本发明专利技术公开了一种仪器化微米压入测试材料杨氏模量的方法，该方法使用仪器化微米压入加载功、卸载功以及名义硬度来测定被测试材料的杨氏模量。与现有技术相比，本发明专利技术的测试方法具有以下优点：１）不需要考虑压头与被压材料间的接触深度和接触面积，避免了现有技术在这方面引入的误差；２）不需要利用卸载曲线的初始卸载斜率，避免了对测试条件和数据处理方式敏感的导数的使用；３）测试原理更加科学；４）测试精度高。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于材料力学性能测试领域。具体涉及一种利用仪器化压入仪和金刚石锥形压头(Berkovich压头、Vickers压头或圆锥压头(圆锥半角为70.3°))在微米测量尺度(压入深度大于1微米)上测量材料杨氏模量的方法。
技术介绍
随着表面改性材料、薄膜材料、MEMS(微电子微机械系统)材料、复合材料、纳米材料等领域的快速发展，表面、界面及微尺度材料的工作可靠性由于面临苛刻工作条件的挑战，越来越引起人们的重视，成为国内外研究的热点。然而受尺寸限制，传统的材料力学性能测试技术及手段已经无法满足上述材料的力学性能测试需要，使得材料微区力学性能的测试成为亟待解决的关键问题。 仪器化压入技术是在传统布氏硬度和维氏硬度试验基础上发展起来的一种微区和非破坏性的新的材料力学性能测试技术，它可以高精度的同步测试和记录各种几何形状的压头压入试样及撤离试样时的载荷与位移数据，从而可以提供比传统硬度试验更多的反映被测试材料力学性能的有用信息，这为材料诸多基本力学性能参数的识别提供了重要的技术手段。1992年美国商用仪器化纳米压入仪的专利技术人W.C.Oliver与Rice大学教授G.M.Pharr共同提出了著名的基于仪器化压入测试技术确定材料杨氏模量的经典方法，即Oliver&Pharr方法。尽管该方法目前已经在各类商用仪器化压入仪中获得广泛使用，但该方法的理论基础是小变形弹性理论，即不考虑被测试材料在压头压入加载时的塑性行为和几何变形，这与真实材料的压入行为明显不符。正是由于忽略了材料物理和几何非线性，使得该方法在应用于低硬化水平的被测材料时，可以导致被测材料的杨氏模量严重偏离其真值。因此精度不高是目前各类商用仪器化压入仪存在的突出问题。 针对上述被测材料的杨氏模量难以精确测量的问题，本专利技术提供一种使用仪器化微米压入技术测试材料杨氏模量的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是提供一种，该方法只需利用压入加载功、卸载功以及名义硬度便可确定被测试材料的杨氏模量。该方法在工业上是可行的且非常有效。 为了实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案 一种，该方法使用仪器化微米压入加载功、卸载功以及名义硬度来测定被测试材料的杨氏模量，具体包括以下步骤 1)利用仪器化压入仪和金刚石锥形压头对被测试材料表面实施压入深度hm不小于1微米的垂直压入，获得被测试材料的载荷-位移曲线； 2)根据被测试材料的载荷-位移曲线计算出名义硬度Hn≡Pm/A(hm)；其中，Pm为最大压入载荷，hm为对应最大压入载荷时的最大压入深度，A(hm)为对应最大压入深度时的压头横截面积，当最大压入深度hm≥3μm时， 而当1μm≤hm≤3μm，A(hm)应该根据压头的面积函数来确定； 3)通过分别积分加载曲线和卸载曲线计算压入加载功Wt、卸载功We，并在此基础上计算出压入比功We/Wt； 4)计算压头及被压材料的联合杨氏模量 并最终确定被测试材料的杨氏模量E＝(1-v2)/[1/Ec-1.32(1-vi2)/Ei]；其中，am(＝1，2，3，4，5，6)为多项式系数，且a1＝0.16716，a2＝-0.13875，a3＝0.06215，a4＝0.01568，a5＝-0.04784，a6＝0.01878；金刚石压头的杨氏模量为Ei＝1141GPa，泊松比为vi＝0.07，被测试材料的泊松比v可根据材料手册确定。 其中，所述金刚石锥形压头为Berkovich压头、Vickers压头或圆锥压头。 其中，圆锥压头的圆锥半角为70.3°。 步骤4)中，如果被被测试材料的泊松比不能由材料手册确定，则对金属材料取v＝0.3，对陶瓷材料取v＝0.2。 与现有技术相比，本专利技术具有以下优点 (1)不需要考虑压头与被压材料间的接触深度和接触面积，避免了现有技术在这方面引入的误差； (2)不需要利用卸载曲线的初始卸载斜率，避免了对测试条件和数据处理方式敏感的导数的使用； (3)测试原理建立在对弹性压头压入弹塑性材料所进行的量纲及弹塑性大变形有限元数值分析基础上，因而更加真实、可靠。 (4)测试精度高。 附图说明 图1是仪器化压入加、卸载曲线及加、卸载功示意图； 图2是对应不同的η和n时的Hn/Er与We/Wt关系图； (a)中η1＝[70/(1-0.32)]/∞； (b)中η2＝[70/(1-0.32)]/[1141/(1-0.072)]； (c)中η3＝[200/(1-0.32)]/[1141/(1-0.072)]； (d)中η4＝[400/(1-0.32)]/[1141/(1-0.072)]。 图3是方程(13)式所代表的4个函数关系的比较图； 图4是方程(15)式所代表的4个函数关系的比较图； 图5是铝单晶5次实验所得载荷-位移曲线(Pm＝25.5mN)； 图6是滚动轴承钢GCr155次实验所得载荷-位移曲线(Pm＝660mN)； 图7是熔融硅5次实验所得载荷-位移曲线(Pm＝460mN)。 具体实施例方式 以下通过结合附图对本专利技术的方法进行详细说明，但这些实施例仅仅是例示的目的，并不旨在对本专利技术的范围进行任何限定。 本申请提出了一种测定材料杨氏模量的方法，即使用仪器化微米压入来测试材料杨氏模量的纯能量方法。该方法只需利用仪器化微米压入加载功。卸载功以及名义硬度便可确定被测试材料的杨氏模量。该方法具体包括以下步骤 (1)利用仪器化压入仪和金刚石锥形压头(Berkovich压头、Vickers压头或圆锥压头(圆锥半角为70.3°))对被测试材料表面实施压入深度大于1微米(hm≥1μm)的垂直压入，获得被测试材料的载荷-位移曲线； (2)根据被测试材料的载荷-位移曲线计算名义硬度Hn≡Pm/A(hm)。其中，Pm为最大压入载荷，hm为对应最大压入载荷时的最大压入深度，A(hm)为对应最大压入深度时的压头横截面积，当最大压入深度hm≥3μm时， 当最大压入深度hm≥3μm时， 而当1μm≤hm≤3μm，A(hm)应该根据压头的面积函数来确定； (3)通过分别积分加载曲线和卸载曲线计算压入加载功Wt、卸载功We，并在此基础上计算压入比功We/Wt； (4)计算压头及被压材料的联合杨氏模量 并最终确定被测试材料的杨氏模量E＝(1-v2)/[1/Ec-1.32(1-vi2)/Ei]。其中，am(m＝1，2，3，4，5，6)为多项式系数，且a1＝0.16716，a2＝-0.13875，a3＝0.06215，a4＝0.01568，a5＝-0.04784，a6＝0.01878；金刚石压头的杨氏模量为Ei＝1141GPa，泊松比为vi＝0.07，被测试材料的泊松比可根据材料手册确定，如果手册不能确定，建议对金属材料取v＝0.3，对陶瓷材料取v＝0.2。 以下详细说明本专利技术的形成过程。定义名义硬度Hn为最大压入载荷Pm与对应最大压入深度hm时压头横截面积A(hm)之比，即，Hn≡Pm/A(hm)，定义压入加载功Wt和卸载功We分别为压头在加载过程和卸载过程中所做的功，其值分别等于加载曲线和卸载曲线与载荷-位移曲线横坐标所围面积，本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种仪器化微米压入测试材料杨氏模量的方法，该方法使用仪器化微米压入加载功、卸载功以及名义硬度来测定被测试材料的杨氏模量，具体包括以下步骤：１）利用仪器化压入仪和金刚石锥形压头对被测试材料表面实施压入深度ｈ↓［ｍ］不小于１微米的垂直压入，获得被测试材料的载荷－位移曲线；２）根据被测试材料的载荷－位移曲线计算出名义硬度Ｈ↓［ｎ］≡Ｐ↓［ｍ］／Ａ（ｈ↓［ｍ］）；其中，Ｐ↓［ｍ］为最大压入载荷，ｈ↓［ｍ］为对应最大压入载荷时的最大压入深度，Ａ（ｈ↓［ｍ］）为对应最大压入深度时的压头横截面积，当最大压入深度ｈ↓［ｍ］≥３μｍ时，Ａ（ｈ↓［ｍ］）＝２４．５ｈ↓［ｍ］↑［２］；而当１μｍ≤ｈ↓［ｍ］≤３μｍ，Ａ（ｈ↓［ｍ］）应该根据压头的面积函数来确定；３）通过分别积分加载曲线和卸载曲线计算压入加载功Ｗ↓［ｔ］、卸载功Ｗ↓［ｅ］，并在此基础上计算出压入比功Ｗ↓［ｅ］／Ｗ↓［ｔ］；４）计算压头及被压材料的联合杨氏模量Ｅ↓［ｃ］＝Ｈ↓［ｎ］／［＊ａ↓［ｍ］（Ｗ↓［ｅ］／Ｗ↓［ｔ］）↑［ｍ］］，并最终确定被测试材料的杨氏模量Ｅ＝（１－ｖ↑［２］）／［１／Ｅ↓［ｃ］－１．３２（１－ｖ↓［ｉ］↑［２］）／Ｅ↓［ｉ］］；其中，ａ↓［ｍ］（ｍ＝１，２，３，４，５，６）为多项式系数，且ａ↓［１］＝０．１６７１６，ａ↓［２］＝－０．１３８７５，ａ↓［３］＝０．０６２１５，ａ↓［４］＝０．０１５６８，ａ↓［５］＝－０．０４７８４，ａ↓［６］＝０．０１８７８；金刚石压头的杨氏模量为Ｅ↓［ｉ］＝１１４１ＧＰａ，泊松比为ｖ↓［ｉ］＝０．０７，被测试材料的泊松比ｖ可根据材料手册确定。...
【技术特征摘要】
1.一种仪器化微米压入测试材料杨氏模量的方法，该方法使用仪器化微米压入加载功、卸载功以及名义硬度来测定被测试材料的杨氏模量，具体包括以下步骤1)利用仪器化压入仪和金刚石锥形压头对被测试材料表面实施压入深度hm不小于1微米的垂直压入，获得被测试材料的载荷-位移曲线；2)根据被测试材料的载荷-位移曲线计算出名义硬度Hn≡Pm/A(hm)；其中，Pm为最大压入载荷，hm为对应最大压入载荷时的最大压入深度，A(hm)为对应最大压入深度时的压头横截面积，当最大压入深度hm≥3μm时，而当1μm≤hm≤3μm，A(hm)应该根据压头的面积函数来确定；3)通过分别积分加载曲线和卸载曲线计算压入加载功Wt、卸载功We，并在此基础上计算出压入比功We/Wt；4)计算压头及被压材料的联合杨氏模量并最终确定...
【专利技术属性】
技术研发人员：马德军，
申请(专利权)人：马德军，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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