一种提取材料断裂韧度的方法技术

本发明专利技术提出一种提取材料断裂韧度的方法，具体步骤为：１）采用ｃｕｂｅ－ｃｏｒｎｅｒ压头对材料进行压入试验；２）从加－卸载曲线（Ｆ－ｈ曲线）中得到卸载功、加载功、最大压头载荷；３）用显微观测技术测得卸载后样品表面的径向裂纹尺寸；４）检测试验结果：５）将同时满足４）中检测结果的参数：卸载功Ｗ↓［ｕ］、加载功Ｗ↓［ｔ］、最大压头载荷Ｆ↓［ｍ］、径向裂纹长度ｃ，带入公式：Ｋ↓［ＩＣ］＝０．０１８（Ｗ↓［ｕ］／Ｗ↓［ｔ］）↑［－１／２］（Ｆ↓［ｍ］／ｃ↑［３／２］）计算得到被测材料的断裂韧度Ｋ↓［ＩＣ］。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及材料力学性能表征领域，尤其是一种提取材料断裂韧度 的方法。10
技术介绍
断裂韧度作为材料抗灾变能力的重要参数， 一直是工业选材中最为关注的力学性能指标之一。然而传统的提取材料断裂韧度的试验,如 15三点弯曲法、紧凑拉伸法等，要求样品的尺寸较大，且对样品的制备工 艺要求较高。这些因素使得传统的提取断裂韧度的试验成本很高， 一些 材料，如大多数金属玻璃，由于制造工艺的限制，根本无法满足传统试 验对样品尺寸的要求。压入试验是使用硬质压头，如金刚石压头，对被测材料进行加-卸栽，20观测有用的试验数据，通过一定的力学模型得到材料的力学参数的试验方法。压入试验又可分为传统压入试验和仪器化压入试验。其中，传统压入试验不记录压头的载荷-位移曲线(F-h曲线)；而仪器化压入试验则 记录F-h曲线，并利用F-h曲线的信息提取材料的力学参数。相对于传统的提取断裂韧度的试验，压入试验有样品尺寸小、制样25工艺简单、可实现微区测量等优点。因此，如何利用压入试验来提取材 料的断裂韧度一直是人们关注的热点。用压入试验提取断裂韧度的主要 思想是压头卸载后，在残余应力场的作用下，表面径向裂紋尖端的应 力强度因子应等于材料的断裂韧度。而卸载后裂紋尖端的应力强度因子 可通过将残余应力场简化为作用在特定形状的裂紋面上的集中力外载，30并利用断裂力学中计算应力强度因子的成熟结论得到。到目前为止，基 于传统压入试验的方式已发展出了三种提取材料断裂韧度的方法，分别4是Lawn-Anstis法、 Laugier法"和Harding-01 iver-Pharr法[5。而 迄今为止尚无基于仪器化压入试验的断裂韧度提取方法。 Lawn-Anstis法采用Vickers压头，计算公式为<formula>formula see original document page 5</formula>在式(1)中Ktc为断裂韧度，E为弹性模量，H为硬度(本方法中 H=Fm/(2a2)， a为残余压痕的半对角线长度)，K为最大压头载荷，c为压 痕中心至表面径向裂紋尖端的长度。Laugier法采用Vickers压头，计算公式为<formula>formula see original document page 5</formula>在式(2)中1为压痕角点至便面径向裂紋尖端的长度，其余符号 与式(1)中的定义相同。Harding-01 iver-Pharr法先用cube-corner压头进行压入试验产 生裂紋，然后用Berkovich压头进行压入试验，测量材料的E和H["。该 方法的计算公式为<formula>formula see original document page 5</formula>式(3 )中E和H为Berkovich压头压入试-睑的测量^f直，Fm和c为 cube-corner压头压入试验的测量值。以上三种方法均基于Lawn-Evans-Marshall压入破坏才莫型u]，并且 每种方法的计算公式中的常系数均为通过对大量材料的试验数据拟合得 到。已经_〖正实[4': Lawn-Anstis法和Laugier法的实用效果相当。 Lawn-Anstis法和Laugier法的的缺点是l)临界试验栽荷较高，限制了 其在微小尺度材料上的应用；2)需已知弹性模量E 。 Harding-01 iver-Pharr法解决了这两个缺点。其采用比Vickers压头更 尖的cube-corner压头，大大降^f氐了临界试验栽荷，并更利于表面径向裂紋的产生；并通过Berkovich压头的压入试验获得E和H。然而 Harding-Oliver-Pharr法需要在试验中更换压头，试验过程繁瑣，效率 较低。这样就需要发展一种低临界试验载荷、试验过程简单、结果可靠的 5试验方法。本专利技术就是在这样的需求背景下展开的。
技术实现思路
针对现有方法的不足，本专利技术的目的在于提供一种低临界试验载荷、10试验过程简单、结果可靠的基于仪器化压入试验提取材料断裂韧度的方法。为实现上述目的，本专利技术提出，具体步骤为1)采用cube-corner压头对材泮+进4亍压入试验； 15 2)从加-卸载曲线(F-h曲线)中得到卸载功、加载功、最大压头载荷；3) 用显微观测技术测得卸载后样品表面的径向裂紋尺寸；4) 检测试验结果a卸栽后，通过显微观测技术，可在样品表面观测到清晰的径向20裂紋；b加-卸载曲线(F-h曲线)基本光滑，无明显的突进等不连续特征；c样品表面无明显的材料剥落；5) 将同时满足4)中检测结果的参数卸载功Wu、加载功Wt、最大 25压头载荷K、径向裂紋长度c，带入公式<formula>formula see original document page 6</formula>计算得到被测材料的断裂韧度KIC。进一步，分析参量Wu、 Wt、 R可从加-卸载曲线中获得；c可通过显微: 观测技术测量得到，c值取3条径向裂紋长度的平均值。进一步，压入试验仅采用cube-corner压头。 进一步，采用压入试验的加、卸载功之比Wu/Wt作为分析参量。 进一步，通过数值模拟和试验验证得到对绝大多数脆性材料， cube-corner压头满足近似的能量标度关系— 0.53~^ 。 ￡r 『'进一步，经过理论推导，并结合对一定数量的典型材料的试-睑数据 的拟合得到本专利技术提出试验方法的计算公式附图说明图1:为分析参量Wu、 Wt、 Fm图。 15图2:为分析参量c图。图3:为cube-corner压头能量标度关系的数值计算和试验验证图。 图4:为试验拟合新方法计算公式中的待定常数5图。具体实施例方式20如图1、 2、 3、 4所示本专利技术提出的试验方法所采用的压头为 cube-corner压头，所采用的分析参量为卸载功Wu、加载功Wt、最大压 头栽荷Fm、径向裂紋长度c,。由于采用cube-corner压头，实现了低临 界试验载荷；由于仅采用cube-corner压头，实现了试验的简便性；采25用更容易准确测量的分析参量Wu、 Wt,保证了方法的可靠性。首先，用装 有cube-corner压头的仪器化压入设备，对被测材料进行压入试-睑。压 入试验的操作和应注意的问题可参考相关的仪器化压入试^r标准m 。需要强调的是，对本专利技术而言，只有同时满足如下三个条件，方可 视为有效的压入试验l)卸载后，通过恰当的显微观测技术，可在样品30表面观测到清晰的径向裂紋；2 )加-卸载曲线(F-h曲线)基本光滑，无明显的突进等不连续特征；3)样品表面无明显的材料剥落。得到有效的 压入试验后，分析参量Wu、 Wt、 Fm可从加-卸载曲线中获得；c可通过显微 观测技术测量得到，c值取3条径向裂紋长度的平均值。基于Lawn-Evans-Marshall压入破坏模型以及Lawn-Anstis法和 5 Harding-01 iver-Pharr法的思想可知，cube-corner压头对脆'性才才泮+的 压入试验满足式(5)中H为cube-corner对应的硬度值，5'为与材料无关的常数。 数值模拟和典型材料试验本文档来自技高网...

【技术保护点】
本专利技术提出一种提取材料断裂韧度的方法，具体步骤为：　１）采用ｃｕｂｅ－ｃｏｒｎｅｒ压头对材料进行压入试验；　２）从加－卸载曲线（Ｆ－ｈ曲线）中得到卸载功、加载功、最大压头载荷；　３）用显微观测技术测得卸载后样品表面的径向裂纹尺寸；　４）检测试验结果：　ａ卸载后，通过显微观测技术，可在样品表面观测到清晰的径向裂纹；　ｂ加－卸载曲线（Ｆ－ｈ曲线）基本光滑，无明显的突进等不连续特征；　ｃ样品表面无明显的材料剥落；　５）将同时满足４）中检测结果的参数：卸载功Ｗ↓［ｕ］、加载功Ｗ↓［ｔ］、最大压头载荷Ｆ↓［ｍ］、径向裂纹长度ｃ，带入公式：　Ｋ↓［ＩＣ］＝０．０１８（Ｗ↓［ｕ］／Ｗ↓［ｔ］）↑［－１／２］Ｆ↓［ｍ］／ｃ↑［３／２］　计算得到被测材料的断裂韧度Ｋ↓［ＩＣ］。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张泰华，冯义辉，杨荣，姜鹏，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]