表面梯度金属材料的细微观力学性能评估测量方法及装置制造方法及图纸

一种表面梯度金属材料的细微观力学性能评估测量方法及装置，包括：建立纳米压痕试验的有限元模型，验证模型可靠性；基于表面处理工艺及基体材料弹性模量，预估表面梯度材料的细观力学性能参数，结合所述的有限元模型计算其相应微观力学性能参数；基于数学建模法，对施加载荷和压痕接触深度进行量纲分析，建立无量纲方程；根据无量纲方程，选取预估及计算的相应细微观力学性能参数，建立无量纲函数关系式；沿试样表面不同的纵深方向，结合纳米压痕试验，获得载荷-位移响应曲线，反推材料相应位置的细观力学性能参数；基于确定的细观力学性能参数，建立表面梯度材料的细观力学性能梯度曲线。

【技术实现步骤摘要】
表面梯度金属材料的细微观力学性能评估测量方法及装置
本专利技术是关于金属材料力学性能测试技术，特别是关于一种表面梯度金属材料的细微观力学性能评估测量方法及装置。
技术介绍
随着工业高精端的发展，微小型机械或构件被大量研制与使用。同时，为满足机构具有高强度、高可靠性等要求，脉冲放电、离子注入、激光冲击及渗碳处理工艺等新型表面处理工艺也被广泛采用。因此，明确包含处理层在内的构件材料的基础力学性能，显得尤为重要。传统金属材料的力学性能是通过标准试件的单调拉伸试验获得。对应表面处理的材料，其力学性能测量存在两个问题：(1)无视处理层的存在，将处理层和基体视为均匀材料来处理，没有虑及材料表面性能的梯度变化。(2)对于微小型构件而言，其试验设备及测量方法均不适用。纳米压痕仪可以用于材料在微纳米级力学性能的测定，但是目前的研究主要集中于薄膜材料，而对于表面处理金属材料仅仅侧重于硬度的测试，至今没有形成一种有效的、包含处理层在内的材料梯度力学性能表征方法。因此，一种具有较好理论性、实用可靠、简洁方便的表面梯度金属材料的细微观力学性能评估方法亟待建立。
技术实现思路
本专利技术提供一种表面梯度金属材料的细微观力学性能评估测量方法及装置，以避免忽略表面处理层而近似测定材料力学性能所带来的误差，弥补表面梯度力学性能表征方法的空白。为了实现上述目的，本专利技术提供一种表面梯度金属材料的细微观力学性能评估测量方法，所述的细微观力学性能评估测量方法包括：步骤1：通过二维建模、赋予材料属性、网格划分、施加边界条件等，建立纳米压痕试验的有限元仿真模型，并验证其准确性；步骤2：基于表面处理工艺及基体材料弹性模量，预估表面梯度材料的细观力学性能参数(E，σy，n)，结合所述的有限元模型计算所述细观力学性能参数对应的微观力学性能参数(F，S，hc)；其中，E为所测材料的弹性模量，σy为所测材料的屈服应力，n为所测材料的应变硬化指数，F为纳米压痕试验机压头上的加载载荷，S为所测材料的硬度，hc为压头与所测材料之间的压痕接触深度；步骤3：基于数学建模法，对加载载荷F和压头与所测材料之间的压痕接触深度hc进行量纲分析，建立关于压头和所测材料相关参数的无量纲方程：步骤4：根据无量纲方程，结合步骤2中预估及计算的相应的材料细微观力学参数(E、σy、n、F、S、hc)，建立无量纲函数关系式：其中，a、b、c、d、e、f、g、i均为拟合参数；步骤5：制备表面梯度材料截面抛光试样，沿所述试样表面不同的纵深方向，结合纳米压痕试验，按预定深度获得一系列载荷-位移响应曲线。得到材料硬度、最大加载载荷F及压痕接触深度hc的值，并将所述材料硬度、最大加载载荷F及压痕接触深度hc的值代入到无量纲关系式中，反推出表面梯度材料相应位置的细观力学性能参数；步骤6：将步骤5中得到的细观力学性能参数(E，σy，n)按深度作图，建立表面梯度材料的细观力学性能梯度曲线。在一实施例中，在所述步骤1中，建立纳米压痕试验的有限元仿真模型，包括：采用二维模型对所测材料进行建模，利用一维线段对压头进行建模，生成纳米压痕试验的初始实体模型。鉴于模型的轴对称性，取所述初始实体模型的二分之一建立纳米压痕试验的有限元仿真模型。在一实施例中，所述材料参数属性包括：σy＝1187MPa、E＝201GPa、ν＝0.3、n＝0.203。在一实施例中，所述步骤2包括：基于表面处理工艺及基体材料弹性模量，预估表面梯度材料的细观力学性能参数(E，σy，n)，结合所述的有限元模型，生成若干组载荷-位移响应曲线，根据所述载荷-位移响应曲线，计算出若干组相应微观力学参数(F，S，hc)。在一实施例中，所述步骤3包括：基于数学建模法，将压头加载载荷F和压头与所测材料之间的压痕接触深度hc分别表示为关于压头和所测材料相关参数的函数总方程：F＝F(h,E,ν,Ei,νi,σy,n,μ,θ)(5)hc＝hc(h,E,ν,Ei,νi,σy,n,μ,θ)(6)其中，ν为所测材料的泊松比，Ei和νi分别为压头的弹性模量和泊松比，μ为压头与所测材料间的摩擦系数，θ为压头的半角角度；在不考虑参数之间耦合的情况下，将所述函数总方程转化为无量纲函数：上述压头和所测材料的参数中，只有弹性模量的量纲[E]和深度的量纲[h]是独立的，其他参数均用这两个独立量纲的指数积的形式表示。省略所述无量纲函数中的Ei、νi及μ，对于一个给定角度θ的压头，应用Π定理，无量纲函数关系式进一步简化为所述的无量纲方程：在一实施例中，所述步骤5包括：制备表面梯度材料截面抛光试样，沿试样表面不同的纵深方向，结合纳米压痕试验，按预定深度获得一系列载荷-位移响应曲线。得到材料硬度、最大加载载荷F及压痕接触深度hc的值，并将其代入到无量纲关系式中，反推出表面梯度材料相应位置的细观力学性能参数；在一实施例中，所述步骤6包括：将步骤5中得到的细观力学性能参数按深度作图，建立表面梯度材料的细观力学性能梯度曲线。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种表面梯度金属材料的细微观力学性能评估及测量装置，所述的细微观力学性能测量方法装置包括：模型建立单元，通过二维建模、赋予材料属性、网格划分、施加边界条件等，建立纳米压痕试验的有限元仿真模型，并验证其准确性；细微观力学参数计算单元，基于表面处理工艺及基体材料弹性模量，预估表面梯度材料的细观力学性能参数(E，σy，n)，结合所述的有限元模型计算所述细观力学性能参数对应的微观力学性能参数(F，S，hc)；其中，E为所测材料的弹性模量，σy为所测材料的屈服应力，n为所测材料的应变硬化指数，F为纳米压痕试验机压头上的加载载荷，S为所测材料的硬度，hc为压头与所测材料之间的压痕接触深度；无量纲方程生成单元，基于数学建模法，对加载载荷F和压头与所测材料之间的压痕接触深度hc进行量纲分析，建立关于压头和所测材料相关参数的无量纲方程：...

【技术保护点】
一种表面梯度金属材料的细微观力学性能评估测量方法，其特征在于，包括：步骤1：通过二维建模、赋予材料属性、网格划分、施加边界条件，建立纳米压痕试验的有限元仿真模型，并验证所述有限元仿真模型的准确性；步骤2：基于表面处理工艺及基体材料弹性模量，预估表面梯度材料的细观力学性能参数(E，σy，n)，结合所述的有限元模型计算所述细观力学性能参数对应的微观力学性能参数(F，S，hc)；其中，E为所测材料的弹性模量，σy为所测材料的屈服应力，n为所测材料的应变硬化指数，F为纳米压痕试验机压头上的加载载荷，S为所测材料的硬度，hc为压头与所测材料之间的压痕接触深度；步骤3：基于数学建模法，对施加载荷F和压头与所测材料之间的压痕接触深度hc进行量纲分析，建立关于压头和所测材料相关参数的无量纲方程：FEh2=Πα[σyE,n]---(1)]]>hch=Πβ[σyE,n]---(2)]]>步骤4：根据所述无量纲方程，选取步骤2中预估及计算的相应细微观力学参数(E，σy，n，F，S，hc)，建立无量纲函数关系式：Πα=(σyE,n)=(a-bn)(σyE)[clog(σyE)-dn]---(3)]]>Πβ=(σyE,n)=e+fexp(gn)exp[i(σyE)]---(4)]]>其中，a、b、c、d、e、f、g、i均为拟合参数；步骤5：制备表面梯度材料截面抛光试样，沿所述试样表面不同的纵深方向，结合纳米压痕试验，按预定深度获得一系列载荷‑位移响应曲线；得到材料硬度、最大加载载荷F及压痕接触深度hc的值，并将所述材料硬度、最大加载载荷F及压痕接触深度hc的值代入到无量纲关系式中，反推出表面梯度材料相应位置的细观力学性能参数；步骤6：将所述步骤5中得到的细观力学性能参数按深度作图，建立表面梯度材料的细观力学性能梯度曲线。...

【技术特征摘要】
1.一种表面梯度金属材料的细微观力学性能评估测量方法，其特征在于，包括：步骤1：通过二维建模、赋予材料属性、网格划分、施加边界条件，建立纳米压痕试验的有限元仿真模型，并验证所述有限元仿真模型的准确性；步骤2：基于表面处理工艺及基体材料弹性模量，预估表面梯度材料的细观力学性能参数E，σy，n，结合所述的有限元仿真模型计算所述细观力学性能参数对应的微观力学性能参数F，S，hc；其中，E为所测材料的弹性模量，σy为所测材料的屈服应力，n为所测材料的应变硬化指数，F为纳米压痕试验机压头上的加载载荷，S为所测材料的硬度，hc为压头与所测材料之间的压痕接触深度；步骤3：基于数学建模法，对纳米压痕试验机压头上的加载载荷F和压头与所测材料之间的压痕接触深度hc进行量纲分析，建立关于压头和所测材料相关参数的无量纲方程：步骤4：根据所述无量纲方程，选取步骤2中预估及计算的相应细微观力学参数E，σy，n，F，S，hc，建立无量纲函数关系式：其中，a、b、c、d、e、f、g、i均为拟合参数；步骤5：制备表面梯度材料截面抛光试样，沿所述试样表面不同的纵深方向，结合纳米压痕试验，按预定深度获得一系列载荷-位移响应曲线；得到材料硬度、最大的加载载荷F及压痕接触深度hc的值，并将所述材料硬度、最大的加载载荷F及压痕接触深度hc的值代入到无量纲关系式中，反推出表面梯度材料相应位置的细观力学性能参数；步骤6：将所述步骤5中得到的细观力学性能参数按深度作图，建立表面梯度材料的细观力学性能梯度曲线。2.根据权利要求1所述的表面梯度金属材料的细微观力学性能评估测量方法，其特征在于，在所述步骤1中，建立纳米压痕试验的有限元仿真模型，包括：采用二维模型对所测材料进行建模，利用一维线段对压头进行建模，生成纳米压痕试验的初始实体模型；鉴于模型的轴对称性，取所述初始实体模型的二分之一建立纳米压痕试验的有限元仿真模型。3.根据权利要求1所述的表面梯度金属材料的细微观力学性能评估测量方法，其特征在于，所述步骤2包括：基于表面处理工艺及基体材料弹性模量，预估表面梯度材料的细观力学性能参数E，σy，n，结合有限元仿真模型，生成若干组载荷-位移响应曲线，计算相应位置微观力学参数F，S，hc。4.根据权利要求1所述的表面梯度金属材料的细微观力学性能评估测量方法，其特征在于，所述步骤3包括：基于数学建模法，将纳米压痕试验机压头上的加载载荷F和压头与所测材料之间的压痕接触深度hc分别表示为关于压头和所测材料相关参数的函数总方程：F＝F(h,E,ν,Ei,νi,σy,n,μ,θ)(5)hc＝hc(h,E,ν,Ei,νi,σy,n,μ,θ)(6)其中，ν为所测材料的泊松比，Ei和νi分别为压头的弹性模量和泊松比，μ为压头与所测材料间的摩擦系数，θ为压头的半角角度；在不考虑参数之间耦合的情况下，将所述函数总方程转化为无量纲函数：上述压头和所测材料的参数中，只有弹性模量的量纲[E]和深度的量纲[h]是独立的，其他参数均用这两个独立量纲的指数积的形式表示；省略所述无量纲函数中的Ei、νi及μ，对于一个给定角度θ的压头，应用Π定理将无量纲函数关系式进一步简化为无量纲方程：5.一种表面梯度金属材料的细微观力学性能评估测量装置，其特征在于，所述的细微观力...

【专利技术属性】
技术研发人员：李伟，邓海龙，孙振铎，张晓航，张震宇，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11