CN104483211A - 基于纳米压痕稳态过程的幂定律蠕变应力指数测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于纳米压痕稳态过程的幂定律蠕变应力指数测量方法，其属于测量技术领域。传统的运用纳米压痕实验测量材料的蠕变参数过程中其蠕变过程无法达到一个稳定的状态，在对应力指数进行计算的过程中需要对孤立点进行曲线拟合并对拟合后的曲线进行求导等复杂的计算步骤，该过程在增加工作量的同时会引入较大的计算误差，最终导致实验的精度无法得到保证。本发明提供一种施加于Berkovich压头的加载率与压头受到的瞬时载荷的比值始终为一恒定值的加载方法，可以得到压痕蠕变的稳定状态，该状态下材料的硬度和压痕应变率达到一恒定值，此时无需对孤立点进行拟合以及求导的操作，只需将其恒定值带入公式进行计算即可，在减小工作量的同时进一步提高了测量精度。

Description

基于纳米压痕稳态过程的幂定律蠕变应力指数测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于纳米压痕稳态过程的幂定律蠕变应力指数测量方法，其属于测量技术领域。

背景技术

蠕变（creep），也称潜变，是指固体材料在应力作用下发生缓慢永久性的移动或者变形的现象。该现象的发生是低于材料屈服强度的应力长时间作用的结果。当材料长时间处于加热当中或者在熔点附近时，蠕变现象会更加剧烈。蠕变现象的研究与工业技术的发展是密切相关的，特别是在精度以及安全性要求较高的场合，材料的蠕变现象更是必须要考虑的因素。

传统的蠕变研究方法为采用单轴拉伸法观察零件的应变随时间的变化，该方法的缺点很明显，在常温下由于材料的蠕变现象并不明显，因此该方法在常温下较难确定材料的蠕变应力指数，同时该方法会消耗大量试件，其过程所需的时间过长，自动化程度低，因此在该领域急需出现一种全新的测试方法。随着纳米压痕技术的不断进步，纳米压痕法在蠕变测试过程中的应用越来越广泛。纳米压痕法是一种非破坏性的方法，该方法将测试周期由传统拉伸法所需的数周甚至数月的时间缩短为仅仅数分钟至数小时的时间，其所需的测试试件制备简单，测量精度较高，特别是对微小结构材料具有很强的适应性。

由于材料内的流变应力取决于材料的应变率和温度，因此在压痕实验过程中会导致材料的硬度会相应地 产生变化，这种现象导致了目前有不少学者在对硬度随时间和温度的变化而产生的变化进行相应的补偿方面做了大量的研究。

目前已有针对压痕应变率和硬度方面的关系的研究方式主要有四种：（1）压痕载荷松弛法，（2）横加载速率法，（3）横载荷压痕蠕变法，（4）压入蠕变法。该四种方法都在硬度和流动强度、以及单轴应变率以及压痕应变率的关系上做了相应的分析。

在压痕实验中，材料所发生的变形与传统的单轴拉伸实验中材料所发生的变形有很大的区别。压痕实验中，压头下端材料所发生的变形最大，离压头越远，材料所发生的变形量越小，由于压头下材料的弹塑性边界与压痕边界存在固定的关系，因此瞬时的接触面积的变化与瞬时接触面积的比值                                                就成了定义压痕蠕变应变率的最合适的量，对于具有几何相似性的压头，其压入深度的变化率与压入深度之比存在简单的相关性，因此目前大部分研究者将定义为压痕应变率。

压痕载荷松弛法通过将十字形的压头压入材料的表面，当达到固定的载荷或者位移时，压头的位置被固定。由于蠕变的变化，材料的内部的部分弹性应变会逐渐转变为塑性应变，因此最终导致了压痕仪检测到的压头所受到的力逐渐减小。

恒加载速率法作为一种混合压痕测试法，其主要通过测量压头的压入深度随时间的变化来计算材料蠕变应力指数。在恒加载速率法测试中，通过给压头施加恒定的加载速率，使得其载荷达到预定值。完整的恒加载速率法包括给压头施加的一系列的加载速率以及相应的载荷、压入深度和相应的材料的硬度的计算。最终材料的蠕变应力指数通过公式得到。不过该方法最重要的问题就在于在给压头施加载荷的过程中，其压痕应变率始终处于不断变化的状态中，无法达到一个稳定的状态。

Pollock等人首先提出了横载荷压痕蠕变法，后期Mayo等人对该方法做了进一步的改进。该方法主要通过给压头以较高的加载速速率使得载荷达到指定值，并对压头进行相应的保载，观察压头压入深度随时间的变化。在保载阶段，当压头的压入深度逐渐增加时，压头与材料的接触面积也相应增大，因此材料的硬度也会随着时间的变化而相应地减小。

同样对于压入蠕变法，材料的硬度和应变率也无法达到一个稳定的状态。

目前所有的采用尖头压头的压痕法测量材料的幂定律蠕变应力指数时，当材料的硬度降低时，促进材料发生蠕变的材料所受到的应力也会相应降低，因此最终无法得到一个较为稳定的过程，上述的所有压痕法都存在该问题。不过目前已有的解决该问题的方法通过使用圆柱形平头压头替代尖头压头，该方法的缺点为材料发生变形的部分的体积取决于圆柱压头的半径，为了限制材料发生变形部分的深度，必须使用半径较小的圆柱压头，但是当圆柱压头半径较小时会引入一个新问题，即接触面积的计算会引入较大误差，最终限制了该方法的实用性。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种基于纳米压痕稳态过程的幂定律蠕变应力指数测量方法，本发明采用如下技术方案：使得施加于Berkovich压头的载荷加载率与压头所受到的瞬时载荷的比值始终为一恒定值，即满足=constant。

本发明在采用该加载方式后期其压痕蠕变会达到一个较为稳定的状态，使得在该稳定状态下，材料的硬度以及材料的压痕应变率始终为恒定值，且其压痕应变率与载荷加载率以及瞬时载荷的关系为:。

本发明为了减小表面效应对实验结果的影响以提高测量精度，在计算材料的蠕变应力指数时所运用的数据都是压头在压入材料内部2微米以下时所得到的数据。

本发明具有如下有益效果：在利用公式计算材料的蠕变应力指数时由于该方法所得到的材料的压痕应变率和硬度都是恒定值，因此不需要对曲线进行拟合以及对拟合得到的曲线进行求导等复杂的步骤，并且能避免对孤立点进行拟合以及曲线求导的过程中所引起的不必要的误差，该方法的测量过程的便利程度以及测量精度上与传统的方法相比都有相当的优势。

附图说明：

图1为本发明运用基于纳米压痕稳态过程的幂定律蠕变应力指数测量方法流程示意图。

具体实施方式：

下面将结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。

首先将被测材料的表面用砂纸抛光，用粒度由粗到细的砂纸对被测材料的表面进行逐级抛光后再用金刚石研磨膏在抛光机上对其做进一步的研磨抛光，使得其最终的表面粗糙度达到纳米级别。

通过给Berkovich压头施加载荷，使得其压入被测材料表面内。通过纳米压痕仪控制施加给压头的载荷变化率，使得载荷变化率与载荷的比值为一定值，即=constant。

在压痕实验过程中，材料的硬度通过公式计算，其中为给压头所施加的载荷，为压头压入部分的投影面积，为压头的压入深度，由于Berkovich压头形状的几何相似性，其压入部分的投影面积与压入深度存在固定的关系，即，对于一个完美的Berkovich压头而言，其值为24.56。

对于压痕实验而言，其与单轴拉伸实验有较大的区别，压头底部的材料所受到的应力和应变状态较为复杂，其并没有一个统一的应力和应变值，在压痕实验中往往将压头压入深度位移的变化率与压入深度的比作为压痕应变率，其表达式为，通过进一步计算其与硬度的关系可以得到。

当压痕达到一个稳定状态时，材料的硬度值将会成为一定值，因此其硬度变化率为0，此时压痕应变率可以进一步表达为，由于在加载阶段为以恒定值，于是边可以得到压痕应变率同样为一恒定值,最终通过公式计算得材料的幂定律蠕变应力指数。

同时为了消除表面效应对实验结果的影响，计算材料的幂定律蠕变应力指数所取实验数据都是在压头压入材料表面2微米以下时得到。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于纳米压痕稳态过程的幂定律蠕变应力指数测量方法，其特征在于给Berkovich压头施加载荷时其瞬时加载率与压头受到的瞬时载荷比值为一定值。

2.如权利要求1所述的一种基于纳米压痕稳态过程的幂定律蠕变应力指数测量方法，其特征在于：在采用如权利要求1所述的加载方式后期，会使得压痕蠕变达到一个稳定的状态，在该稳定状态下材料的硬度值及其压痕应变率达到一个恒定值。

3.如权利要求1所述的一种基于纳米压痕稳态过程的幂定律蠕变应力指数测量方法，其特征在于：在压痕达到稳定状态后其压痕应变率与载荷加载率以及瞬时载荷的关系为:                                                。

4.如权利要求1所述的一种基于纳米压痕稳态过程的幂定律蠕变应力指数测量方法，其特征在于：其计算材料蠕变应力指数所用数据为压头压入材料表面以下2微米后得到的数据。