石新正 陳偉 馬德軍 孫亮

摘 要：隨著表改性材料、復合材料、納米材料等領域的迅速發(fā)展以及在各種裝備中的廣泛應用，表面、界面以及微尺度材料的可靠性研究成為國內(nèi)外研究的熱點。利用微米壓入技術(shù)測試材料的彈塑性參數(shù)成為材料領域關注的焦點。本文簡單介紹了幾種材料的彈塑性參數(shù)壓入測試方法。

關鍵詞：彈塑性參數(shù);壓入;測試方法

一、儀器化壓入技術(shù)的現(xiàn)狀

材料的使用性能一方面與其工作環(huán)境和工作載荷有關，另一方面也與材料自身的力學性能有關，并且一般而言，材料表層的力學性能與其芯部有著明顯的不同，因而在機械零部件的可靠性設計以及可靠性評估的過程中，必然要正確揭示其表層基本力學性能與機械零部件服役性能之間的關系，顯而易見，傳統(tǒng)的材料力學性能測試方法例如單軸拉伸、壓縮試驗方法不適用于上述材料的測試需要。儀器化壓入技術(shù)作為一種測試材料力學性能的有效工具，自從上世紀五十年代發(fā)展起來，逐步成為評估小尺度材料的力學性能的重要方法，它是在傳統(tǒng)的硬度測試的基礎上發(fā)展演變而來的一種微區(qū)和非破壞性的材料力學性能測試方法，以此實驗和技術(shù)建立的儀器化壓入儀能夠在測試的過程中，連續(xù)高精度地獲取被測材料的載荷-位移之間的數(shù)據(jù)關系，以此構(gòu)建相應的力學模型，測算材料的力學性能參數(shù)。相比較傳統(tǒng)的硬度試驗，儀器化壓入儀能夠提供較多的豐富的參數(shù)信息，這就為分析材料的力學性能奠定基礎，由于儀器化壓入所采用的是間接測試被測材料的力學性能的方法，多數(shù)通過量綱分析和有限元數(shù)值模擬仿真的方法，在近些年的分析研究中，出現(xiàn)了數(shù)種材料力學性能參數(shù)儀器化壓入測試原理以及方法，但也存在著精度及其穩(wěn)定性有待提高的現(xiàn)狀。[1，2]

二、材料彈性模量壓入測試方法

三、材料塑性參數(shù)壓入測試方法

利用儀器化壓入技術(shù)識別材料的塑性參數(shù)，即屈服強度σy和應變硬化指數(shù)n，已經(jīng)成為人們研究的熱點和重點。目前，材料塑性參數(shù)壓入識別方法從原理上主要可分為“間接法”和“直接法”?！伴g接法”利用了冪硬化材料的代表性應變εr和代表性應力σr的概念，建立了代表性應變εr和代表性應力σr與儀器化壓入響應間的無量綱函數(shù)關系，測試時，首先獲得對應于雙或多個壓頭的兩組或多組被測材料的代表性應變εr和代表性應力σr坐標點，然后利用這些坐標點進行擬合，從而求出塑性參數(shù)，但是這種方法測試過程繁瑣，精度較低，這里不再過多介紹?！爸苯臃ā睙o需借助冪硬化材料的代表性應變εr和代表性應力σr，而是直接建立被測材料的屈服強度σy和應變硬化指數(shù)n等塑性參數(shù)與儀器化壓入響應間的無量綱函數(shù)關系，測試時直接測得被測材料的屈服強度σy和應變硬化指數(shù)n。與“間接法”相比，“直接法”無需求取代表性應變εr和代表性應力σr坐標點，也不必擬合被測材料的冪硬化曲線，因而精度較高，直接法中方法較多，這里介紹其中的兩種。[2]

郭俊宏等人提出基于We/Wm-σy/Hn關系的材料塑性參數(shù)儀器化壓入識別方法，利用Vickers壓頭和大角度四棱錐壓頭可以得到σy=f70.3（n）和σy=f86.45（n），并求解該方程組，可得被測材料的屈服應力σy和應變硬化指數(shù)n等塑性參數(shù)。

陳偉基于量綱分析和有限元數(shù)值仿真，建立了Berkovich/Vickers壓痕中邊距與名義中邊距之比d/dn、名義硬度Hn、壓入比功We/Wt與材料彈塑性參數(shù)之間的無量綱函數(shù)關系，以此為基礎建立了聯(lián)合壓痕的材料彈塑性參數(shù)儀器化Berkovich/Vickers壓入識別方法。該方法僅利用單一Berkovich/Vickers壓頭儀器化壓入被測材料所得載荷-位移曲線及Berkovich/Vickers壓痕即可識別被測材料的屈服應力σy和應變硬化指數(shù)n等塑性參數(shù)。[3，4]

參考文獻：

[1]陳偉，馬德軍，宋仲康，等.彈性模量儀器化壓入測試方法比較分析[J].機械工程師， 2010（10）：7-9.

[2]張?zhí)┤A.微/納米力學測試技術(shù)[M].科學出版社，2013.

[3]馬德軍，陳偉，宋仲康，等.金屬材料塑性參數(shù)儀器化壓入識別方法[J].中國有色金屬學報， 2014（4）.

[4]陳偉，馬德軍，郭俊宏，等.基于Berkovich壓痕的金屬材料彈塑性參數(shù)儀器化壓入識別方法[J].中國有色金屬學報，2015（6）：1512-1524.