[发明专利]通过接触力学测量局部拉伸应力下的材料性能

说明书

一种用于在基底中执行接触力学试验的设备，其包括具有至少两个接触元件的触针。每个接触元件具有接触轮廓，并且所述接触元件布置在触针中，以在所述接触元件之间限定拉伸通道。所述触针被构造成使基底变形，以使基底在所述接触元件之间流动并在基底中引起张力，以便在基底中产生并保留微改变。还提供了使用所述设备执行接触力学试验的方法。

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年12月9日提交的美国临时专利申请No.62/265,234的优先权，该美国临时专利申请的公开内容以引用的方式整体并入本文。

技术领域

本发明涉及使用接触力学来获得与材料在经受包括至少一个方向上的拉伸应力的应力场时如何抵抗微改变(micromodification)有关的数据和信息。

背景技术

发明名称为“Contact Mechanic Tests Using Stylus Alignment to ProbeMaterial Properties”的美国专利申请公报No.2016/0258852描述了背景技术并且以引用的方式整体并入本文。具体地，该公报描述了使用对准机构和接合机构来执行摩擦滑动试验。

对于安全工程设计，工程师必须考虑对结构的需求及其能力。对于基于强度的设计，该需求是结构中的最大应力，而能力是材料在失效之前所能抵抗的最大强度。结构上的最大应力可以基于试样几何形状和载荷来求解。传统上，材料强度是通过实验室拉伸试验获得的，这允许测量描述永久塑性应变开始的屈服强度和失效前的极限抗拉强度。

然而，基于强度的设计忽略了控制材料如何失效的关键特征。材料的强度随着材料体积内的缺陷或裂纹而变化。在这些缺陷处，应力相比于材料的本体被放大。因此，与具有较小裂纹的材料相比，具有较大裂纹的材料将表现出降低的强度。要考虑含有内部缺陷的材料的能力，工程师必须考虑断裂力学。在断裂力学中，需求是裂纹扩展的裂纹驱动力，而能力是描述材料抵抗裂纹扩展的能力的断裂韧性。裂纹驱动力的等效名称是能量释放率、J积分和应力强度因子。断裂韧性是描述使裂纹增长一个单位面积所需的能量的材料能力，且必须通过实验来测量。断裂韧性的相关术语包括断裂能、临界能量释放率和临界应力强度因子。对于许多材料，材料的断裂韧性不是恒定的，而是裂纹扩展的函数。该函数通常被称为阻力曲线(R曲线)。R曲线对工程师来说很重要的具体特征是裂纹开始扩展的起始断裂能和最大稳态断裂能。

对于陶瓷、复合材料、聚合物和金属的断裂韧性的测量已经进行了几十年，并且包括在实验室中将具有已知几何形状的预先存在的缺陷的试样加载至失效。ASTM E1820“断裂韧性测量的标准试验方法(Standard Test Method for Measurement of FractureToughness)”中详细介绍了用于简单几何形状的标准试验方法，如紧凑拉伸(CT)和单边切口梁(SEB)。结果的解释取决于材料和试样几何形状。在裂纹尖端，复杂的行为发生在依赖于材料系统的断裂过程区(fracture process zone)内。当该断裂过程区的尺寸相比于裂纹尺寸和试样几何形状较小时，满足了小范围屈服条件。裂纹驱动力则是载荷、裂纹几何形状和试样几何形状的函数，这在大多数工程应用的工程手册中都可以找到。然后，利用线弹性断裂力学(LEFM)，可以将失效时的裂纹驱动力与材料的断裂韧性相关联。然而，对于诸如铝或钢的具有高断裂韧性的材料，断裂过程区较大，并且满足小范围屈服条件需要的试样尺寸过大，在实践中不可行，从而需要使用弹塑性断裂力学(EPFM)。对于EPFM，裂纹驱动力现在是载荷、裂纹几何形状、试样几何形状和塑性材料性能的函数。这种更复杂的函数通常是通过有限元分析以数学方式来得到，或者通过精确测量扩展中的裂纹的特征(例如裂纹尖端张开位移(CTOD))的仪器以实验方式得到。对于韧性金属的情形，塑性行为由两个附加的材料性能描述，即屈服强度和应变硬化指数。屈服强度控制开始出现塑性变形时的应力，而应变硬化指数描述材料流动的速率。对于数种聚合物，工程师和科学家已经在实验室中研究和量化了位于裂纹尖端前方的过程区，在那里可能发生剪切加载、孔隙形成和开裂。