基于剥层法测量梯度纳米材料圆棒试样深度方向应力应变关系的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于剥层法测量梯度纳米材料圆棒试样深度方向应力应变关系的方法，包括：把梯度纳米结构圆棒试样抽象为同心圆柱形层合板，梯度部分划分为N层号；按照编号顺序分别对梯度纳米结构圆棒试样进行不同程度的电解剥层；对剥层后试样进行拉伸试验，获取剥不同层数试样的应变

【技术实现步骤摘要】
基于剥层法测量梯度纳米材料圆棒试样深度方向应力应变关系的方法


[0001]本专利技术属于材料力学行为领域，尤其是涉及一种基于剥层法测量梯度纳米材料圆棒试样深度方向应力应变关系的方法。

技术介绍

[0002]梯度纳米材料，是指材料的结构单元尺寸在空间上呈梯度变化，其特殊的架构表现出优异的力学性能，在大幅提升材料强度的同时，保留较好的材料塑性，目前已在多种纯金属(如Cu，Fe，Ni，Ti)和合金(如不锈钢，钛合金，镍基合金)上实现。在工程应用方面，上海宝钢研究所利用超声机械研磨表面纳米化技术，对冷轧拉矫辊表面进行处理，在不改变材质的前提下大幅度提高了轧辊的耐磨性，使用寿命从原来的2
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3天增至6
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9天，这项技术已在宝钢公司量产。另外，在航空及核电领域，材料的性能要求较高，梯度纳米材料具有广泛的应用前景。以316L材料为例，316L奥氏体不锈钢作为核工程结构材料，广泛应用于压水堆主回路管道和堆内支撑板、压力容器堆焊层等核电设备的关键部件。316L奥氏体不锈钢的强度和硬度较低，抗疲劳和耐磨损性能较差。由于设备的启动/停止、流致振动、循环热应力等原因，这些关键部件长期经受交变载荷作用，存在疲劳失效的风险。疲劳裂纹通常萌生于部件表面，因而可通过表面强化来增强抗疲劳性能。表面机械处理可以把表层材料加工成梯度纳米结构，并引入残余压应力，从而显著提高原材料的高周和低周疲劳性能。然而提升材料力学性能的同时，其特殊的架构使得材料深度方向应力应变关系的研究变得十分复杂，梯度纳米结构梯度层内含有力学性能互不相同的多种特征结构单元，在深度方向非均匀分布。也就是说，特征结构单元不满足统计意义上的均匀分布，因此应将梯度层材料视为力学性能不均匀的非均质材料。为了充分发挥梯度纳米材料的潜力，掌握梯度纳米材料沿深度方向应力应变关系分布情况是不可或缺的，目前存在两类测量方式，其一为通过仪器化微/纳米压入实验可测量材料的强度，沿深度方向测量硬度后再利用经验公式建立硬度与流动应力的联系，该方法无法获得详细、准确的应力应变曲线，也无法测出材料的塑性。另一种为利用聚焦离子束(FIB)制备微米尺度的压柱试样，该方法可以单独获得不同深度的材料，将获得的材料进行拉伸试验得到不同深度的应力应变关系。但是由于尺寸效应，微压柱实验得到的应力应变曲线通常高于宏观试样。此外，通过机加工制备纳米晶/超细晶小试样拉伸过程中在很小应变(～5％)时因应变局域化而颈缩，导致无法获得材料的本征塑性。基于上述情况，本文拟提出一种基于剥层法测量梯度纳米材料圆棒试样深度方向应力应变关系的方法，能够近乎完整(除颈缩后的所有拉伸阶段)且准确呈现梯度纳米材料拉伸过程中各深度单元的应力应变响应。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于剥层法测量梯度纳米材料圆棒试样深度方向应力应变关系的方法，旨在获得梯度纳米材料在拉伸过程中各深度单元
的应力应变响应，为研究梯度纳米材料强大协同效应提供理论依据并为制备优异的梯度纳米材料提供理论指导。
[0004]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：基于剥层法测量梯度纳米材料圆棒试样深度方向应力应变关系的方法，包括以下步骤：
[0005]S1：把梯度纳米结构圆棒试样抽象为同心圆柱形层合板，梯度部分划分为N层，按照相同工况加工厚度一致的N+1根梯度纳米结构试样，并按照直径尺寸由小到大按顺序编号；
[0006]S2：按照编号顺序分别对梯度纳米结构圆棒试样进行不同程度的电解剥层，试样编号越大，剥层数量越多，剥层数量范围为0
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N层，得到剥层后试样；
[0007]S3：对剥层后试样进行拉伸试验，获取剥不同层数试样的应变
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拉伸力数据；
[0008]S4：将剥不同层数试样的应变
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拉伸力数据进行平滑及插值处理，获取相同应变时剥不同层数试样对应的拉伸力；
[0009]S5：通过步骤S4获取的相同应变时剥不同层数试样对应的拉伸力，将剥层数相差为1的试样之间进行拉伸力数据求差，得到相差层的应变
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拉伸力数据，再除以相差层的面积，获得相差层的应力应变关系，求解出粗晶层及N层梯度层的应力应变关系；
[0010]S6：根据计算所得深度方向各层梯度层在拉伸过程中的应力应变响应，掌握当前工艺制备的梯度纳米结构组成情况，通过对比多组不同工艺参数，分析各工艺参数对梯度结构组成的影响，为优化制备梯度纳米结构的工艺参数提供理论指导，并进一步为精确调控梯度纳米结构性能从而制备满足应用场景的梯度纳米材料提供理论支持。
[0011]步骤S1中，同心圆柱形层合板包括同心柱以及包裹在所述同心柱外的梯度部分，所述梯度部分包括N个依次叠加的环形板。
[0012]步骤S2中，试样编号越大，剥层数量越多，剥层数量范围为0
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N层，得到剥层后试样，具体包括：试样编号1的试样为未剥层试样，试样编号2的试样为剥1层梯度层试样，试样编号i的试样为剥i
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1层梯度层试样，试样编号N+1的试样为剥N层梯度层试样。剥N层梯度层试样为粗晶层试样。
[0013]步骤S5中，将剥层数相差为1的试样之间进行拉伸力数据求差，得到相差层的应变
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拉伸力数据，具体包括：
[0014]F
N
‑
i
(ε)＝F
i
(ε)
‑
F
i+1
(ε)
[0015]其中，F
i
代表第i层材料在拉伸过程中承担的拉伸力，F
i
‑1及F
i
分别代表剥去i
‑
1及i层材料后梯度纳米结构在拉伸过程中承担的拉伸力，ε代表应变。步骤S5中，除以相差层的面积，获得相差层的应力应变关系，具体包括：
[0016]σ
i
(ε)＝F
i
(ε)/S
i
[0017]其中，σ
i
代表第i层材料拉伸过程的应力值，S
i
代表第i层材料的横截面积。
[0018]进一步优选，一种基于剥层法测量梯度纳米材料圆棒试样深度方向应力应变关系的方法，包括以下步骤：
[0019]S1：把梯度纳米结构圆棒试样抽象为同心圆柱形层合板，梯度部分划分为N层，每层板有相同的、均匀分布的宏观力学性能，按照相同工况加工N+1根梯度纳米结构试样，并按照直径尺寸由小到大按顺序编号；
[0020]S2：按照编号顺序分别对试样进行不同程度的电解剥层，试样编号越大，剥层数量
越多，剥层数量范围为0
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N层；
[0021]S3：对剥层后试样进行拉伸试验，获取剥不同层数试样的应变
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拉伸力数据；
[0022]S4：将剥不同层数试样的应变
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拉伸力数据进行平滑及插值处理，获取相同应变时剥不同层数试样对应的拉伸力；<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于剥层法测量梯度纳米材料圆棒试样深度方向应力应变关系的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：把梯度纳米结构圆棒试样抽象为同心圆柱形层合板，梯度部分划分为N层，按照相同工况加工厚度一致的N+1根梯度纳米结构试样，并按照直径尺寸由小到大按顺序编号；S2：按照编号顺序分别对梯度纳米结构圆棒试样进行不同程度的电解剥层，试样编号越大，剥层数量越多，剥层数量范围为0
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N层，得到剥层后试样；S3：对剥层后试样进行拉伸试验，获取剥不同层数试样的应变
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拉伸力数据；S4：将剥不同层数试样的应变
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拉伸力数据进行平滑及插值处理，获取相同应变时剥不同层数试样对应的拉伸力；S5：通过步骤S4获取的相同应变时剥不同层数试样对应的拉伸力，将剥层数相差为1的试样之间进行拉伸力数据求差，得到相差层的应变
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拉伸力数据，再除以相差层的面积，获得相差层的应力应变关系，求解出粗晶层及N层梯度层的应力应变关系；S6：根据步骤S5的粗晶层及N层梯度层的应力应变关系调整梯度纳米结构圆棒的制备参数。2.根据权利要求1所述的基于剥层法测量梯度纳米材料圆棒试样深度方向应力应变关系的方法，其特征在于，步骤S1中，同心圆柱形层合板包括同心柱以及包裹在所述同心柱外的梯度部分，所述梯度部分包括N个依次叠加的环形板。3.根据权利要求1所述的基于剥层法测量梯度纳米材料圆棒试样深度方向应力应变关系的方法，其特征在于，步骤S2中，试样编号越大，剥层数量越多，剥层数量范围为0
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N层...

【专利技术属性】
技术研发人员：王效贵，谢宇宸，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：