[发明专利]一种消除压入尺度效应影响的金属蠕变性能参数获取方法

说明书

本发明公开了一种消除压入尺度效应影响的金属蠕变性能参数获取方法，涉及金属材料的力学性能测试表征方法领域。采用锥形压头进行“快速加载+保载+快速卸载”压入测试以保证加载段的弹塑性变形（无蠕变释放）、保载段完整的蠕变变形及卸载段的纯弹性恢复变形，结合柱形压头测试所得折合模量及塑性应变梯度理论得到去除压入塑性变形梯度影响的加载段载荷‑深度曲线，进而基于线性粘性假定下蠕变柔量不变性给出不受压入加载段尺度效应影响的压入蠕变变形及蠕变应力指数；该方法去除了压入尺度效应的影响且准确性高，提高了微纳米压入测试获取金属材料蠕变性能参数的有效性。

技术领域

本发明涉及金属材料的力学性能测试表征方法领域，具体为一种消除压入尺度效应影响的金属蠕变性能参数获取方法。

背景技术

金属材料的力学行为及相关参数的有效获取是其用于工程设计分析的重要基础，传统拉伸/压缩等测试方法所采用试样须满足相关标准且尺寸一般较大；微纳加工制造业的不断发展使得相关功能材料与器件的特征尺寸逐渐减小，这对传统力学测试表征方法提出了一定挑战。

已广泛用于微机电系统、表界面工程中力学测试表征的原位微纳米压入测试法提供了可能的解决途径，该方法通过采用不同几何特征的金刚石压头对表面平整光滑的材料进行微纳米尺度下的压入测试，结合所得压入载荷–深度曲线及特定力学表征模型即可获得相关材料力学参数，具有较大的技术与应用优势。

目前通过微纳米压入测试表征金属蠕变性能参数的相关研究工作主要存在压入硬度的准确获取、压入尺度效应的影响等问题，尚需提供一种基于微纳米压入测试的准确高效获取金属蠕变性能参数的表征方法。

发明内容

本发明为了解决微纳米压入测试表征金属蠕变性能参数中压入硬度的准确获取及压入尺度效应影响的问题，提供了一种消除压入尺度效应影响的金属蠕变性能参数获取方法。

本发明是通过如下技术方案来实现的：一种消除压入尺度效应影响的金属蠕变性能参数获取方法，该方法是采用“快速加载+保载+快速卸载”的三棱锥金刚石压头压入测试并结合圆柱形金刚石压头测试来获取不受压入尺度效应影响的金属材料蠕变性能参数，具体包括如下步骤：

1)采用三棱锥金刚石压头对金属进行不同加载速率下的预压入测试，确定加载段为弹塑性变形(无蠕变释放)、卸载段为纯弹性恢复变形的压入加载/卸载时间，结合压入保载时间得到完整的三棱锥金刚石压头压入载荷–深度曲线P–h，包含“快速加载段+保载段+快速卸载段”；

2)对金属进行圆柱形金刚石压头微纳米压入测试，基于卸载段数据得到其折合模量E_r：

dP/dh＝2E_ra (1)

P和h分别为压入载荷与压入深度，a为圆柱形金刚石压头的横截面半径；

3)采用1)所得三棱锥金刚石压头压入载荷–深度曲线P–h卸载段顶点的刚度值S，S即为加载段结束时的弹性接触刚度S_e，结合压入加载过程中接触刚度S与压入深度h之间的线性关系(Xiao Gesheng,Yang Xuexia,Qiu Jia,Chang Chao,Liu Erqiang,Duan Qian,Shu Xuefeng,Wang Zhihua.Determination of power hardening elastoplasticconstitutive relation of metals through indentation tests with pluralindenters.Mechanics of Materials,2019,138:103173.)，得到压入加载段的实时压入接触刚度，S∝h；

4)基于压入接触刚度S–折合模量E_r–接触面积A_c之间的关系式获得压入加载过程中硬度H随压入深度h的变化关系H–h；