[发明专利]基于仪器化Vickers压入名义硬度确定材料维氏硬度的方法

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Vickers压头仪器化压入载荷-位移曲线来确定被测材料维氏硬度的方法。

背景技术

材料的维氏硬度一般由维氏硬度计来测定，其基本原理是利用金刚石Vickers压头对材料表面实施某一最大压入载荷为P_m的压入测试，保持最大压入载荷15-30秒后进行卸载，然后借助显微镜测量Vickers压痕对角线长度d，最后通过公式确定材料的维氏硬度：H_v(压痕法)＝2sin68°P_m/d²。在上述测量过程中，压痕对角线长度的确定是基础，而Vickers压痕顶角清晰与否是影响压痕对角线长度测量的关键。当测试载荷小或者材料表面存在粗糙度问题时，往往存在因Vickers压痕顶角不清晰导致测量压痕对角线长度困难或不准确的问题。针对此问题，人们在上世纪九十年代初研制成功了可同时测量金刚石Vickers或Berkovich压头在压入材料过程中的压入载荷与压入深度(或称压入位移)，并据此提出材料硬度新的测试方法，该类硬度统称为仪器化压入硬度，该类仪器统称为仪器化压入仪。仪器化压入硬度的测试特点是不需要测量压痕对角线长度。但是，使用仪器化压入硬度也存在一个突出问题，即它与传统维氏硬度的关系问题。为解决该问题，本发明应用量纲定理及弹塑性有限元数值分析方法建立了一种基于Vickers压头仪器化压入比功与名义硬度确定材料维氏硬度的方法，该方法利用Vickers压头仪器化压入材料所得载荷-位移曲线来确定被测材料的仪器化压入比功与名义硬度，然后利用所建立的函数关系进一步确定被测材料的维氏硬度。与维氏硬度的直接压痕测量方法相比，该方法的突出优点为：无需测量Vickers压痕对角线长度，避免了直接压痕测量方法存在的因Vickers压痕顶角不清晰导致测量压痕对角线长度困难或不准确的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于Vickers压头仪器化压入材料所得载荷-位移曲线确定材料维氏硬度的方法，该方法无需测量Vickers压痕对角线长度，可避免直接压痕测量方法存在的因Vickers压痕顶角不清晰导致测量压痕对角线长度困难或不准确的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种基于仪器化Vickers压入名义硬度确定材料维氏硬度的方法，该方法利用Vickers压头仪器化压入材料所得载荷-位移曲线来确定被测材料的仪器化压入比功与名义硬度，然后利用所建立的函数关系进一步确定被测材料的维氏硬度，具体包括以下步骤：

1)利用仪器化压入仪和金刚石Vickers压头对被测材料实施某一最大压入载荷为P_m的仪器化压入测试，获得压入载荷-位移曲线，同时利用该曲线确定金刚石Vickers压头的最大压入深度h_m与名义硬度H_n＝P_m/A(h_m)，其中，A(h_m)为对应最大压入深度时的压头横截面积，当不考虑压头尖端钝化时而考虑压头尖端钝化时，则A(h_m)应由压头的面积函数A(h)来确定，即

2)通过分别积分载荷-位移曲线关系中的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；

3)根据维氏硬度H_v与仪器化压入比功W_e/W_t及名义硬度H_n的关系最终确定被测材料的维氏硬度H_v：

H_v＝H_nf(W_e/W_t)

＝H_n[0.7881+1.5300(W_e/W_t)-2.7221(W_e/W_t)²+4.2909(W_e/W_t)³-2.4400(W_e/W_t)⁴]