[发明专利]一种利用球形压痕法计算断裂韧性的方法

权利要求书

1.一种利用球形压痕法计算断裂韧性的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)基于球形压头压痕试验，在恒定速率下，获取卸载条件下的全程载荷-位移曲线；

(2)获取载荷-位移曲线的拟合斜率，即卸载刚度；

(3)利用有限元对球形压头压入过程进行模拟，获取压痕表面形貌三维等高线图，并基于压痕表面形貌三维等高线图获得压痕截面高度堆积图及压痕表面形貌投影图；

(4)根据步骤(3)所获得的压痕截面高度堆积图及压痕表面形貌投影图，计算压入深度偏差系数及投影面积偏差系数；

(5)由压入功与压入断裂能联合公式及步骤(4)所得的压入深度偏差系数、投影面积偏差系数，计算断裂韧性K_JC；

其中，E为被测材料的弹性模量；D为球形压头的直径，S为载荷-位移曲线的斜率，即卸载刚度，h^*为临界压入深度，α为压入深度偏差系数；

所述步骤(5)中压入深度偏差系数α为实际深度与理论深度的比值，即：

其中，h_实际深度为压痕测试过程中考虑堆积效应导致的实际深度，h_理论深度为理想状态下压痕的深度；

所述步骤(5)中临界压入深度h^*通过有效弹性模量与压痕深度的关系计算，即：

lnE_D＝k*lnh+b

其中，E_D为被测材料的有效弹性模量，h为压痕深度，k、b为拟合系数；

被测材料有效弹性模量E_D的计算公式为：

其中，E_r代表被测材料减缩弹性模量；E_i代表压头弹性模量；v代表被测材料的泊松比；v_i代表压头泊松比；

E_r的计算公式为：

其中，S代表测试过程中获得的载荷-压入深度曲线中卸载斜率，该斜率一般称为卸载刚度，A_c代表压痕接触深度下的投影面积，A_c＝24.5h_c²，h_c为接触深度，α为压入深度偏差系数，β为投影面积偏差系数；

投影面积偏差系数β为压头堆积面面积与自由面面积的比值，即：

其中，A_堆积面为压痕测试过程中考虑堆积效应导致的压头周围的面积，A_自由面为理想状态下压头周围形成的面积；

所述步骤(5)中，临界压入深度h^*通过临界弹性模量E^*计算得到，通过引入损伤变量，有效弹性模量E_D的计算公式表示为：

E_D＝E₀(1-M)

其中，E_D为有效弹性模量；E₀为没有损伤时的弹性模量，M为损伤变量；

损伤变量的计算公式如下：

其中，f为材料孔洞率，材料裂纹起裂稳定扩展时对应的临界孔洞率f^*＝0.25，则计算得到临界损伤变量M^*及临界弹性模量E^*，从而得出临界压入深度h^*。

2.根据权利要求1所述的一种利用球形压痕法计算断裂韧性的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，卸载刚度由Oliver-Pharr法获得，通过幂函数拟合得到的计算公式为：

S＝Bm(h_max-h_p)^m-1

其中，h_max为最大压入深度，h_p为卸载后残余塑性变形深度，B、m为拟合系数，由最小二乘法确定。