李得彬, 王先鋒

(上海麒濟檢測科技有限公司, 上海 201805)

試驗與研究

儀器化壓痕技術(shù)測試拉伸性能的重復(fù)性和準確性

李得彬, 王先鋒

(上海麒濟檢測科技有限公司, 上海 201805)

采用新型便攜式壓痕儀和傳統(tǒng)萬能拉伸試驗機兩種測試儀器，對相同種類和尺寸的碳鋼試塊進行了拉伸性能測試，測試試塊的屈服強度和抗拉強度，以驗證儀器化壓痕試驗結(jié)果的重復(fù)性和準確性。結(jié)果表明：儀器化壓痕技術(shù)測試屈服強度和抗拉強度的重復(fù)性較好，準確性較高；不同于現(xiàn)有的破壞性測試設(shè)備和評估方法，壓痕系統(tǒng)使用無損害、經(jīng)濟和高效的儀器化壓痕測試方法，可以通過評估從局部區(qū)域的納米尺度到現(xiàn)有工業(yè)設(shè)施的宏觀屬性來提供可靠的解決方案。

儀器化壓痕測試技術(shù)；重復(fù)性；準確性；屈服強度；抗拉強度

眾所周知，材料性能中的力學(xué)性能如抗拉強度、屈服強度、彈性模量、殘余應(yīng)力、斷裂韌度等，都是通過破壞性檢測方式得到的。只有硬度測試不破壞材料，通過在材料的表面產(chǎn)生一個壓痕便可得出硬度數(shù)據(jù)，材料的硬度(或壓痕)反映了材料的某些強度信息。

2002年，韓國制定了KSB 0950: 2002《壓痕法測試拉伸性能》[1]，2005年制定了KSB 0951: 2005《壓痕法測試殘余應(yīng)力》[2]。2006年，韓國電力制定了KEPIC-MDFA370 CODE: 2006《壓痕法測試拉伸性能和殘余應(yīng)力》[3]。2008年，國際標準化組織發(fā)表了ISO/TR 29381: 2008技術(shù)報告，論述了采用壓痕法測試拉伸性能和殘余應(yīng)力等力學(xué)性能的方法[4]。2011年，上海寶鋼李和平等發(fā)表了《儀器化壓痕技術(shù)的發(fā)展和面臨的問題》[5]。2013年4月，AIS壓痕儀首次在中國北京展示。2015年，華東理工大學(xué)魏中坤發(fā)表碩士論文《連續(xù)球壓痕法測試材料J_(0.05)的研究》[6]。2015年8月，“中國力學(xué)大會——2015”在上海舉辦，JEON等發(fā)表了《適合材料力學(xué)性能評價的儀器化壓痕法的應(yīng)用》[7]。2015年8月，“中國電機工程學(xué)會金屬材料專委會第一屆學(xué)術(shù)年會”在太原舉辦，蔣云等發(fā)表了《壓痕技術(shù)在電站設(shè)備材料力學(xué)性能檢測中的研究和應(yīng)用》[8]。2016年，華東理工大學(xué)伍聲寶發(fā)表博士論文《連續(xù)球壓痕法表征金屬材料拉伸性能的研究》[9]。這些標準和研究成果都表明，與傳統(tǒng)破壞性試驗方法相比，儀器化壓痕測試技術(shù)值得持續(xù)性研究，以便取得進一步的研究成果。

儀器化壓痕測試技術(shù)是通過對材料表面多次施壓，提取各種與強度有關(guān)的信息，建立多個數(shù)學(xué)模型，再通過軟件進行計算，就能在不破壞材料的前提下測定抗拉強度、屈服強度、彈性模量、殘余應(yīng)力、斷裂韌度等力學(xué)性能參數(shù)，從而實現(xiàn)材料力學(xué)性能的無損測試。這使無損檢測技術(shù)又多了一個分支，而這個分支對產(chǎn)品的制造質(zhì)量、在役檢測、安全保障有著非常重要的作用。筆者詳細介紹了儀器化壓痕測試技術(shù)，并進行了一系列對比試驗，以論證其在無損檢測材料拉伸性能方面的重復(fù)可靠性和對比準確性。

1 儀器化壓痕測試技術(shù)

幾個世紀以來，材料力學(xué)性能的研究是基于胡克定律(Hooke’s Law)和楊氏模量(Young’s Modulus)，以及一系列試驗數(shù)據(jù)歸納和在一定假設(shè)條件下的理論推導(dǎo)，得到了經(jīng)典應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖1所示，方程如下

(1)

式中：σ為應(yīng)力；Eε為應(yīng)變量ε對應(yīng)的彈性模量；E為楊氏彈性模量；ε為應(yīng)變；(σy,εy)為屈服點坐標；εp為εy積累應(yīng)變的非線性變量。

圖1 經(jīng)典應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 Classical stress-strain curve

20世紀時，研究人員已經(jīng)在研究利用壓痕法測試拉伸性能方面取得扎實的成果，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)歸納和在一定假設(shè)條件下的理論推導(dǎo)，得到了應(yīng)變-應(yīng)力曲線和應(yīng)變-工程應(yīng)力曲線，如圖2所示。圖2中的虛線表示拉伸試驗得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，實線是根據(jù)硬度試驗的數(shù)據(jù)點描繪的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。通過與拉伸試驗結(jié)果對比確定材料常數(shù)后，可根據(jù)這些曲線計算得到拉伸性能指標。

圖2 壓痕法得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves obtained by the indentation method

現(xiàn)在采用儀器化壓痕測試，易于測量的不再是壓痕直徑而是壓痕深度。采用壓痕深度推算應(yīng)變，就可以根據(jù)儀器化壓痕數(shù)據(jù)推算得到連續(xù)的應(yīng)變-應(yīng)力曲線和應(yīng)變-工程應(yīng)力曲線。根據(jù)新型壓痕技術(shù)測量過程中采集的實際載荷-壓痕深度曲線(圖3)，建立了根據(jù)加載條件下的壓痕深度推算塑性壓痕深度的方法，采用下式計算塑性壓痕深度

(2)

式中：hp為塑性壓痕深度；ht為加載條件下總壓痕深度；F為載荷；k為卸載曲線段直線部分的斜率；A為修正曲線末端彎曲的修正系數(shù)。

圖3 新型壓痕技術(shù)得到的載荷-深度曲線Fig.3 Load-depth curves obtained by new indentation technique

2 對比試驗

2.1 試驗設(shè)備及材料

壓痕儀主機如圖4所示，可以通過交換器連接電源，也可以使用蓄電器。顯示器及按鈕可以進行簡單的人機互動，底座起到組裝連接及保護針頭的作用。

圖4 壓痕儀示意圖Fig.4 Schematic diagram of the indentation detector

圖5 試驗平臺示意圖Fig.5 Schematic diagram of the test platform

試驗平臺如圖5所示，要求保證水平，可通過水平儀、平臺的四角進行螺旋調(diào)整。平臺上的墊高磁性塊要求輕壓推放，保證放平不滑動。

由某知名材料研究院準備2組試驗試塊，默認試塊材料組織均勻一致。試塊1先進行新型壓痕試驗，后進行傳統(tǒng)拉伸試驗；試塊2先進行傳統(tǒng)拉伸試驗，后進行新型壓痕試驗。如果試塊與平臺的接觸面不符合要求，可以制作專用夾具或工裝。

2.2 試驗方法

壓痕儀的壓頭型號為K05252或K05107(適用于拉伸性能檢測，僅針頭直徑參數(shù)不同)，壓入深度默認為150 μm。壓痕儀測試狀態(tài)如圖6所示。

圖6 壓痕儀測試狀態(tài)Fig.6 Test status of the indentation detector

測試軟件如圖7所示。測試項目有殘余應(yīng)力(RS)、拉伸性能(TS)、硬度(HV)和斷裂韌度(FT)，該次試驗選擇拉伸性能試驗(TS)。功能選項有試驗功能(Test)、數(shù)據(jù)分析功能(Analysis)、數(shù)據(jù)庫功能(DB)和報告功能(Report)。

圖7 軟件的操作界面Fig.7 Software operation interface

測試步驟如下：①選擇壓頭位移 (Indenter Move)，首次試驗用手動模式(Manual)，多次試驗用自動模式(Specific)；②位移微調(diào)(Engage)；③測試開始(Test Start)，軟件自動運行繪制“壓力-深度”曲線；④測試結(jié)束(Test End)；⑤壓頭上移，移至安全距離(Indenter Move up)。

2.3 參數(shù)設(shè)置

(1) 若需更換壓頭，先打開文件C:/Database/PatternDepthFile，更改壓頭參數(shù)并保存。

(2) 若需更改壓入深度，比如材料的屈服強度超過1 000 MPa，建議壓頭壓入深度由150 μm改成100 μm，以保護壓頭及儀器。

(3) 若試驗材料的屈服比為0.5～0.7，選用“Type 1”；若試驗材料為不銹鋼，選用“Type 2”；若試驗材料的屈服比為0.8～0.9，選用“Type 3”；若試驗材料為API無縫鋼管，選用“Type 4”。

圖8 試塊1壓痕測點示意圖Fig.8 Schematic drawing of indentation testing points of test block 1

2.4 結(jié)果分析及對比

2.4.1 試驗一

分別在試塊1的A面和B面各取10點，先進行新型壓痕試驗，見圖8，試驗結(jié)果如表1和圖9所示。表1中試塊1同一條直線上每點的屈服強度和抗拉強度存在一定的差異，因此取其平均值。

然后，將試塊1進行傳統(tǒng)拉伸試驗，得到屈服強度和抗拉強度分別為620 MPa和740 MPa，與新型壓痕試驗的結(jié)果進行對比，屈服強度的偏差為6.36%，抗拉強度的偏差為1.81%，如表2所示，可見由壓痕試驗得到的力學(xué)性能指標重復(fù)性較好，準確性較高。

表1 試塊1的壓痕試驗結(jié)果

圖9 壓痕試驗得到的試塊1的載荷-深度曲線Fig.9 Load-depth curves of test block 1 obtained by the indentation test: a) surface A; b) surface B

項目傳統(tǒng)拉伸試驗結(jié)果新型壓痕試驗結(jié)果偏差屈服強度620MPa580.54MPa6.36%抗拉強度740MPa726.62MPa1.81%

2.4.2 試驗二

試塊2先進行傳統(tǒng)拉伸試驗，得到屈服強度和抗拉強度分別為400 MPa和850 MPa。然后進行新型壓痕試驗，測點位置如圖10所示，試驗結(jié)果見表3和圖11。兩種試驗方法得到的結(jié)果對比如表4所示，屈服強度的偏差為5.56%，抗拉強度的偏差為1.50%，可見由壓痕試驗得到的力學(xué)性能指標重復(fù)性較好，準確性較高。

圖10 試塊2壓痕測點示意圖Fig.10 Schematic drawing of indentation testing points of test block 2

測點屈服強度/MPa抗拉強度/MPa1390.7830.92394.4871.83401.1905.14379.4788.75370.4789.6平均值387.20837.22

圖11 壓痕試驗得到的試塊2的載荷-深度曲線Fig.11 Load-depth curves of test block 2 obtained by the indentation test

項目傳統(tǒng)拉伸試驗結(jié)果新型壓痕試驗結(jié)果偏差屈服強度410MPa387.20MPa5.56%抗拉強度850MPa837.22MPa1.50%

3 分析與討論

壓痕技術(shù)測試材料力學(xué)性能(抗拉強度、屈服強度)的原理與硬度檢測(壓痕法)的不同，前者是測試載荷與壓痕深度的非線性關(guān)系，后者是測量壓痕直徑。

傳統(tǒng)試驗結(jié)果表明，通過硬度測試可以得到抗拉強度(無法得到屈服強度)，詳見GB/T 1172-1999《黑色金屬硬度及強度換算表》[10]；新型壓痕試驗結(jié)果表明，通過壓痕法可以同時得到抗拉強度和屈服強度，且試驗結(jié)果的重復(fù)性較好，準確性較高。

在儀器化壓痕測試中，壓痕儀的配置與試塊是否匹配非常關(guān)鍵。該次試驗壓痕儀使用的壓入力為980 N(100 kgf)，測試材料的強度最好不要超過1 000 MPa，以免損傷壓頭及儀器。如果材料強度較高，均超過1 200 MPa，屈服比也偏高(0.8～0.9)，可能會導(dǎo)致試驗數(shù)據(jù)失效。因此試驗前需要對試塊本身的屬性和壓痕儀的參數(shù)設(shè)置有大概的了解，先確定好測試參數(shù)的范圍。

建議將對比試驗數(shù)據(jù)報告及時記錄并存檔，形成試驗數(shù)據(jù)庫，下次分析時可參考已存檔的試驗數(shù)據(jù)進行測試參數(shù)設(shè)置。

4 結(jié)束語

新型壓痕技術(shù)不僅能在非破壞狀態(tài)下測定材料的抗拉強度、屈服強度、殘余應(yīng)力、硬度等力學(xué)性能，還能評估設(shè)備或工件的疲勞老化性能和壽命等，可廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)、驗收、安全可靠性評估等方面。而且，自動壓痕測試系統(tǒng)可提供快速精準的解決方法，來評估材料、零部件、系統(tǒng)和工業(yè)結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性。

不同于現(xiàn)有的破壞性測試設(shè)備和評估方法，新型壓痕技術(shù)使用無損害、經(jīng)濟、高效的儀器化壓痕測試方法，通過評估從局部區(qū)域的納米尺度到現(xiàn)有工業(yè)設(shè)施的宏觀屬性，來提供可靠的解決方案。

新型壓痕技術(shù)具有方便、迅速、重復(fù)性好、準確性高等優(yōu)點，值得進一步深入研究以實現(xiàn)該技術(shù)的普及和對傳統(tǒng)技術(shù)的替代。

[1] KSB 0950: 2002 壓痕法測試拉伸性能[S].

[2] KSB 0951: 2005 壓痕法測試殘余應(yīng)力[S].

[3] KEPIC-MDFA370 CODE: 2006 壓痕法測試拉伸性能和殘余應(yīng)力[S].

[4] ISO/TR 29381: 2008 Metallic materials—Measurement of mechanical properties by an instrumented indentation test—Indentation tensile properties[S].

[5] 李和平,楊曉晨,李穎,等.儀器化壓痕技術(shù)的發(fā)展和面臨的問題[J].工程與試驗,2011,51(z1): 3-6.

[6] 魏中坤.連續(xù)球壓痕法測試材料J_(0.05)的研究[D].上海:華東理工大學(xué),2015.

[7] JEON S W，KIM J H, KWON O,etal. 適合材料力學(xué)性能評價的儀器化壓痕法的應(yīng)用[C]//中國力學(xué)大會2015論文集.上海：中國力學(xué)學(xué)會，2015.

[8] 蔣云,孫延松,許學(xué)龍,等.壓痕法技術(shù)在電站設(shè)備材料力學(xué)性能檢測中的研究和應(yīng)用[C]//中國電機工程學(xué)會金屬材料專委會第一屆學(xué)術(shù)年會論文集.西安：中國電機工程學(xué)會金屬材料專委會，2015：6-11.

[9] 伍聲寶.連續(xù)球壓痕法表征金屬材料拉伸性能的研究[D].上海:華東理工大學(xué),2016.

[10] GB/T 1172-1999 黑色金屬硬度及強度換算表[S].

Repeatability and Accuracy of Tensile Property Measured by Instrumented Indentation Technique

LI Debin, WANG Xianfeng

(Shanghai Qiji Inspection Technology Co., Ltd., Shanghai 201805, China)

The tensile property property tests were carried out on the carbon steel blocks of the same type and dimension by both new type of portable hardness tester and the traditional universal tensile machine. The yield strength and tensile strength of test blocks were tested to verify the repeatability and accuracy of the test results. The results show that: the test results of yield strength and tensile strength obtained by the instrumented indentation technique had good repeatability and high accuracy; different from the existing destructive measurement equipment and evaluation methods, the non-destructive, economical and efficient instrumented indentation testing method was used in indentation system; the reliable solutions could be provided through assessing from nanoscale size in local region to macroscopic properties of industrial facilities.

instrumented indentation technique; repeatability; accuracy; yield strength; tensile strength

10.11973/lhjy-wl201707008

2016-08-01

李得彬(1984-)，男，工學(xué)碩士，主要從事無損檢測方面的研究，lideb2007@163.com

TG115.5

A

1001-4012(2017)07-0491-05