[发明专利]一种原位压入测试提取金属弹塑性参数的方法

说明书

本发明公开了一种原位压入测试提取金属材料弹塑性参数的方法：采用圆柱形和两种不同锥角压头进行测试，得到金属的弹性模量并结合塑性应变梯度理论给出去除压入梯度效应影响的载荷‑深度曲线（P₀‑h），进一步通过数值模拟反演得到两种锥角压头作用下的特征应力σ_r，结合不同锥角下的特征应变ε_r，代入幂强化弹塑性本构关系中求解即得被测材料的屈服应力σ_y与硬化指数n；该方法准确性高、去除了压入梯度效应的影响并从数学上保证了所得弹塑性本构关系的唯一性，从而提高了基于微纳米压入法提取金属材料弹塑性参数的有效性。

技术领域

本发明涉及材料力学性能的测试表征方法，具体为一种原位压入测试提取金属弹塑性参数的方法。

背景技术

工程材料(尤其是金属材料)的力学行为是其工程应用的重要基础，相关力学性能参数的有效获取是工程设计分析的重要前提。传统测试金属弹塑性性能的拉伸/压缩法要求试样尺寸较大且须满足相关标准，随着微加工制造领域的不断发展，相关器件材料的特征尺寸已越来越小，传统拉压法已经不能满足该领域的测试需求。

基于接触力学理论发展起来的仪器化微纳米压入测试法目前已广泛应用于表面工程、微机电系统及生物工程领域中功能材料力学性能的测试表征，该方法使用不同形状的硬质压头(一般为金刚石)原位压入被测材料表面，压入过程中仪器自动记录实时压入载荷与压入深度(P-h)，并通过相关力学模型得到材料的力学性能参数；相比于传统拉伸/压缩测试，压入法对材料形状尺寸无过多要求，只需提供一定光滑平整的表面即可。

通过微纳米压入测试提取金属材料弹塑性参数的相关研究目前主要存在以下问题：压入接触面积的准确获取，弹塑性本构关系的唯一性及压入梯度效应的影响等，急需发展一种高效准确的提取金属弹塑性参数的压入测试表征方法。

发明内容

本发明为了解决微纳米压入测试中，压入接触面积准确获取以及弹塑性本构关系的唯一性及压入梯度效应的影响的问题，提供了一种原位压入测试提取金属弹塑性参数的方法。

本发明是通过如下技术方案来实现的：一种原位压入测试提取金属弹塑性参数的方法，所述方法是采用圆柱形金刚石压头测试结合两种不同锥角三棱锥金刚石压头测试来获取金属材料幂强化弹塑性本构关系，包括如下步骤：

1)采用圆柱形金刚石压头对金属进行微压入测试，通过卸载曲线得到折合模量E_r及金属的弹性模量E；

dP/dh＝2E_ra (1)

a为圆柱形金刚石压头的半径，P为压入载荷，h为压入深度；

E和v为被测材料的弹性模量与泊松比；E_i和v_i为金刚石压头的弹性模量与泊松比，E_i＝1141Gpa，v_i＝0.07；

2)采用两种不同锥角的三棱锥金刚石压头并结合连续刚度测量法(CSM，W.C.Oliver,J.B.Pethica,U.S.Patent No.4848141,1989)对金属进行压入测试，得到压入载荷-压入深度曲线(P-h)与接触刚度的连续测量值(S-h)；

3)基于接触面积A_c-接触刚度S-折合模量E_r关系式与硬度公式得到真实压入接触面积A_c及硬度H随压入深度的变化值(A_c-h、H-h)；