一种原位压入测试提取金属弹塑性参数的方法技术

本发明专利技术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σr，结合不同锥角下的特征应变εr，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σy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。

A method of in-situ indentation test for extracting elastoplastic parameters of metals

The invention discloses a method for extracting elastic-plastic parameters of metal materials by in-situ indentation test: the elastic modulus of metal is obtained by testing cylindrical and two different cone angle indenters, and the load depth curve (P 0_h) is given by combining the plastic strain gradient theory to remove the effect of indentation gradient, and the passing number is further calculated. The characteristic stress_r under the action of two kinds of cone-angle indenters is obtained by numerical inversion, and the yield stress_y and hardening exponent n are obtained by combining the characteristic strain_r under different cone-angle with the power-hardening elastic-plastic constitutive relation. The uniqueness of the elastic-plastic constitutive relation is obtained, which improves the effectiveness of extracting the elastic-plastic parameters of metal materials based on micro-nano-indentation method.

【技术实现步骤摘要】
一种原位压入测试提取金属弹塑性参数的方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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Er及金属的弹性模量E；dP/dh＝2Era(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；Ei和vi为金刚石压头的弹性模量与泊松比，Ei＝1141Gpa，vi＝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.PatentNo.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Ac-接触刚度S-折合模量Er关系式与硬度公式得到真实压入接触面积Ac及硬度H随压入深度的变化值(Ac-h、H-h)；其中β＝1(张泰华，微/纳米力学测试技术及其应用，北京：机械工业出版社，2004.10.)；4)采用基于晶体细观机制的塑性应变梯度理论(MSG，WilliamD.Nix,HuajianGao.Indentationsizeeffectsincrystallinematerials:Alawforstraingradientplasticity,JournaloftheMechanicsandPhysicsofSolids,1998,46(3):411–425)对2)得出的压入载荷-压入深度曲线(P-h)修正后，得到去除压入梯度效应影响的硬度值H0及载荷-深度曲线(P0-h)；P0＝H0AC(6)其中h*为特征长度(参考文献中有h*的确定方法)；5)通过数值模拟并结合4)所得P0-h曲线得到两种不同锥角压头作用下被测材料的特征应力σr，进一步结合不同锥角压头下的特征应变值εr得到两组特征应力-特征应变值(σr-εr)；εr＝0.0319cotα(8)α为三棱锥压头的等效半锥角；6)将5)所得结果代入幂强化弹塑性本构关系(XiChen,NagahisaOgasawara,ManhongZhao,NorimasaChiba.Ontheuniquenessofmeasuringelastoplasticpropertiesfromindentation:Theindistinguishablemysticalmaterials,JournaloftheMechanicsandPhysicsofSolids,2007,55:1618–1660.)并结合1)所得弹性模量值E，通过求解方程组即可得到被测材料的屈服应力σy与硬化指数n；其中σ和ε分别为本构关系中的应力和应变，R为强度系数，均可由参考文献中得知，可由上述公式演变出以下公式：本专利技术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σr，结合不同锥角下的特征应变εr，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σy与硬化指数n。与现有技术相比本专利技术具有以下有益效果：本专利技术所述的原位压入测试提取金属弹塑性参数的方法准确性高、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。附图说明图1：柱形压头作用下晶体铜的压入载荷-深度曲线。图2：不同锥角压头作用下晶体铜的连续刚度测量值。图3：不同锥角压头作用下晶体铜的载荷-深度曲线(P-h)及修正后的P0-h曲线。图4：晶体铜的幂强化弹塑性本构关系。图5：柱形压头作用下晶体铝的压入载荷-深度曲线。图6：不同锥角压头作用下晶体铝的连续刚度测量值。图7：不同锥角压头作用下晶体铝的载荷-深度曲线(P-h)及修正后的P0-h曲线。图8：晶体铝的幂强化弹塑性本构关系。具体实施方式以下结合具体实施例对本专利技术作进一步说明。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Er及金属的弹性模量E；dP/dh＝2Era(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；Ei和vi为金刚石压头的弹性模量与泊松比，Ei＝1141Gpa，vi＝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Ac-接触刚度S-折合模量Er关系式与硬度公式得到真实压入接触面积Ac及硬度H随压入深度的变化值(Ac-h、H-h)；其中β＝1；4)采用基于晶体细观机制的塑性应变梯度理论对2)得出的压入载荷-压入深度曲线(P-h)修正后，得到去除压入梯度效应影响的硬度值H0及载荷-深度曲线(P0-h)；P0＝H0AC(6)其中h*为特征长度；5)通过数值模拟并结合4)所得P0-h曲线得到两种不同锥角压头作用下被测材料的特征应力σr，进一步结合不同锥角压头下的特征应变值εr得到两组特征应力-特征应变值(σr-εr)；εr＝0.0319cotα(8)α为三棱锥压头的等效半锥角；6)将5)所得结果代入幂强化弹塑性本构关系并结合1)所得弹性模量值E，通过求解方程组即可得到被测材料的屈服应力σy与硬化指数n；其中σ和ε分别为本构关系中的应力和应变，R为强度系数；实施例1本实施例是对晶体铜弹本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种原位压入测试提取金属弹塑性参数的方法，其特征在于：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Er及金属的弹性模量E；dP/dh＝2Era     (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；

【技术特征摘要】
1.一种原位压入测试提取金属弹塑性参数的方法，其特征在于：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Er及金属的弹性模量E；dP/dh＝2Era(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；Ei和vi为金刚石压头的弹性模量与泊松比，Ei＝1141Gpa，vi＝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Ac-接触刚度S-折合模量Er关系式与硬度公式得到真实压入...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖革胜，金涛，刘二强，段茜，树学峰，李志刚，邢学刚，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西,14