CN108603822A - 通过接触力学测量局部拉伸应力下的材料性能 - Google Patents

通过接触力学测量局部拉伸应力下的材料性能 Download PDF

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Abstract

一种用于在基底中执行接触力学试验的设备，其包括具有至少两个接触元件的触针。每个接触元件具有接触轮廓，并且所述接触元件布置在触针中，以在所述接触元件之间限定拉伸通道。所述触针被构造成使基底变形，以使基底在所述接触元件之间流动并在基底中引起张力，以便在基底中产生并保留微改变。还提供了使用所述设备执行接触力学试验的方法。

Description

通过接触力学测量局部拉伸应力下的材料性能
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年12月9日提交的美国临时专利申请No.62/265,234的优先权，该美国临时专利申请的公开内容以引用的方式整体并入本文。
技术领域
本发明涉及使用接触力学来获得与材料在经受包括至少一个方向上的拉伸应力的应力场时如何抵抗微改变(micromodification)有关的数据和信息。
背景技术
发明名称为“Contact Mechanic Tests Using Stylus Alignment to ProbeMaterial Properties”的美国专利申请公报No.2016/0258852描述了背景技术并且以引用的方式整体并入本文。具体地，该公报描述了使用对准机构和接合机构来执行摩擦滑动试验。
对于安全工程设计，工程师必须考虑对结构的需求及其能力。对于基于强度的设计，该需求是结构中的最大应力，而能力是材料在失效之前所能抵抗的最大强度。结构上的最大应力可以基于试样几何形状和载荷来求解。传统上，材料强度是通过实验室拉伸试验获得的，这允许测量描述永久塑性应变开始的屈服强度和失效前的极限抗拉强度。
然而，基于强度的设计忽略了控制材料如何失效的关键特征。材料的强度随着材料体积内的缺陷或裂纹而变化。在这些缺陷处，应力相比于材料的本体被放大。因此，与具有较小裂纹的材料相比，具有较大裂纹的材料将表现出降低的强度。要考虑含有内部缺陷的材料的能力，工程师必须考虑断裂力学。在断裂力学中，需求是裂纹扩展的裂纹驱动力，而能力是描述材料抵抗裂纹扩展的能力的断裂韧性。裂纹驱动力的等效名称是能量释放率、J积分和应力强度因子。断裂韧性是描述使裂纹增长一个单位面积所需的能量的材料能力，且必须通过实验来测量。断裂韧性的相关术语包括断裂能、临界能量释放率和临界应力强度因子。对于许多材料，材料的断裂韧性不是恒定的，而是裂纹扩展的函数。该函数通常被称为阻力曲线(R曲线)。R曲线对工程师来说很重要的具体特征是裂纹开始扩展的起始断裂能和最大稳态断裂能。
对于陶瓷、复合材料、聚合物和金属的断裂韧性的测量已经进行了几十年，并且包括在实验室中将具有已知几何形状的预先存在的缺陷的试样加载至失效。ASTM E1820“断裂韧性测量的标准试验方法(Standard Test Method for Measurement of FractureToughness)”中详细介绍了用于简单几何形状的标准试验方法，如紧凑拉伸(CT)和单边切口梁(SEB)。结果的解释取决于材料和试样几何形状。在裂纹尖端，复杂的行为发生在依赖于材料系统的断裂过程区(fracture process zone)内。当该断裂过程区的尺寸相比于裂纹尺寸和试样几何形状较小时，满足了小范围屈服条件。裂纹驱动力则是载荷、裂纹几何形状和试样几何形状的函数，这在大多数工程应用的工程手册中都可以找到。然后，利用线弹性断裂力学(LEFM)，可以将失效时的裂纹驱动力与材料的断裂韧性相关联。然而，对于诸如铝或钢的具有高断裂韧性的材料，断裂过程区较大，并且满足小范围屈服条件需要的试样尺寸过大，在实践中不可行，从而需要使用弹塑性断裂力学(EPFM)。对于EPFM，裂纹驱动力现在是载荷、裂纹几何形状、试样几何形状和塑性材料性能的函数。这种更复杂的函数通常是通过有限元分析以数学方式来得到，或者通过精确测量扩展中的裂纹的特征(例如裂纹尖端张开位移(CTOD))的仪器以实验方式得到。对于韧性金属的情形，塑性行为由两个附加的材料性能描述，即屈服强度和应变硬化指数。屈服强度控制开始出现塑性变形时的应力，而应变硬化指数描述材料流动的速率。对于数种聚合物，工程师和科学家已经在实验室中研究和量化了位于裂纹尖端前方的过程区，在那里可能发生剪切加载、孔隙形成和开裂。
上述断裂韧性试验是只能在实验室进行的破坏性试验，价格昂贵，且需要专门的设备来监测在载荷作用下扩展的裂纹的尺寸。由于成本和周转时间的原因，诸如夏比冲击或夏比V型缺口(CVN)的不太复杂的试验正在更广泛地用于质量控制，尤其用于钢铁产品。CVN试验使用包含预先存在的缺口的标准化试验样品，该缺口被锤子击打以诱发断裂。该试验探测了使材料的韧带在高应变率下断裂所需的能量。CVN值提供了一个指标，该指标能够用来基于某些韧性度量对材料进行比较分级。可以建立与LEFM或EPFM中使用的断裂韧性的经验关系，但是它们的准确性和通用性是有限的。通过在不同温度下测试一系列样品并检查断裂的半部来测量韧性过程和脆性过程的相对量，CVN还用来识别韧脆转变(ductile-to-brittle transition)。该值对于工程应用至关重要，在工程应用中，较低的使用温度可能导致更大的裂纹扩展风险。
关于低温度下的行为的信息和材料的抗断裂性的精确知识对于许多应用是重要的。这包括基于诸如亚临界疲劳裂纹扩展的抗破坏模型的使用寿命预测。这一巨大的工业努力是在安全性、可靠性和效率之间提供最佳折衷的一部分。在某些情况下，结构或部件上的载荷可以是基本恒定的，并且亚临界裂纹的发展是通过蠕变或应力腐蚀开裂进行的。
还努力使用接触力学来探测断裂过程。接触力学使用硬触针在其接触基底时产生显著的局部变形，而不改变基体材料(bulk material)。这种方法传统上用于通过压痕硬度试验来测量强度特性。最近，诸如屈服强度、应变硬化指数和极限拉伸强度的拉伸应力-应变特性可以使用自动球压痕或摩擦滑动来测量。对于抗断裂性，Akono等人研究了使用切削工具测量材料表层内的断裂韧性的能力。通过假设裂纹在切削工具前方传播来计算裂纹驱动力函数。这些假设对于在接触点附近发生显著塑性变形的韧性金属没有很好的支持。还有人考虑了使用“机加工”作为估计断裂韧性的方法。寻求的一种方法是通过在试验期间改变穿透深度来区分变形能量和分离能量。这些机加工构思在实践中没有得到广泛应用，因为材料中引发的应力应变场由大的静水压压缩(hydrostatic compression)和剪切组成，这不同于导致许多材料失效的传统拉伸裂纹张开模式。
发明内容
在本发明的一个实施例中，一种用于在基底中执行接触力学试验的设备包括具有至少两个接触元件的触针。每个接触元件具有接触轮廓，并且所述接触元件布置在触针中，以在所述接触元件之间限定拉伸通道。触针被构造成使基底变形，以使基底在所述接触元件之间流动并且在拉伸通道内引起所述基底中的张力，以在基底中产生并保留微改变。
在相关实施例中，触针还可以构造成在多个取向上产生并保留微改变，该微改变可以包括(a)当触针平行于未变形表面行进时垂直或横向于基底的未变形表面的开口，和/或(b)在压痕模式期间垂直或横向于行进方向的开口。所述设备还可以包括接合机构，该接合机构联接到触针并且被构造成提供触针在摩擦滑动模式或压痕模式下的移动。所述设备还可以包括：至少一个接合机构，其联接到触针并且被构造成提供触针的移动；以及对准机构，其联接到所述至少一个接合机构并且被构造成确立触针相对于基底的取向和/或位置。所述设备还可以包括至少一个接合机构，其联接到触针并且被构造成提供触针的移动；以及基底表面测量装置，其联接到所述至少一个接合机构中的一个或多个，以在触针行进时测量与所述微改变相关联的基底表面的特性。
在本发明的另一个实施例中，一种用于在基底上执行接触力学试验的方法包括：提供上述触针；使触针抵靠接合所述基底；以及，移动触针以执行接触力学试验，以便在基底中产生剩余基底表面并保留该剩余基底表面，该剩余基底表面具有微改变。
在相关实施例中，所述方法还可以包括测量与基底中的所述微改变相关联的剩余基底表面的特性。所述方法还可以包括当触针在基底中产生所述微改变时测量触针上的反作用力。所述方法还可以包括：提供没有拉伸通道的附加的触针；使所述附加的触针抵靠接合所述基底；以及移动所述附加的触针，以产生基底响应。所述方法还可以包括：测量与基底中的所述微改变相关联的基底表面的特性或者测量触针上的反作用力；以及在预测算法中利用与所述微改变和/或反作用力相关联的基底表面的测量值来确定与基底对微改变引发和传播的抗性相关的、基底的机械性能。所述方法还可以包括使用塑性材料性能来确定对微改变引发和传播的抗性。所述方法还可以包括：测量与基底中的微改变相关联的基底表面的特性或者测量触针上的反作用力；以及，使用基底表面和/或反作用力的测量值来与基于材料性能和触针几何形状表征应力-应变场的数值模型进行比较，以便开发预测算法。所述方法还可以包括：测量与基底中的所述微改变相关联的基底表面的特性；以及，使用经验数据库将基底表面的测量值与基底的机械性能相关联。所述方法还可以包括使用温度和/或触针速度来确定韧脆转变。所述方法还可以包括：以不同的触针穿透深度和/或拉伸通道宽度重复权利要求1的步骤，以便评估材料约束对基底的影响，该材料约束与基底对微改变引发和传播的抗性有关。移动触针以在基底上执行接触力学试验可以在压痕模式和/或摩擦滑动模式下执行。
在本发明的一个实施例中，一种用于在基底上执行接触力学试验的设备包括具有接触轮廓的触针，该接触轮廓被构造成通过在基底中产生微结构变化、微空隙形成、开裂或其他变化来使基底变形。这些微改变中的一些在触针被移除之后保留在剩余基底表面中。触针产生拉伸区，该拉伸区被成形为抵靠接合所述基底并在至少一个方向上促进拉伸应力。在另一个实施例中，触针还包括应力通道，该应力通道进一步有利于张力区的产生和/或有助于在微改变形成之后保留所述微改变。在其他实施例中，触针被联接到接合机构，该接合机构被构造成使触针保持穿入所述基底内，接合机构被构造成使触针相对于基底表面移动，对准机构被构造成维持触针相对于基底的期望的取向，和/或基底表面测量装置包含一个或多个仪器，以测量剩余基底表面的特性。
在本发明的一个实施例中，一种用于在基底上执行接触力学试验的方法包括：提供具有引导部分和接触轮廓的触针，该接触轮廓被构造成使基底变形；使触针抵靠接合所述基底；以及移动所述触针，以在基底中产生微改变并形成剩余基底表面。该接触力学试验可以处于其中触针被垂直压入基底表面中的压痕模式或其中触针沿基底表面行进的摩擦滑动模式下。在另一个实施例中，所述方法包括测量与基底中的所述微改变相关联的剩余基底表面的特性。在另一个实施例中，这些测量值被用在预测算法中，以确定基底的机械性能，包括断裂韧性或夏比值。该预测算法可以基于通过接触力学试验和传统实验之间的相关性而建立的经验数据库，或者以基于给定的一组参数表征残余应变场的数值模型为基础，所述参数包括材料性能、触针几何形状和接触条件。所述方法的另一个实施例还包括通过所述微改变过程的分析模型或数值模型来解耦I型和II型断裂韧性。
在另一个实施例中，触针可以接合基底，并且使材料从基底断裂，从而形成类似于机加工过程的分离的带或切屑。这一片被去除的材料可用于使用传统实验方法进行进一步分析，以测试化学性能、硬度或其他机械性能。
附图说明
通过参考下面结合附图进行的详细描述，将更容易理解实施例的前述特征，其中：
图1A-1B是根据本发明的实施例的、材料在触针的特定部段上流动的等距视图的示意图，该触针具有在所示的部段上方或下方引发拉伸区的接触轮廓，在该拉伸区中，分别在接触力学试验期间和之后产生拉伸应力。
图2A-2E是根据本发明的实施例的、在使用具有拉伸通道的触针的接触力学试验期间可能形成的微改变的发展期间的各种视图的示意图。图2A是该接触力学试验的示意性侧视图。图2B-2E是图2A的示意性截面图。
图3A-3B分别是根据本发明的实施例的等轴视图和俯视图的示意图，示出了具有拉伸通道的触针，该触针由两个接触轮廓和形成拉伸通道的连接楔形连接件(connectingwedge link)组成。
图4A-4B分别是根据本发明的实施例的等距视图和俯视图的示意图，示出了具有拉伸通道和连接楔形连接件的触针的备选实施例，该连接楔形连接件是凹入的，以便也用作保留通道。
图5是根据本发明的实施例的、材料在具有楔形轮廓的触针的特定部段上流动的侧视图的示意图，该楔形轮廓在所示的部段上方或下方引发拉伸区，在该拉伸区中产生拉伸应力。
图6是根据本发明的实施例的具有楔形轮廓的触针的透视侧视图的示意图，该楔形轮廓在横向方向上具有拉伸区，带有多个加载循环(loading cycles)。
图7A-7C分别是根据本发明的实施例的能够通过产生多轴拉伸应力状态来引发微改变的触针的侧视图、前视图和仰视图的示意图。
图8A-8B分别是根据本发明的实施例的触针、驱动机构和具有能够移动和定向所述触针的浮子(floats)的对准机构的等距视图和侧视图的示意图。
图9是根据本发明的实施例的平坦基底表面的纵向和横向路径轨迹实施例的等距视图的示意图。
图10是根据本发明的实施例的平坦基底表面的弯曲路径轨迹实施例的侧视图的示意图。
图11是根据本发明的实施例的弯曲或圆柱形基底表面的圆周路径轨迹实施例的侧视图的示意图。
图12是根据本发明的实施例的弯曲或圆柱形基底表面的切向路径轨迹实施例的侧视图的示意图。
图13是根据本发明的实施例的圆柱形基底表面的纵向路径轨迹实施例的侧视图的示意图。
图14A-14B分别是根据本发明的实施例的平坦和弯曲或圆柱形基底表面的压痕路径轨迹实施例的等距视图的示意图。
图15是根据本发明的实施例的压痕接触力学试验的等距视图的示意图，该压痕接触力学试验使用包含拉伸通道和两个接触元件的触针来进行，以产生微改变。
图16是根据本发明的实施例的可能在接触力学试验期间形成的微改变的不同部位(elements)的侧视图的示意图。
图17是根据本发明的实施例的、示出了摩擦滑动接触力学试验方法的等距视图的示意图，该摩擦滑动接触力学试验方法使用具有一个或多个楔形轮廓的触针大致从基底表面平面内的主拉伸应力产生微改变，然后使用剩余基底表面测量装置测量所述微改变。
图18是根据本发明的实施例的、示出了使用非接触式剩余基底表面测量装置对剩余基底表面中的微改变进行的测量的侧视图的示意图。
图19是根据本发明的实施例的、示出了使用非接触式剩余基底表面测量装置对剩余基底表面中的微改变进行的测量的侧视图的示意图。
图20是根据本发明的实施例的、示出了使用非接触式剩余基底表面测量装置对剩余基底表面中的微改变进行的测量的侧视图的示意图。
图21是根据本发明的实施例的、示出了使用接触式剩余基底表面测量装置对剩余基底表面中的微改变进行的测量的侧视图的示意图。
图22是根据本发明的实施例的、示出了使用接触式剩余基底表面测量装置对剩余基底表面中的微改变进行的测量的侧视图的示意图。
图23是根据本发明的实施例的、示出了使用接触式剩余基底表面测量装置对剩余基底表面中的微改变进行的测量的侧视图的示意图。
具体实施方式
定义。如本说明书和所附权利要求书中使用的，除非上下文另有要求，否则以下术语应具有所指示的含义：
“基底”是通过接触力学试验被探测机械性能的材料。
“变形”或产生“变形”包括在基底中产生永久性或取决于时间的变化，包括通过从基底移除材料。
“触针”是接合所述基底的元件。
“接触元件”是触针的与所述基底接合的部件。触针可以包含多于一个接触元件。接触元件具有“接触轮廓”，该轮廓被成形为在基底中引发流动。接触轮廓可以是直的、倾斜的、凸的、凹的、连续的或不连续的，这取决于基底的预期变形模式。接触元件可以由一个或多个接触轮廓组成。
“接触力学试验”是利用局部变形来探测材料的机械响应，而该结构的其余部分保持不变。具体实施方式包括“压痕试验”，其中硬触针通过垂直于基底表面移动而使较软基底的表面变形。另一种实施方式是“摩擦滑动试验”，其中在沿路径轨迹移动触针的同时，硬触针使较软基底的表面变形。接触力学试验可以处于压痕模式和/或摩擦滑动模式中，在压痕模式中，触针被压入到基底中，而在摩擦滑动模式中，触针沿着基底表面横向行进。
“路径轨迹”是触针在接触力学试验期间所遵循的、触针相对于基底的物理路径和相对取向。
“剩余基底表面”是包括在接触力学试验之后保留在基底中的特性或基底中的变化的基底表面。每个剩余基底表面可以包含：
(i)“微裂纹”，其是在基底中形成具有起始位置、长度和方向的新表面，
(ii)“微结构变化”，其是材料的内部结构中的任何变化。这包括(但不限于)每个晶体结构的体积分数、晶体和分子纹理、材料中的自由体积和分子排列，
(iii)“微空隙”，其是在材料中形成额外的空间，例如细裂纹、界面剥离和通常与材料中的张力相关联的其他现象，以及
(iv)“微改变”，其是微裂纹、微空隙或基底中的其他变化的任意组合。微改变包括微结构变化、微空隙形成、开裂和宏观结构变化，例如触针附近的基底表面的高度和/或宽度由于接触力学试验而发生的变化。拉伸应力是利用被设计成拉伸该材料并促进微改变形成的触针而产生的，
(v)“韧带”是由于在接触力学试验期间存在拉伸通道而形成或保留在基底表面上的材料的一部分。
“剩余基底表面测量装置”是被构造成允许测量剩余基底表面的一个或多个特性的设备。
“攻角”或“前角”是当设备与基底接合以执行接触力学试验时在基底和该设备之间的相对接触角。接触力学表明，攻角越大，变形量越大。对于球形触针或弯曲触针，攻角是触针与非接触基底表面接合的位置，因此，它随着穿透深度而变化。“前角”是从竖直取向测量的，并且是通过将90度减去攻角而得到的。
“离隙(relief)”是接触元件的被移除的部分，以便减小接触角，并因此减小摩擦、表面磨损、触针磨损或在接触力学试验期间出现的其他不希望的现象。离隙的特征可以是“离隙角”，即，当通过使触针旋转远离基底而产生离隙时由离隙产生的空隙的夹角。
“拉伸通道”是触针的几何细节，其允许产生和保留微改变。该拉伸通道可以是触针固有的，或者可以通过两个或更多个接触元件之间的分离而形成。
“接触元件连接件”是连接两个或更多个接触元件的结构构件。在该接触元件连接件接合并导致基底进一步变形或平移的实施例中，该接触元件连接件可以用作附加的接触轮廓。当接触元件连接件通过结合两个或更多个接触轮廓而形成拉伸通道时，可以通过螺纹连接器、活塞或间隔件来调节分隔距离并因此可调节拉伸通道宽度。
“裂纹驱动力”是从断裂力学的角度对基底的需求的总称。在工程文献中，裂纹驱动力也被称为能量释放率、应力强度因子和J积分。
“断裂韧性”是基底抵抗微改变扩展能力的总称。在本申请中，我们将类似的材料能力称为“微改变抗性”或“对微改变的抗性”。在工程文献中，断裂韧性可以被称为临界能量释放率、临界应力强度因子和临界J积分。其他相关术语是完全脆性材料的表面能和经历非弹性耗散(inelastic dissipation)的材料的断裂能。当断裂韧性不是恒定的，而是微改变扩展的函数时，它被称为阻力曲线(R曲线或J曲线)。断裂韧性的另一个经验测量量是来自夏比冲击试验(或夏比V型缺口)的CVN能量，它可以用作对具有相似试样尺寸和试验条件的材料进行分级的指标。
设备、方法和应用的概述
与目前用于表征材料的抗断裂性的最常见技术相反，当应力场在至少一个局部主轴线方向上具有张力并且不需要提取材料样品时，示例性设备和方法表征材料对微结构变化和/或微改变形成的抗性。工程应用通常需要了解材料的微改变引发和微改变传播阻力，例如安全寿命和损伤容限设计。抗裂性在许多情况下涉及局部塑性变形、微空隙形成和聚结和/或特定的微观机制，包括晶界开裂、解理、应力腐蚀开裂和疲劳。因此，来自形成微改变的阻力的数据将有助于补充在条件评估或质量控制中获得的数据，而不需要移除样品。一个重要的参数是额定载荷的方向。对于锻造产品，这通常被定义为相对于轧制或成形平面的纵向、横向和短横向。对于管道和轧制产品，这通常被定义为相对于圆柱体轴线的纵向、周向和径向。随着技术的不同变化，该试验可以表征不同取向上的微改变抗性的变化。所述设备可以在压痕模式下或在摩擦滑动模式下工作，以适应具体的应用。
根据本发明的实施例，通过用专门设计的触针进行的接触力学试验来产生微改变，该触针具有一个或多个接触元件，并且每个接触元件具有接触轮廓，当触针使基底变形时，该接触轮廓引发沿着至少一个轴线具有张力的应力场。这大体上在图1A-1B中示出，其中触针20用于在基底材料1中产生并保留微改变。最初，触针的上游是未变形的基底材料7。在该示例性实施例中，触针20包含两个接触元件43，每个接触元件43具有接触轮廓，所述接触轮廓被成形为当触针20行进时使基底材料1变形，在这两个接触元件之间具有拉伸通道31。触针20的作用产生显著的拉伸应力和应变，从而产生可引发微空隙形成和聚结或更脆过程的微改变。微改变的形成涉及新表面45的产生，其中，相对的表面包括含有所述微改变的标志的剩余基底表面17。在这一点之后，触针可以保留剩余基底表面17的一些方面，使得随后可以使用测量剩余基底表面17的某些特性的剩余基底表面测量装置来表征该剩余基底表面。还可以测量当触针20使材料变形并产生微改变时触针20上的反作用力。剩余基底表面的特性和/或触针20上的力可以与材料对微改变引发和传播的抗性有关。
除了该新颖设备，几个实施例还实现了将反作用力和/或剩余基底表面的特性与基底材料的微改变抗性相关联的方法。一种潜在的应用包括表征材料表面，以作为它们在不同条件下的抗裂性的指示。因此，试验的结果可以用作对断裂力学定义的材料断裂韧性的估算。在一个实施例中，所述结果用作可以用于对材料进行半定量分级的微改变抗性的指标。通过提供材料强度指标的压痕硬度测量，这种方法被广泛采用。还存在其他情形：其中利用与涉及微改变抗性的其他材料性能的相关性来比较和评估材料。例如，具有拉伸通道的楔形轮廓的实施例可用于监测微空隙形成的开始。它也可用于与传统的实验室试验相关，例如R曲线或夏比冲击/V型缺口能(CVN)。通过本发明的实施例获得的剩余基底表面的特性也可以与这些附加的材料参数相关联。诸如温度和应变率的测试条件可以被修改，以评估不同载荷环境下的微改变抗性。张力(I型)和剪切(II型)载荷的比例以及微改变附近的局部应力应变场和塑性应变的大小可以通过改变触针的几何形状方面而改变。随着触针和穿透深度的几何变化，材料的抗断裂性可以表达为材料厚度的函数，以考虑解释从平面应力到平面应变条件转变的材料约束效应。
该试验的应用跨越包括能源、制造、运输和通信的、使用结构材料的行业。该技术的主要优点是它只需要非常小的样品，并且可以通过仅探测结构的表面特性而以非破坏性的方式执行。可以改变被测试的基底的深度或长度，以控制被测试的材料的体积。本发明的实施例可以容易地与测试平台结合，以实现现场环境中的便携式测量，例如在管道或工字钢的外表面上的测量，如发明名称为“Scratch Testing Apparatus and Methods ofUsing Same”的美国专利申请公报No.2014/0373608和发明名称为“Contact MechanicsTests using Stylus Alignment to Probe Material Properties”的No.2016/0258852以及发明名称为“Contact Mechanics Tests using Stylus Alignment to Probe MaterialProperties”的美国专利申请No.15/256,276中所述，这些申请都以引用的方式整体并入本文。
对于给定的行业，本发明的设备和方法的实施例可用于工厂中的质量控制、交付期间的质量保证、施工质量保证(例如现场焊接)、条件评估以及现有结构的材料验证。用于在工厂中使用的实施例可以是其他应用的连续监测的一部分，并且，该试验是否完全符合非破坏性将取决于试验位置和最终产品的使用条件。对于新产品的试验，受到较小应力的区域或正在熔焊的区域将是优选的。对于已经因腐蚀或材料劣化(例如化学改性开裂)而遭受金属损失的现有结构，在该试验完成后，可能需要在受影响区域之外进行额外的试验或结构加固。
设备的详细描述
本发明的实施例涉及一种触针，该触针被设计成使基底材料变形，以在局部主轴线方向中的至少一个方向上产生具有张力的应力场，该应力场1)引发微改变，并且2)在剩余基底表面上保留微改变的特性。该触针可以是当触针使基底变形时平移和定向该触针的系统的一部分。该系统还可以包括执行与触针上的反作用力和/或剩余基底表面的特性相关的测量的附加部件。该系统可以是保存用于试验的样品的实验室装置的一部分，或者可以是直接附接到用于试验的现有结构的便携式装置的一部分。
触针的具体实施例
在一些实施例中，包括拉伸通道以作为触针的部件。拉伸通道可以简单地是触针中的切口，该切口足够小以防止基底材料的自由流动，但又足够大以允许韧带的形成，该韧带将在张力下充分地变形以引起微改变或变形到断裂点。在另一个实施例中，该拉伸通道是几何特征，其在触针使基底变形时保留微改变的特性。在这种情况下，该几何特征防止材料标志的改变，否则，材料标志将通过触针和所述微改变之间的直接接触而发生改变。在另一个实施例中，该拉伸通道是由一个或多个接触元件之间的分离而形成的。一个或多个接触元件之间的分离可以由接触元件连接件限定，并且可以是可调节的，以获得多个拉伸载荷构造。
在一些实施例中，一般的触针几何形状由传统机加工工具几何形状限定。以这种方式设计的触针可以被设计成具有限定所述接触元件和接触轮廓的前角、以及至少一个离隙角。当围绕该拉伸通道流动的材料被向上推压所述接触轮廓时，具有较小前角(几乎垂直于基底表面)的触针在韧带中提供更快的拉伸应力率。此外，触针前面的材料将经受更大的剪切和静水压压缩。该前角是基于韧带中的拉伸应变率和流动时的基底剪切的期望组合而确定的。对于特定的材料和用途，可以通过实验或数值模拟(例如有限元分析)来优化触针构造。所述离隙角是基于触针的路径轨迹和预期的磨损位置而确定的。
参照图2A-2E，示出了在摩擦滑动模式下操作的接触力学试验期间的、包含拉伸通道的触针20的实施例。触针20被设计成使用正前角47和正离隙角49。图2B示出触针路径轨迹51之前的未变形的基底材料7。如图2C所示，当触针接合未变形的基底材料7时，所述接触轮廓开始分离基底材料1，从而导致新的表面45以及韧带53的开始引发。随着触针继续沿着路径轨迹51移动，韧带53由于接触元件和基底材料1的相反力而在张力下被拉伸，类似于拉伸试件(图2D)，直到最终形成导致两个剩余基底表面17的微改变(图2E)。在这种情况下，该剩余基底表面可以由剩余表面高度55和剩余表面宽度57来表征。如果基底的行为是韧性的，则情况将类似于拉伸试样最终断裂(在颈区的中部内)时的情况。由于该拉伸通道，防止了剩余的未加载韧带的剩余基底表面17进一步变形，从而允许随后利用剩余基底测量装置进行可能的检查。
图3A-3B中示出了包含拉伸通道31的触针的实施例。该触针包括两个接触元件43，每个接触元件43包含具有前边缘23和尾随面25的接触轮廓41，前边缘23和尾随面25构成拉伸区13和后面的可选的保持区29。该触针接合所述基底，并且当材料通过拉伸区13时使该材料横向离开触针而变形。拉伸区13在该材料中逐渐产生拉伸应力，并且在本实施例中，其轮廓是弯曲的，但它也可以是直的或阶梯式增加的，以控制材料流动的速率和方向。在本实施例中，拉伸通道31由通过接触元件连接件33连接的两个接触元件43之间的间隙形成。接触元件连接件33可以是永久设置的，可调节的，或者是在单个部件内包含所有元件的触针的内部部分。增大或减小接触元件连接件33的长度将改变拉伸通道31的尺寸，从而改变在该材料内引起的变形量。更宽的拉伸通道将导致同时试验更多的材料体积，这减少了对断裂行为的尺寸依赖。然而，这种益处也由于必须考虑到由于在拉伸通道31内的流动而引起的更多塑性变形而被抵消。在另一个实施例中，触针的边缘可以是直的和简单的三角形，以允许使用诸如聚焦离子束铣削或通过激光烧结或其他光刻技术的增材制造(additivemanufacturing)的机加工技术简单地制造。增材制造的优点是传感器可以被嵌入触针中。触针的形状也将影响平面应力和平面应变条件之间的应力状态。材料约束对微改变抗性有着众所周知的影响，其中，平面应力条件下抗性较大。在一些实施例中，接触元件连接件33被放置在前边缘23的足够下游处，使得该材料在到达接触元件连接件33之前将在张力下失效并分离。在图3A-3B所示的实施例中，当基底材料围绕拉伸通道31流动时，产生自由表面，该自由表面将拉伸应力定位在连接相对表面的韧带处。这促进了由扩展作用导致的断裂，并形成含有微改变的剩余基底表面，该微改变可以随后被表征。
图4A-4B中示出了具有拉伸通道的触针几何形状的备选实施例。如图3A-3B所示的触针的特征及其功能被保留，包括前边缘23、尾随面25、拉伸区13、保持区29、拉伸通道31、接触元件连接件33和接触元件43。在本实施例中，接触元件连接件33是凹入的，以保留剩余基底表面上的微改变。本实施例在摩擦滑动实验中在横向于行进方向的方向上引起微改变。使用不同的触针几何形状来控制断裂过程的方向允许测量基底材料中的微改变的各向异性。
在另一个实施例中，随着在楔形体的两侧引发材料流动，当触针探测该基底时，用特别设计的触针产生微改变，该触针利用接触轮廓沿着至少一个轴线逐渐引起具有张力的应力场。这大体上在图5中示出，其中基底材料1的流动被沿着触针的特定区域示出，触针20不包括拉伸通道。当触针使材料变形时，所得到的拉伸应力也被示出。最初，触针上游的材料是未变形的基底材料7。随着触针的行进，基底材料1被压缩并被迫以韧性犁削变形模式(ductile plowing deformation mode)开始围绕接触轮廓41移动。该区域被定义为上游变形区域9。在经过触针20的前点11之后，该材料到达接触轮廓41。接触轮廓41各自包括拉伸区13，在该拉伸区13中，基底材料在至少一个主应力方向上在张力下被拉伸，从而导致拉伸应力19和应变的大小增加。随着沿着接触轮廓41的距离18增加，基底材料1中的应力和应变持续增加，直到在累积应变和多向应力状态的给定组合下开始微改变。具有不同特性的基底将在触针下方或周围的拉伸区13处或附近的不同位置处开始引发微改变。抗断裂性越高，触针的背面、下方或周围的微改变就越大。在拉伸区13的顶点之后，拉伸变形减小，材料弹性地卸载，从而减小接触轮廓41的弹性恢复区域15处的拉伸应力19和应变的大小。在离开弹性恢复区域15之后，基底材料1留下包含在接触力学试验期间形成的微改变的标志的剩余基底表面17。
在一个实施例中，如图6所示，提供了具有将在图5中描述的过程下操作的接触轮廓的触针。当该触针与基底接合时，在触针与基底之间形成的攻角59控制应力和变形的大小。较大的攻角59导致较大的应力和平均塑性应变。对于具有某些机械性能的材料，基于攻角59和接触条件(例如摩擦系数)，在韧性犁削响应和脆性加工(例如削片)响应之间将存在过渡。攻角59对于圆锥形或棱锥形几何形状可以是恒定的，或者与球形或椭圆形几何形状一样随深度变化。图6所示的触针具有前边缘23和尾随面25，该前边缘23和尾随面25构成拉伸区13，该拉伸区13逐渐增加接触轮廓41的每一侧上的两个材料流动区之间的间隔，以在触针路径轨迹51的横向方向上引起微改变。在所述微改变发生之前，对微改变的引发和传播具有较大抗性的材料将沿着该拉伸区达到较大的攻角。在该拉伸区之后是可选的保持区29。在本实施例中，可选的第二接触轮廓61将再次重复所述拉伸和松弛变形，从而导致额外的变形力学，例如材料疲劳。
图7A-7C示出了在与图5中描述的类似的力学下操作的触针的另一个实施例。该触针包含拉伸区13，拉伸区13包括犁削表面63和尾随面25。拉伸区13通过逐渐将犁削表面501上的压缩力转变成垂直于尾随面25作用的张力来促进微改变的形成，并假设所述微改变触针和基底之间的摩擦系数足够高以将基底拉伸到断裂。流动控制凸脊65可以用于通过在接触力学试验期间操纵该基底的塑性流动来增加拉伸区13的有效性。引导面67具有弯曲的前表面和挤压件69，以确保在底表面71下方发生断裂。
系统部件的具体实施例
为了沿着期望的路径轨迹移动触针，至少一个接合机构可以通过传递构件联接到触针。根据接触力学试验的参数，该接合机构可以沿着期望的路径轨迹推动或拉动所述触针。必须基于位移的方式来选择该传递构件，并且它可以是允许必要运动的旋转和平移附件的组合。根据示例性实施例，该设备被构造成使得一个或多个接合机构可以将平移、旋转、或组合的平移和旋转运动传递到触针，而触针可以独立于该接合机构以相对于基底表面的局部角度取向移动。根据示例性实施例，驱动力由沿着所述期望的路径轨迹操作的平移致动器或旋转致动器施加。该致动器可以是能够提供足够的力来克服与基底表面接合的触针的反作用力的任何适当的机构(例如，机械、液压、气动、电磁等)。所述一个或多个接合机构可以在多个平移速度下操作，这将在用于接触力学试验的基底中施加不同的应变率。
根据示例性实施例，该设备可以包括对准机构，该对准机构确立所述触针相对于不规则基底表面的位置和/或局部角度取向。可以通过接触定位(contact referencing)来完成对准，接触定位是当对准机构利用两个或更多个浮子接触由触针接合的区域之外的基底表面以相对于基底表面定向所述触针时进行的。所述浮子通过联接构件连接到触针，该联接构件可以是分离的部件或者与触针的接触元件邻接。除了对准之外或者独立于该对准，所述浮子可以用作安全限制器，以防止触针在接触力学试验期间穿透太深。该对准也可以通过电子控制器来实现，例如限位开关，其识别触针的相对取向并激活机械系统来校正路径轨迹。
参照图8A-8B，示出了包含拉伸通道31的触针20，其具有示例性的接合机构71和对准机构73、75。在本实施例中，接合机构71通过刚性传递构件76联接到触针20，并且被构造成沿着线性路径轨迹51推动该触针，并且可以包括任何平移致动器，该致动器具有足够的力以克服由与基底材料1接合的触针20所引起的反作用力。此外，该对准机构包括两个浮子73，浮子73通过联接构件75联接到触针，使得触针20相对于基底表面3的预定的局部取向在整个接触力学试验中得到保持。
所选择的接合机构71和对准机构的组合可以用于指定所述设备在固定的实验室环境或便携式现场环境中执行的能力。例如，如果接合机构71固定到样品且被构造成使样品相对于触针20移动，并且该对准机构被构造成相对于触针调整该样品的局部基底表面3，则所述设备可能最适合于所移除的样品的实验室测试。相反，例如，如果接合机构71安装到结构上并且被构造成使触针20相对于基底表面3移动，并且该对准机构接触局部基底表面并对准所述触针以维持期望的局部取向，则所述设备可能最适合于在用资产(in-serviceassets)的现场测试。
所述方法的详细描述
上述新颖设备能够实现一种新的方法，用来在韧性和/或脆性材料在张力下永久变形时探测基底材料中的微改变抗性。材料响应取决于该材料对微改变的引发和传播的抗性、触针和基底之间的接触条件、触针的几何形状、以及包括温度和加载速率在内的试验环境条件。该方法大致可以包括1)利用所述设备执行接触力学试验，2)同时或顺序地测量剩余基底表面的特性和/或触针上的反作用力，以及3)使用在接触力学试验期间或之后获得的测量值来确定与微改变抗性相关的基底性能。在一些实施例中，该方法可以仅包括上述第1项和第2项，其中，试验测量值被用作允许在类似条件下试验的基底之间进行比较的微改变抗性的指标。步骤3涉及确定基体材料的既定断裂韧性性能，包括表面能、断裂能、临界能量释放率、临界应力强度因子、临界J积分、R曲线的参数(起始或稳态)、CVN和/或韧脆转变。此前以引用的方式并入本文的下列文献中描述了用于使触针平移穿过基底、维持触针的取向以及测量剩余基底表面特性的方法的另外实施例：发明名称为“Scratch TestingApparatus and Methods of Using Same”的美国专利申请公报No.2014/0373608，发明名称为“Contact Mechanics Tests using Stylus Alignment to Probe MaterialProperties”的美国专利申请公报No.2016/0258852，以及发明名称为“Contact MechanicsTests using Stylus Alignment to Probe Material Properties”的美国专利申请No.15/256,276。
接触力学的具体实施例
参照图9-14，取决于基底材料1的性能，存在所述触针可以跟随的许多可能的路径轨迹51，这将产生变化的结果。在不同的路径轨迹51中进行试验的动机是探测对微改变具有各向异性抗性的基底材料1，或者简化实施所述方法所需的设备和材料。对于摩擦滑动接触力学试验的实施例，触针可以跟随沿着纵向或横向并且相对于基底表面3平行的路径轨迹51(图9)。此外，触针可以布置在弯曲的路径轨迹51上，使得其以弧形运动进入并然后离开基底表面3(图10)。对于圆柱形、局部弯曲或球形的基底表面3，触针可以跟随大致或精确地周向于该表面的路径轨迹51(图11)以及与曲率半径相切的路径轨迹51(图12)。对于平面或弯曲的基底表面3，可以使用前述对准机构来维持这些取向。如果样品是局部圆柱形的，例如长管，触针也可以局部垂直于基底表面3对准，并且跟随纵向于该圆柱体的路径轨迹51(图13)。在所述方法的一个实施例中，仅跟随这些可能的路径轨迹中的一个个路径轨迹。在所述方法的另一个实施例中，顺序地跟随多个路径轨迹。在所述方法的另一个实施例中，多个路径轨迹被叠加，以形成更复杂的多模态路径轨迹。
对于摩擦滑动模式，触针在基底表面下方的穿透深度对材料响应具有显著影响。根据机加工文献，切削深度与切削速度和前角一起对所产生的切屑的尺寸和类型、切削工具磨损量和摩擦量(以及随后的热量)有重要影响。这是由于材料的变形以及断裂扩展所需的能量。根据接触力学，浅切削深度需要显著更小的力，但是韧性金属将通过所述接触元件的顶部上的材料厚度经历显著更大的塑性变形。结果是塑性性能的影响更大，并且与微改变分离的材料的碎片的曲率更大。对于微改变抗性低且穿透深度大的脆性材料，能够达到小范围屈服条件，从而允许应用线弹性断裂力学(LEFM)。达到小范围屈服条件的能力取决于可用于试验的材料的量和材料的微改变抗性，在小范围屈服条件下，所述微改变周围的断裂过程区与试样尺寸和裂纹大小相比非常小。对于韧性金属，由于需要非常大的试样和不可行的穿透深度，因此需要弹塑性断裂力学(EPFM)。
接触力学试验的另一个实施例处于压痕模式中，如图14A-14B和图15所示。图14A-14B示出了路径轨迹51的示意性概述。对于本实施例，触针跟随在大致垂直于或精确垂直于基底表面3的方向上进入基底材料1中的路径轨迹51。像摩擦滑动模式中一样，触针可以包括拉伸通道或拉伸区以及保持区，以产生并保留剩余基底表面的特性。
图15示出了具有两个接触元件43的触针20，这两个接触元件43以产生拉伸通道31的方式被定位，该拉伸通道31沿着压痕路径轨迹51进入基底材料1中。在本实施例中，所述新表面和剩余基底表面在基底材料1内。
微改变的具体实施例
如上所述，本发明的设备和方法的实施例的作用可导致微结构变化和微改变。这些包括每个晶体结构的体积分数、晶体和分子纹理、材料中的自由体积、分子排列、空隙的产生或其他异常，例如细裂纹和剪切带。触针的一个特性是产生和保留该材料对张力下的变形的响应的能力。其他技术已经表明，接触力学可以用于在材料中产生裂纹和损伤，但是本文所述的本设备和方法的实施例提供了将材料标志保持和记录到受控加载条件中的能力。根据触针的几何形状和接触力学试验的类型(即压痕或摩擦滑动)，所述微改变可以在触针的不同区域中形成。这些区域包括触针的下方、触针的上游或横向于触针行程。所述微改变可以由保留在剩余基底表面上的特征和韧带的尺寸来表征。微改变的尺寸、形态和类型取决于被测试的基底的材料性能。可用于表征所述微改变的具体特征包括裂纹长度、剪切唇偏移(shear lip offsets)、表面粗糙度、表面积和剪切带尺寸。可以表征含有微改变的剩余基底表面的两侧。在一个实施例中，材料变形到完全分离或开裂的程度。标志包括材料在开裂之前经受的拉伸量和/或所述剩余基底表面的细节。韧性金属的微改变抗性的一个指示是韧带的高度，它是塑性性能和断裂性能的函数。如果金属表现出降低的屈服强度和应变硬化指数、或增加的断裂韧性，则金属具有相对较高的韧带高度。
图16示出了在接触力学试验之后的可能的微改变的各个区域。如本实施例中所示，在剩余基底表面17的正下方可能存在侧面微裂纹77、中心微裂纹79或两者。此外，基底材料1中存在塑性变形的不同区域，从强变形81到中等变形83，再到低变形85。这些塑性变形区域构成塑性区87。此外，可能存在表面变形区域89。变形程度与接触力学试验期间该材料中的微空隙的形成量相关，并且与微改变形成的区域有关。
基于在不同的试验条件下的不同材料试样，剩余基底表面的特性显著变化。韧性金属显示出韧性断裂的迹象，其中，由于与微改变附近的显著塑性变形相关联的微空隙的增长和聚结，保留有特征性的凹痕和高表面粗糙度。保留在韧性断裂表面上的韧带类似于拉伸试样的颈缩部分。脆性材料表现出解理断裂，其特征在于具有低粗糙度的平坦平面，其中在微改变传播之前几乎没有发生变形。如果以增加的应变率(增加的触针速度)或降低的温度进行试验，金属合金可能经历从韧性到脆性断裂的转变。
测量方法的具体实施例
参照图17，示出了所述方法的一个实施例，其中，利用具有两个接触元件43的触针20进行接触力学试验，以在基底材料1中引起期望的微改变响应，并且随后保留包含该微改变的剩余基底表面17，以便用剩余基底表面测量装置39对其进行表征。在接触元件43之间规定的空间表示拉伸通道31。测量可以在试验期间产生微改变时或在试验完成之后进行。
图18-23示出了包含微改变的剩余基底表面17的多个实施例，以及利用接触式或非接触式剩余基底表面测量装置进行表征的技术。图18-20示出了非接触式剩余基底表面测量装置91，而图21-23示出了接触式剩余基底表面测量装置93。在图18、19、21和22中，微改变由以摩擦滑动模式操作的触针产生，其中所述微改变的取向取决于触针几何形状和取向。图18和21示出了在该材料的横向方向上的接触力学试验中的剩余基底表面17，而图19和22示出了在垂直于基底表面的短横向方向上的接触力学试验中的剩余基底表面17。在一个实施例中，触针用于测量基底的定向材料性能，以允许测量纵向、横向和短横向微改变抗性。图20和23示出了压痕模式接触力学试验所特有的剩余基底表面17。所述剩余基底表面测量装置可包括光学仪器(如激光干涉仪)和/或接触仪器(如轮廓测量仪)。此外，图18-23所示的剩余基底表面测量装置也可以相对于剩余基底表面17倾斜一定角度，以允许更大程度地接近断裂表面。这些剩余基底表面测量装置探测剩余基底表面的两侧上的微改变的具体特性，例如表面粗糙度、裂纹长度和表面积。微改变也可以使用显微镜或金相学方法进行检查。可以研究与微改变相关的剩余基底表面的两侧。
在所述方法的一些实施例中，关于一个或多个局部取向来监测所述触针上的反作用力。可以在整个接触力学试验中或仅在有限的部分中监测该反作用力。触针上的力也可以作为恒定力或从低到高呈斜坡状变化的力而被施加，以确定微改变开始引发的瞬间。触针上的力可以与触针和基底相互作用的解析计算或数值计算相结合，以确定施加到材料上的等效裂纹驱动力。微改变扩展瞬间的裂纹驱动力与材料的断裂韧性相关。
微改变的性能相关性的具体实施例
从剩余基底表面获得的微改变的特性和/或触针上的反作用力的测量值可以与基底的材料性能有关。这包括断裂韧性性能，例如应力强度因子、能量释放率、J积分、表面能、断裂能、R曲线参数和CVN。还可以研究特定模式，例如开裂I型(张力模式)，其与裂纹尖端张开位移(CTOD)和裂纹尖端张开角(CTOA)高度地相关。在一个实施例中，产生与在I型和II型(剪切)载荷组合下加载的微改变的尖端处的应力和应变条件类似的条件。在另一个实施例中，通过所述微改变过程的分析模型或数值模型来量化I型和II型载荷贡献的相对比例。
数值模型可以包括有限元分析模拟，其允许考虑对于给定的材料条件、摩擦系数和触针几何形状所引发的整个应力和应变场。在一个实施例中，有限元分析模型考虑材料塑性和非弹性，以通过J积分计算来确定对于给定的裂纹几何形状、触针几何形状和穿透深度的裂纹驱动力。在另一个实施例中，有限元分析输出与线性弹性断裂力学(LEFM)一致的值，例如方向应力强度因子或临界能量释放率。通过对材料和接触条件的大量组合进行参数化研究，可以通过将裂纹驱动力视为实验条件的函数通过尺寸分析来获得预测函数。对于韧性金属，屈服强度和应变硬化指数将需要通过诸如拉伸试验、自动球压痕或摩擦滑动的适当手段来了解或测量。因此，通过实验测量获得的裂纹驱动力将是与微改变扩展相关的临界值，所述微改变扩展可以与断裂韧性相关。在另一个实施例中，执行基于显式损伤的有限元分析模拟，其包括材料的塑性性能和断裂性能。这种方法允许预测保留在剩余基底表面上的韧带的尺寸，这可以与实验结果进行比较。基于损伤的有限元分析模拟需要适合于被探测的基底材料的用于损伤引发的材料模型，包括静水压应力分量、应力三轴性、最大主应力或应变、以及附加参数的影响。在另一个实施例中，应变率相关的材料数据用于评估应变率对损伤响应的影响。
在另一个实施例中，也可以考虑尺寸效应和平面应变或平面应力加载条件的效应。可以对具有不同拉伸通道尺寸的基底材料进行多个试验，这些尺寸控制经历微改变的材料的韧带内的静水压应力和约束的量。另一个实施例是用触针在未变形基底的表面之下的多个穿透深度处执行摩擦滑动试验。随着穿透深度的增加，对经历微改变的材料施加更大的约束。取决于基底断裂韧性，对于大的拉伸通道宽度和穿透深度，可以实现平面应变条件和/或小范围屈服条件。
在一个实施例中，通过使用总体几何形状相同但其一个触针包含拉伸通道而另一个触针不包含拉伸通道的两个触针执行接触力学试验，机加工所需的触针上的力与微改变分离所需的力分离。没有拉伸通道的触针将测量机加工该材料所需的力，而具有拉伸通道的触针将测量机加工并分离该材料所需的力。对于类似的接触条件，分离的力然后被解耦。在另一个实施例中，利用机加工触针在多个穿透深度处执行摩擦滑动试验，从而可以获得作为穿透深度的函数的机加工力。然后，具有拉伸通道的触针可用于在机加工力与深度函数的限制内的任何穿透深度处进行试验。
除了通过数值或分析手段获得的预测函数之外，还可以使用试验结果数据库导出经验函数。这允许在接触力学试验中测量的响应与从批量实验获得的值之间存在直接关系。批量试验包括在I型或II型载荷下的断裂韧性试验和夏比V型缺口值。然后可以用尺寸分析将批量实验与来自接触力学的微改变特性关联。
尽管上面的讨论公开了本发明的各种示例性实施例，但应当清楚，在不脱离本发明的真实范围的情况下，本领域技术人员可以进行各种修改，这些修改将实现本发明的一些优点。

Claims (17)

1.一种用于在基底中执行接触力学试验的设备，所述设备包括：
具有至少两个接触元件的触针，每个接触元件具有接触轮廓，所述接触元件布置在所述触针中，以在所述接触元件之间限定拉伸通道，所述触针被构造成使所述基底变形，以使所述基底在所述接触元件之间流动并在所述拉伸通道内引起所述基底中的张力，以便在所述基底中产生并保留微改变。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述触针还被构造成在多个取向上产生并保留所述微改变，所述多个取向包括(a)在所述触针平行于所述基底的未变形表面行进时垂直或横向于所述未变形表面的开口，和/或(b)在压痕模式期间垂直或横向于行进方向的开口。
3.根据权利要求1所述的设备，还包括接合机构，所述接合机构联接到所述触针，并且被构造成提供所述触针在摩擦滑动模式或压痕模式下的移动。
4.根据权利要求1所述的设备，还包括：
至少一个接合机构，所述至少一个接合机构联接到所述触针并且被构造成提供所述触针的移动；和
对准机构，所述对准机构联接到所述至少一个接合机构并且被构造成确立所述触针相对于所述基底的定向和/或位置。
5.根据权利要求1所述的设备，还包括：
至少一个接合机构，所述至少一个接合机构联接到所述触针并且被构造成提供所述触针的移动；和
基底表面测量装置，所述基底表面测量装置联接到所述至少一个接合机构中的一个或多个，以在所述触针行进时测量与所述微改变相关联的所述基底表面的特性。
6.一种用于在基底上执行接触力学试验的方法，所述方法包括：
提供如权利要求1所述的触针；
使所述触针抵靠接合所述基底；和
移动所述触针以执行接触力学试验，以便在所述基底中产生剩余基底表面并保留所述剩余基底表面，所述剩余基底表面具有微改变。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括测量与所述基底中的所述微改变相关联的所述剩余基底表面的特性。
8.根据权利要求6所述的方法，还包括当所述触针在所述基底中产生所述微改变时测量所述触针上的反作用力。
9.根据权利要求6所述的方法，还包括：
提供没有拉伸通道的附加的触针；
使所述附加的触针抵靠接合所述基底；以及
移动所述附加的触针，以产生基底响应。
10.根据权利要求6所述的方法，还包括：
测量与所述基底中的所述微改变相关联的所述基底表面的特性或者测量所述触针上的反作用力；和
在预测算法中利用所述剩余基底表面和/或所述反作用力的测量值来确定与所述基底对微改变引发和传播的抗性相关的、所述基底的机械性能。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括使用塑性材料性能来确定对微改变引发和传播的所述抗性。
12.根据权利要求6所述的方法，还包括：
测量与所述基底中的所述微改变相关联的所述基底表面的特性或者测量所述触针上的反作用力；和
使用所述基底表面和/或所述反作用力的测量值来与基于材料性能和触针几何形状表征应力-应变场的数值模型进行比较，以便开发预测算法。
13.根据权利要求6所述的方法，还包括：
测量与所述基底中的所述微改变相关联的所述基底表面的特性；和
使用经验数据库将所述基底表面的测量值与所述基底的机械性能相关联。
14.根据权利要求6所述的方法，还包括使用温度和/或触针速度来确定韧脆转变。
15.根据权利要求6所述的方法，还包括：以不同的触针穿透深度和/或拉伸通道宽度重复权利要求1的步骤，以评估材料约束对所述基底的影响，所述材料约束与所述基底对微改变引发和传播的抗性有关。
16.根据权利要求6所述的方法，其中，移动所述触针以在所述基底上执行所述接触力学试验是在压痕模式下执行的。
17.根据权利要求6所述的方法，其中，移动所述触针以在所述基底上执行所述接触力学试验是在摩擦滑动模式下执行的。
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