CN110823735B - 基于非均匀应力构筑表面硬度差异性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于非均匀应力构筑表面硬度差异性的方法，属于力学测试领域。通过在拉伸试件标距段内制备双V形缺口作为固有缺陷，并施加静态单轴拉伸载荷，可实现一组双V形缺口尖端连线区域非均匀应力的构筑。结合在该非均匀应力区域点阵式的纳米压痕实验，可同步获取不同应力状态下材料的纳米压痕响应，从而直接获取压痕区域材料的表面硬度，结合面参数拟合，可获取该非均匀应力区域内的表面硬度分布图谱，即实现非均匀应力场的构筑和表面硬度差异性的测试，为可控表面应力状态和力学性能差异性的构筑以及具有固有缺陷的结构材料表面力学性能差异性评价提供新颖的评估与测量方法。
Description
技术领域
本发明涉及材料力学性能测试领域，特别涉及一种基于非均匀应力构筑表面硬度差异性的方法，适用于对材料平面应力状态和表面硬度分布的有效调控，亦可用于带有固有缺陷的材料表面硬度分布图谱的高分辨率无损表征。本发明可构筑结构材料构件的可控盈利梯度和表面力学性能，可为承受多向应力或复合载荷的结构件表面力学评估提供评估方法，并为材料表面超精密加工、表面改性、表面强化等提供测试方法支撑。
背景技术
结构材料的表面力学性能决定了其表面在服役工科下的可靠性和耐久性，亦影响材料的摩擦磨损、高压接触和表面疲劳等性能。在实际工程应用中，喷丸、激光强化、表面硬质涂层、物理气相沉积、化学气相沉积等一系列表面改性和表面工程技术被广泛应用于诸多精密加工和装备制造等领域，并且纳米压痕和纳米划痕测试亦可有效评估材料微尺度上微结构演化行为并获取材料表面力学性能参数，如表面结合强度、摩擦系数、磨损速率、涂层厚度、杨氏模量和硬度等。对结构材料而言，实际服役工况会导致其表面和内部应力的非均匀化，即在承受多向应力或复合载荷时，材料表面的应力场是复杂有序且具有明显应力梯度的应力场，该应力场会导致表面力学性能(尤其是表面硬度和杨氏模量)的显著差异。而就多向应力或复合载荷的施加，传统方法通常依靠多轴驱动即传动系统实现双轴拉伸或拉伸-弯曲复合测试，鲜见通过单轴准静态载荷实现复杂非均匀应力场的有效方法。与此同时，材料在合成、成型和制备过程中，其内部和表面的固有缺陷亦会导致显著的应力集中并影响材料表面应力分布和力学性能。因此，截至目前，缺少有效的可控非均匀表面应力构建方法，亦鲜见材料表面非均匀应力与表面力学性能相关性的定量测试方法，限制了多向应力或复合载荷条件下材料力学性能的高分辨率精确评估。
纳米压痕测试方法通过连续记录加载和卸载过程中的压入载荷和深度来拟合载荷-深度曲线，直接获取材料的杨氏模量和硬度。对于具有平坦化和表面应力非均匀性的试件表面，亦可通过阵列式纳米压痕测试和高精度的面参数拟合方法，直接获取非均匀应力表面的杨氏模量和硬度分布特性，尤其是对于特征尺寸毫米级以下的微尺度构件，尽管因缺陷导致的非均匀应力对表面力学性能的影响极其显著，但传统宏观尺度的力学测试方法难以实现对微区的高分辨测试，亦难以实现表面微尺度的无损检测。
综上，尽管喷丸和激光强化等表面改性工艺可改善材料表面力学性能，且纳米压痕测试已广泛用于材料微区微观力学性能的评估，但鲜见通过改变材料微区几何结构实现显著表面力学性能差异性的构建方法，亦缺少表面非均匀应力与表面力学性能相关性的相关报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于非均匀应力构筑表面硬度差异性的方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明针对现有非均匀表面应力的构件方法和表面非均匀应力与表面力学性能相关性的构建方法，提供一种具有显著应力梯度非均匀应力场的构筑方法。本发明通过在拉伸试件标距段内制备双V形缺口作为固有缺陷，并施加静态单轴拉伸载荷，可实现一组双V形缺口尖端连线区域非均匀应力的构筑。结合该非均匀应力微区的表面力学性能分布和梯度特征，可建立在V形缺口连线区域内非均匀应力与表面力学性能之间的相关性，并可同V形缺口的形态与布局，实现非均匀应力场的有效调控。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
基于非均匀应力构筑表面硬度差异性的方法，应用于需调控表面应力状态和表面力学性能的结构材料，包括以下步骤：
步骤一、通过线切割工艺制备适用于卧式单轴拉伸测试的毫米级矩形试件，在试件标距的两侧边亦通过慢走丝线切割工艺加工出非对称式双V形缺口作为初始缺陷，每个V形缺口的深度不超过试件宽度的1/2，且V形缺口的尖端沿试件几何轴线方向上的距离不超过试件宽度；在此基础上，对卧式试件进行单面机械抛光实现表面平坦化，并通过表面电化学抛光削弱加工硬化和表面残余应力，进一步，采用激光接触式光刻对双V形缺口进行精细化加工，以实现低于10微米的缺口尖端半径；
步骤二、在卧式试件施加准静态拉伸载荷直至试件标距段所受的平均等效应力低于试件材料屈服应力，通过自锁机构实现保载，通过三维数字散斑应变分析技术，精确计量试件抛光面的应变分布，结合有限元分析获取的双V形缺口裂纹尖端连线区域的应力分布，确定获取的非均匀应力场；通过建立沿两组正交方向的直角坐标系，即建立基于沿试件几何轴线方向和垂直于试件几何轴线方向，以及沿V形缺口裂纹尖端连线和垂直于V形缺口裂纹尖端连线方向的直角坐标系，确定以一组V形缺口为边界的标距范围内的试件应力分布、大小与各向梯度特性；
步骤三、基于获取的应力梯度，在双V形缺口裂纹尖端连线区域内，基于恒压入深度或恒压入载荷模式，开展点阵式纳米压痕测试；为获取较高的表面力学性能参数拟合精度且避免压痕凸起和残余应力对毗邻压痕测点的影响，相邻纳米压痕测试的间距为最大压入深度的20倍；纳米压痕阵列的分布特性为椭圆形，该椭圆的长轴为两双V形缺口裂纹尖端连线，短轴为垂直于缺口裂纹尖端连线，且椭圆轴比为4：1；进一步，通过获取的不同应力状态下材料表面的纳米压痕响应，以上述直角坐标系中两正交方向应力值为平面横坐标，以计算获取的表面硬度为纵坐标，通过对离散硬度值的二次曲面拟合，获取该非均匀应力区域内的表面硬度分布图谱，即实现可控非均匀应力场的构筑和表面硬度差异性的测试。
短间距点阵式纳米压痕测试适用于带有固有缺陷的材料表面硬度分布图谱的直接获取。
通过调整两V形缺口尖端的相对位置，即沿试件几何轴线和垂直于试件几何轴线的间距，实现对平面应力状态和表面硬度分布的有效调控。该方法可用于对表面硬度梯度特征的高分辨率无损表征和表面非均匀应力与表面力学性能相关性的构建。
本发明的有益效果在于：传统材料非均匀应力的构筑方法大多依靠多轴应力或复合载荷的施加，涉及较为复杂的驱动及传动单元。本发明通过在拉伸试件标距段内制备双V形缺口作为固有缺陷，并施加静态单轴拉伸载荷，即可实现具有显著应力梯度的非均匀应力场的构筑；与此同时，通过调整预制缺陷的相对位置，亦可构筑可控梯度的非均匀应力场；此外，该方法可通过压痕硬度分布特性的高精度拟合，建立表面力学性能差异性和非均匀应力场之间的相关性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的基于双V形缺口非均匀应力构筑方法和表面硬度差异性的阵列式纳米压痕测试方法示意图；
图2为本发明的双V形缺口连线区的非均匀应力分布特性；
图3为本发明的双V形缺口连线区的阵列式纳米压痕测试及获取的沿缺口连线和垂直与缺口连线路径上的压痕载荷-深度曲线；
图4为本发明的缺口连线区硬度分布以及非均匀应力场与硬度分布的相关性。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图4所示，本发明的基于非均匀应力构筑表面硬度差异性的方法，应用对象为需调控表面应力状态和表面力学性能的结构材料，该方法通过在拉伸试件标距段内制备双V形缺口作为固有缺陷，并施加静态单轴拉伸载荷，可实现一组双V形缺口尖端连线区域非均匀应力的构筑。结合在该非均匀应力区域点阵式的纳米压痕实验，可同步获取不同应力状态下材料的纳米压痕响应，从而直接获取压痕区域材料的表面硬度，结合面参数拟合，可获取该非均匀应力区域内的表面硬度分布图谱，即实现非均匀应力场的构筑和表面硬度差异性的测试，为可控表面应力状态和力学性能差异性的构筑以及具有固有缺陷的结构材料表面力学性能差异性评价提供新颖的评估与测量方法。该方法包括以下步骤：
①通过线切割工艺制备适用于卧式单轴拉伸测试的毫米级矩形试件，在卧式试件标距的两侧边亦通过慢走丝线切割工艺加工出非对称式双V形缺口作为初始缺陷，每个V形缺口的深度不超过试件宽度的1/2，且V形缺口的尖端沿试件几何轴线方向上的距离不超过试件宽度；在此基础上，对卧式试件进行单面机械抛光实现表面平坦化，并通过表面电化学抛光削弱加工硬化和表面残余应力，进一步，采用激光接触式光刻对双V形缺口进行精细化加工，以实现低于10微米的缺口尖端半径。
②在卧式试件施加准静态拉伸载荷直至试件标距段所受的平均等效应力低于试件材料屈服应力，通过自锁机构实现保载，通过三维数字散斑应变分析技术，精确计量试件抛光面的应变分布，结合有限元分析获取的双V形缺口裂纹尖端连线区域的应力分布，确定获取的非均匀应力场；通过建立沿两组正交方向的直角坐标系，即建立基于沿试件几何轴线方向和垂直于试件几何轴线方向，以及沿V形缺口裂纹尖端连线和垂直于V形缺口裂纹尖端连线方向的直角坐标系，确定以一组V形缺口为边界的标距范围内的试件应力分布、大小与各向梯度特性。
③基于获取的应力梯度，在双V形缺口裂纹尖端连线区域内，基于恒压入深度(如100纳米)或恒压入载荷(如1微牛)模式，开展点阵式纳米压痕测试；为获取较高的表面力学性能参数拟合精度且避免压痕凸起和残余应力对毗邻压痕测点的影响，相邻纳米压痕测试的间距为最大压入深度的20倍；纳米压痕阵列的分布特性为椭圆形，该椭圆的长轴为两双V形缺口裂纹尖端连线，短轴为垂直于缺口裂纹尖端连线，且椭圆轴比为4：1；进一步，通过获取的不同应力状态下材料表面的纳米压痕响应，以上述直角坐标系中两正交方向应力值为平面横坐标，以计算获取的表面硬度为纵坐标，通过对离散硬度值的二次曲面拟合，获取该非均匀应力区域内的表面硬度分布图谱，即实现可控非均匀应力场的构筑和表面硬度差异性的测试。
本发明涉及的短间距点阵式纳米压痕测试适用于带有固有缺陷的材料表面硬度分布图谱的直接获取。此外，该方法可通过调整两V形缺口尖端的相对位置，即沿试件几何轴线和垂直于试件几何轴线的间距，实现对平面应力状态和表面硬度分布的有效调控，有望改变传统材料非均匀应力的构筑方法大多依靠多轴应力或复合载荷的分步和同步施加，该方法亦可用于对表面硬度梯度特征的高分辨率无损表征和表面非均匀应力与表面力学性能相关性的构建。
实施例：
参见图1至图4所示，基于《GB/T 228-2002金属材料室温拉伸试验方法》，以典型金属结构材料(如镁合金、钛合金或大块非晶合金)为应用对象，通过电火花线切割加工制备平板型卧式单轴拉伸试件。在线切割加工过程中，在矩形试件两侧边加工出锋利的非对称式双V形缺口作为初始缺陷，V形缺口的夹角不大于40°。考虑到线切割钼丝的直径所形成的V形缺口尖端半径一般大于100微米，因此，进一步采用激光接触式光刻加工实现双V形缺口尖端低于10微米的缺口尖端半径。以矩形试件标距段(长宽比为4：1，即标距长度为4毫米，宽度为1毫米)为例，预制双V形缺口尖端沿试件几何轴线的间距为1毫米，垂直于试件几何轴线的间距为0.2毫米，对平板型卧式试件进行平坦化的机械抛光加工和去表面残余应力的电化学抛光，以便后续的阵列式纳米压痕测试。为评估该双V形预制缺口与非均匀应力场的像关系，对该缺口试件施加准静态拉伸载荷，并保证该载荷对应的等效应力不高于同样标距尺寸且无缺陷试件材料屈服应力。实际测试中，结合卧式拉伸试验装置的蜗轮蜗杆等自锁机构，实现基于去掉预拉伸应力下的保载。对于非均匀应力场的测量，一方面可通过数字散斑应变分析组件(GOM三维光学应变测量系统ARAMIS)，结合一组双目摄像头，获取该V形预制缺口区域基于不同预拉伸应力下的应变分布，进而间接获取非均匀应力场；另一方面，亦可通过建立与样品几何形状一致的分析模型并开展与载荷工况一致的有限元分析，直接获取V形预制缺口区域的应力分布和梯度特定。
在此基础上，在双V形缺口裂纹尖端连线区域内，开展点阵式纳米压痕测试。该测试可基于恒压入深度(如100nm)或恒压入载荷(如10mN)模式。基于Oliver-Pharr测试方法与国际纳米压痕测试标准ISO14577-1的规定，基于获取的点阵式压痕压入载荷-深度加载及卸载曲线，可计算卸载曲线顶端处的斜率，得到计算刚度S为：
其中，P为对应的压入载荷，α和m为与被测材料相关的拟合参数，h和hf分别为弹性半无限空间条件下的实时压入深度和残余深入。且材料的杨氏模量E、折合模量Er和所用金刚石压头杨氏模量Ei(1140GPa)的关系可见2表达，其中μ和μi分别为试件材料和金刚石压头材料的泊松比(0.07)。
在实际纳米压痕测试中，压痕阵列形成的等效平面区域为轴比为4：1(长轴为1.04微米，短轴为0.51微米)，考虑到边界效应对纳米压痕边缘塑性流动和凸起现象的影响，临界V形缺口尖端的压痕点与缺口尖端的直线距离为25微米，且相邻纳米压痕测点的间距为2微米。以v尖端连线方向和试件抛光面上该方向的垂线方向建立直角坐标系，将获取的阵列式压痕硬度和该测点在直角坐标系中两正交方向的坐标输入Matlab软件，通过其二次曲面拟合工具等获取非均匀应力区域内的硬度分布，并据此构建非均匀应力场和硬度分布间的相关性。由此可见，可通过双V形缺口的合理布局，获取非均匀应力区域，实现显著应力提u的构建和应力梯度的可控。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于非均匀应力构筑表面硬度差异性的方法，其特征在于：应用于需调控表面应力状态和表面力学性能的结构材料，包括以下步骤：
步骤一、通过线切割工艺制备适用于卧式单轴拉伸测试的毫米级矩形试件，在试件标距的两侧边亦通过慢走丝线切割工艺加工出非对称式双V形缺口作为初始缺陷，每个V形缺口的深度不超过试件宽度的1/2，且V形缺口的尖端沿试件几何轴线方向上的距离不超过试件宽度；在此基础上，对卧式试件进行单面机械抛光实现表面平坦化，并通过表面电化学抛光削弱加工硬化和表面残余应力，进一步，采用激光接触式光刻对双V形缺口进行精细化加工，以实现低于10微米的缺口尖端半径；
步骤二、在卧式试件施加准静态拉伸载荷直至试件标距段所受的平均等效应力低于试件材料屈服应力，通过自锁机构实现保载，通过三维数字散斑应变分析技术，精确计量试件抛光面的应变分布，结合有限元分析获取的双V形缺口裂纹尖端连线区域的应力分布，确定获取的非均匀应力场；通过建立沿两组正交方向的直角坐标系，即建立基于沿试件几何轴线方向和垂直于试件几何轴线方向，以及沿V形缺口裂纹尖端连线和垂直于V形缺口裂纹尖端连线方向的直角坐标系，确定以一组V形缺口为边界的标距范围内的试件应力分布、大小与各向梯度特性；
步骤三、基于获取的应力梯度，在双V形缺口裂纹尖端连线区域内，基于恒压入深度或恒压入载荷模式，开展点阵式纳米压痕测试；为获取较高的表面力学性能参数拟合精度且避免压痕凸起和残余应力对毗邻压痕测点的影响，相邻纳米压痕测试的间距为最大压入深度的20倍；纳米压痕阵列的分布特性为椭圆形，该椭圆的长轴为两双V形缺口裂纹尖端连线，短轴为垂直于缺口裂纹尖端连线，且椭圆轴比为4：1；进一步，通过获取的不同应力状态下材料表面的纳米压痕响应，以上述直角坐标系中两正交方向应力值为平面横坐标，以计算获取的表面硬度为纵坐标，通过对离散硬度值的二次曲面拟合，获取该非均匀应力区域内的表面硬度分布图谱，即实现可控非均匀应力场的构筑和表面硬度差异性的测试。
2.根据权利要求1所述的基于非均匀应力构筑表面硬度差异性的方法，其特征在于：短间距点阵式纳米压痕测试适用于带有固有缺陷的材料表面硬度分布图谱的直接获取。
3.根据权利要求1所述的基于非均匀应力构筑表面硬度差异性的方法，其特征在于：通过调整两V形缺口尖端的相对位置，即沿试件几何轴线和垂直于试件几何轴线的间距，实现对平面应力状态和表面硬度分布的有效调控。
4.根据权利要求3所述的基于非均匀应力构筑表面硬度差异性的方法，其特征在于：该方法可用于对表面硬度梯度特征的高分辨率无损表征和表面非均匀应力与表面力学性能相关性的构建。
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