CN113484175A - 一种基于形貌测量的材料力学性能分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于形貌测量的材料力学性能分析方法，包括试样制备、维氏硬度检测、三维形貌测量、形貌数据处理、测试载荷F加载状态的压痕深度获得、计算超声波传播速度、泊松比ν和弹性模量E计算、被测试样的屈服强度σ_y和硬化指数n计算。本发明的有益效果是，利用激光共聚焦的微观三维形貌测量技术，对生产实际应用的维氏硬度检测在被测试件上残留的压痕坑进行测量，并巧妙地与超声传播速度和泊松比的相关性相结合，从而最终得到屈服强度和硬化指数的局部力学性能，以提高材料局部力学性能分析的方便性，提高评价效率，降低评价成本，特别适用于工厂的实际应用。

Description

一种基于形貌测量的材料力学性能分析方法

技术领域

本发明涉及金属材料力学性能测试分析技术，特别是一种基于形貌测量的材料力学性能分析方法。

背景技术

目前针对材料性能评价手段主要包括了拉伸实验和硬度测试，其中拉伸实验能够准确得到材料的弹性模量、屈服强度和硬化指数等材料参数，而硬度测试则能得到材料的硬度值。标准拉伸试验具有很好的准确性和可靠性，而同时也具有一些局限性，主要表现为测量试件较大，测试结果为整块材料的综合性能；试验前提是材料的均匀性假设，然而大部分的材料在微观区域并非均匀，拉伸实验得到的数据不能完全代表实际接触或损伤区域的材料性能。此外，拉伸实验是一个破坏性实验，同一个试样只能进行一次测试。拉伸试验结果用于较为宏观的结构件和整体受力的零件效果非常理想，但是在解释摩擦磨损、疲劳裂纹萌生等微观问题的时就存在明显的不足。特别是硬齿面齿轮等机械零件经过热处理或者其他表面处理技术之后，近表层材料的力学性能与基体材料相差较大，并且这种差异也不能通过宏观拉伸试验得到。随着人们对微观材料研究的深入，微观材料性能分析手段越来越丰富，其中纳米压痕法具有明显的优势。纳米压痕法表征材料微观性能的前提是假设测试区域的性能局部均匀性，所以在测试区域仍然适用于传统应力应变关系。纳米压痕法测量迅速并且具有较高效率，纳米压痕法能够在一定程度上评估材料的机械性能。

对于压痕测试技术主要集中在微纳米尺度范围，这就使得该技术的应用受限于测试设备，特别地，压痕测试系统对于载荷和位移的要求已经达到了纳牛(nN)和纳米(nm)级别，正是这一特征在一定程度上限制了该项技术的实际推广与应用。在工程常用的硬度测试方法中，维氏硬度是一种较为典型的压痕测试技术，但大多数维氏硬度自动检测技术都是基于图像传感器，通过CCD摄像机和压痕图像处理技术进行计算。目前硬度测试仅仅得到了材料的硬度值，没有充分利用硬度测试留下的压痕坑，事实上硬度测试留下的压痕坑的三维形貌与材料力学性能之间存在较为明确的相关性，这种相关性可以通过有限元仿真计算准确得到，之前，也有相关研究者(Oliver和Sonmez)开展了压痕轮廓形貌与材料力学性能之间的关系的研究工作。所以充分利用压痕坑的三维形貌特征以获取被测试样的力学性能具有明显的优越性和工程应用价值。尽管现有技术中，利用纳米压痕原位测量，原子力显微镜，激光共聚焦现代微观表征手段均可以准确地获得压痕的三维形貌。然而，原子力显微镜的仪器成本过高而不适用于大范围的工程应用；纳米压痕原位测量需要单独进行，并在加载过程中测试，测试程序复杂，成本也相对较高。

发明内容

本发明的目的就是针对现有材料局部力学性能评价手段不能与生产实际检测手段相结合的不足，提供一种基于形貌测量材料局部力学性能的分析方法，该方法利用激光共聚焦的微观三维形貌测量技术，对生产实际应用的维氏硬度检测在被测试件上残留的压痕坑进行测量，并巧妙地与超声传播速度和泊松比的相关性相结合，从而最终得到屈服强度和硬化指数的局部力学性能，以提高材料局部力学性能分析的方便性，提高评价效率，降低评价成本。

为实现前述目的，本发明采用如下技术方案。

一种基于形貌测量的材料力学性能分析方法，包括以下步骤：

第一步，试样制备：将被测试样制作成适宜维氏硬度的被测试样，并按维氏硬度检测规范要求进行金相处理；使被测试样具有两个平行的平面，以在维氏硬度检测过程中，利用两个平面中的一个作为与试件载台接触的基准面，另一个面作为检测头加载的承接面，两个平行平面间的距离构成被测试样厚度；

第二步，维氏硬度检测：将金相处理后的被测试样置于维氏硬度计的试样载台上，利用维氏硬度计进行硬度测试，并记录测试载荷F；

第三步，三维形貌测量：利用激光共聚焦显微镜测量由维氏压头在被测试样上形成的四棱锥形压痕坑的三维形貌，并选择坑口两对相对棱边中的任意一对，以该对相对棱边中点连线与维氏压头轴线相交形成的竖向平面作为特征参数提取面，并在特征参数提取面内提取压痕的二维数据；

第四步，形貌数据处理：在特征参数提取面内，以维氏压头轴线为Y轴，以压痕坑顶点为原点0，以平行于相对棱边中点连线的轴线为X轴建立平面坐标系XOY，基于所述坐标系XOY获得压痕坑的残余压痕深度h_f，以及两个中点的坐标分别为(x₁，y₁)和(x₂，y₂)；

步骤五、加载状态的压痕深度获得：基于如下公式计算测试载荷F加载状态的压痕深度h_m：

其中，θ_yt为压头锥角的一半，具体为22°；

第六步、计算超声波传播速度：利用具有超声横波和超声纵波的超声波测厚仪在被测试样厚度方向进行超声测量，并提取超声横波和超声纵波往返被测试样厚度方向上两个平行平面的时间t₁和t₂，并利用如下公式分别计算超声横波和超声纵波在被测试样中的传播速度；

V_h＝2d/t₁；

V_z＝2d/t₂；

其中，d为被测试样的厚度；t₁为超声横波往返被测试样厚度的时间；t₂为超声纵波往返被测试样厚度时间；v_h和v_z分别为横波传输速度和纵波传输速度，且两者单位相同；

第七步、泊松比ν和弹性模量E计算：基于超声波在被测试样中的横波传输速度和纵波传输，按下式计算被测试样的泊松比v：

依据计算得到的泊松比v，按下式计算弹性模量E：

式中，ρ为被测材料的密度；

第八步，计算被测试样的屈服强度σ_y和硬化指数n：基于被测试样的弹性模量E、残余压痕深度h_f和加载状态的压痕深度h_m，通过如下两个计算公式联立求解获得：

式1：

式2：

其中，

其中的两个计算公式为基于有限元分析方法，对ABAQUS分析软件的二次开发获得。

采用前述技术方案的本发明，利用激光共聚焦的微观三维形貌测量技术，对生产实际应用的维氏硬度检测在被测试件上残留的压痕坑进行测量，并巧妙地与超声传播速度和泊松比的相关性相结合，从而最终得到屈服强度和硬化指数的局部力学性能，以提高材料局部力学性能分析的方便性，提高评价效率，降低评价成本。本方法利用测试结果的经验数据，将坑口棱边中点作为维氏测试卸载前后位置不发生改变的点作为计算加载状态压痕深度的依据，能够与利用现有技术的材料力学性能分析手段获得的结果得到相互印证。本方法特别适用于大型齿轮齿面经淬硬处理后齿部的局部力学性能的工厂实际应用，比如，大型水泥齿轮箱中的太阳轮的齿面的局部力学性能分析。其中，试样的厚度，可利用超声波测厚仪检测被测试样时获得，也可通过计量工具获得。

优选的，被测试样的两个平面的平面度均不低于6级精度，且两者之间的平行度也不低于6级精度。进一步确保维氏硬度检测结果准确。

进一步优选，被测试样为六面立方体结构，其长度、宽度和厚度尺寸均在10mm～100mm之间。以尽量准确模拟实际产品，并提高被测试样制作和检测的方便性。

优选的，被测试样的厚度通过千分尺测量获得。以方便地利用工厂实际使用的计量工具，且计量精度高，操作方便，并能够与超声波测厚仪的测试结果进行相互比较。

本发明的有益效果是，利用激光共聚焦的微观三维形貌测量技术，对生产实际应用的维氏硬度检测在被测试件上残留的压痕坑进行测量，并巧妙地与超声传播速度和泊松比的相关性相结合，从而最终得到屈服强度和硬化指数的局部力学性能，以提高材料局部力学性能分析的方便性，提高评价效率，降低评价成本，特别适用于工厂的实际应用。

附图说明

图1是本发明方法的流程框图。

图2是本发明中特征参数提取面内的平面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

参见图1，一种基于形貌测量的材料力学性能分析方法，包括以下步骤：

第一步，试样制备：将被测试样制作成适宜维氏硬度的被测试样，并按维氏硬度检测规范要求进行金相处理；使被测试样具有两个平行的平面，以在维氏硬度检测过程中，利用两个平面中的一个作为与试件载台接触的基准面，另一个面作为检测头加载的承接面，两个平行平面间的距离构成被测试样厚度；其中，被测试样的两个平面的平面度均不低于6级精度，且两者之间的平行度也不低于6级精度，被测试样为六面立方体结构，其长度、宽度和厚度尺寸均在10mm～100mm之间；

第二步，维氏硬度检测：将金相处理后的被测试样置于维氏硬度计的试样载台上，利用维氏硬度计进行硬度测试，并记录测试载荷F；

第三步，三维形貌测量：利用激光共聚焦显微镜测量由维氏压头在被测试样上形成的四棱锥形压痕坑的三维形貌，并选择坑口两对相对棱边中的任意一对，以该对相对棱边中点连线与维氏压头轴线相交形成的竖向平面作为特征参数提取面，并在特征参数提取面内提取压痕的二维数据；

第四步，形貌数据处理：在特征参数提取面内，以维氏压头轴线为Y轴，以压痕坑顶点为原点0，以平行于相对棱边中点连线的轴线为X轴建立平面坐标系XOY，基于所述坐标系XOY获得压痕坑的残余压痕深度h_f，以及两个中点的坐标分别为(x1，y1)和(x2，y2)；具体如图2所示；

第五步、加载状态的压痕深度获得：基于如下公式计算测试载荷F加载状态的压痕深度h_m：

其中，θ_yt为压头锥角的一半，具体为22°；

第六步、计算超声波传播速度：利用具有超声横波和超声纵波的超声波测厚仪在被测试样厚度方向进行超声测量，并提取超声横波和超声纵波往返被测试样厚度方向上两个平行平面的时间t₁和t₂，并利用如下公式分别计算超声横波和超声纵波在被测试样中的传播速度；

V_h＝2d/t₁；

v_z＝2d/t₂；

其中，d为被测试样的厚度，具体通过千分尺测量获得；t₁为超声横波往返被测试样厚度的时间；t₂为超声纵波往返被测试样厚度时间；v_h和v_z分别为横波传输速度和纵波传输速度，且两者单位相同；

第七步、泊松比ν和弹性模量E计算：基于超声波在被测试样中的横波传输速度和纵波传输，按下式计算被测试样的泊松比v：

依据计算得到的泊松比v，按下式计算弹性模量E：

式中，ρ为被测材料的密度；

第八步，计算被测试样的屈服强度σ_y和硬化指数n：基于被测试样的弹性模量E、残余压痕深度h_f和测试载荷F加载状态的压痕深度h_m，通过如下两个计算公式联立求解获得：

式1：

式2：

其中，

其中的两个计算公式为基于有限元分析方法，对ABAQUS分析软件的二次开发获得。

本实施例中的被测试样可以是规则的六面体结构，也可以不规则的六面体结构，只需满足前述尺寸范围和其他相关要求即可。

本实施例用于特别适用于齿轮淬火齿面的材料力学性能分析，可充分发挥工厂现有测试手段的作用，节省分析成本，提高分析效率。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种基于形貌测量的材料力学性能分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，试样制备：将被测试样制作成适宜维氏硬度的被测试样，并按维氏硬度检测规范要求进行金相处理；使被测试样具有两个平行的平面，以在维氏硬度检测过程中，利用两个平面中的一个作为与试件载台接触的基准面，另一个面作为检测头加载的承接面，两个平行平面间的距离构成被测试样厚度；

第二步，维氏硬度检测：将金相处理后的被测试样置于维氏硬度计的试样载台上，利用维氏硬度计进行硬度测试，并记录测试载荷F；

第三步，三维形貌测量：利用激光共聚焦显微镜测量由维氏压头在被测试样上形成的四棱锥形压痕坑的三维形貌，并选择坑口两对相对棱边中的任意一对，以该对相对棱边中点连线与维氏压头轴线相交形成的竖向平面作为特征参数提取面，并在特征参数提取面内提取压痕的二维数据；

第四步，形貌数据处理：在特征参数提取面内，以维氏压头轴线为Y轴，以压痕坑顶点为原点O，以平行于相对棱边中点连线的轴线为X轴建立平面坐标系XOY，基于所述坐标系XOY获得压痕坑的残余压痕深度h_f，以及两个中点的坐标分别为(x₁，y₁)和(x₂，y₂)；

第五步、加载状态的压痕深度获得：基于如下公式计算测试载荷F加载状态的压痕深度h_m：

其中，θ_yt为压头锥角的一半，具体为22°；

第六步、计算超声波传播速度：利用具有超声横波和超声纵波的超声波测厚仪在被测试样厚度方向进行超声测量，并提取超声横波和超声纵波往返被测试样厚度方向上两个平行平面的时间t₁和t₂，并利用如下公式分别计算超声横波和超声纵波在被测试样中的传播速度；

v_h＝2d/t₁；

v_z＝2d/t₂；

其中，d为被测试样厚度；t₁为超声横波往返被测试样厚度的时间；t₂为超声纵波往返被测试样厚度时间；v_h和v_z分别为横波传输速度和纵波传输速度，且两者单位相同；

第七步、泊松比v和弹性模量E计算：基于超声波在被测试样中的横波传输速度和纵波传输，按下式计算被测试样的泊松比v：

依据计算得到的泊松比v，按下式计算弹性模量E：

式中，ρ为被测材料的密度；

第八步，计算被测试样的屈服强度σ_y和硬化指数n：基于被测试样的弹性模量E、残余压痕深度h_f和加载状态的压痕深度h_m，通过如下两个计算公式联立求解获得：

式1：

式2：

其中，

2.根据权利要求1所述的基于形貌测量的材料力学性能分析方法，其特征在于，所述被测试样的两个平面的平面度均不低于6级精度，且两者之间的平行度也不低于6级精度。

3.根据权利要求1所述的基于形貌测量的材料力学性能分析方法，其特征在于，所述被测试样为六面立方体结构，其长度、宽度和厚度尺寸均在10mm～100mm之间。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的基于形貌测量的材料力学性能分析方法，其特征在于，所述被测试样的厚度通过千分尺测量获得。

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