氏硬度和维氏硬度试验基础上发展起来的一种微区和非破坏性的新的材料力学性能测试技术，它可以高精度的同步测试和记录各种几何形状的压头压入试样及撤离试样时的载荷与位移数据，从而可以提供比传统硬度试验更多的反映被测试材料力学性能的有用信息，这为材料诸多基本力学性能参数的识别提供了重要的技术手段。

利用仪器化压入技术测试材料的单轴强度均值(材料的屈服强度与强度极限的算术平均值)具有重要意义。首先，在评价材料强度方面，尽管目前的商用仪器化压入仪具有仪器化压入硬度的测试功能，但是硬度本身与材料强度间并不具有简单的比例对应关系，因此，如果把硬度作为评价材料强度水平高低的指标，那么它只具有相对意义。而如果能改硬度测试为材料强度的直接测试，从而将材料强度的相对比较变成绝对比较，这对于材料强度的评价无疑更具科学性。第二，基于材料的单轴强度均值可以方便地预测材料的疲劳强度极限，这对于工作在循环变化载荷下的微尺度材料的服役可靠性评估尤为重要。第三，通过建立材料单轴强度均值与仪器化压入硬度及比功的关系，可以从材料强度的角度赋予仪器化压入硬度以物理意义。鉴于上述价值，本发明提供一种使用仪器化微米压入技术测试材料单轴强度均值的方法。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种仪器化微米压入测试材料单轴强度均值的方法，该方法只需利用压入加载功、卸载功以及名义硬度便可确定被测试材料的单轴强度均值。该方法在工业上是可行的且非常有效。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种仪器化微米压入测试材料单轴强度均值的方法，该方法使用仪器化微米压入加载功、卸载功以及名义硬度来测定被测试材料的单轴强度均值，具体包括以下步骤：

(1)利用仪器化压入仪和金刚石锥形压头对被测试材料表面实施最大压入深度h_m大于8微米(h_m≥8μm)(或测试载荷大于4N)的垂直压入，获得被测试材料的载荷-位移曲线；

(2)根据被测试材料的载荷-位移曲线计算名义硬度其中，P_m为最大压入载荷，h_m为对应最大压入载荷时的最大压入深度，A(h_m)为对应最大压入深度时的压头横截面积；

(3)通过分别积分加载曲线和卸载曲线计算压入加载功W_t、卸载功W_e，并在此基础上计算压入比功W_e/W_t；

(4)若已知被压材料的杨氏模量E，则直接计算被压材料与压头材料平面应变杨氏模量之比其中，v为被测试材料的泊松比，可由材料手册确定，E_i＝1141GPa和v_i＝0.07分别为金刚石压头的杨氏模量与泊松比；若被压材料的杨氏模量未知，则需要使用仪器化微米压入测试材料杨氏模量的方法确定被压材料的杨氏模量E：E＝(1-v²)/[1/E_c-1.32(1-v_i²)/E_i]，其中，E_c为被测试材料与压头材料的联合杨氏模量，且a_m(m＝1，2，3，4，5，6)为多项式系数，且a₁＝0.16716，a₂＝-0.13875，a₃＝0.06215，a₄＝0.01568，a₅＝-0.04784，a₆＝0.01878；在此基础上计算被压材料与压头材料的平面应变杨氏模量之比