CN117233012A - 仪器化压痕测试金属材料强度性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仪器化压痕测试金属材料强度性能的方法，涉及材料分析测试技术领域，其采用压痕仪器进行测试，其包括以下步骤：标定仪器化压痕测试的材料参数；建立hpile/hcx与n和hmax/R的函数关系：hpile/hcx＝f(n)*g(hmax/R)，其中，hpile为考虑堆积和凹陷效应的压入深度，hcx为只考虑弹性变形的压入深度，n为拉伸试验的硬化指数，hmax为在最大试验力作用下的最大压入深度，R为所述压痕仪器的压头球的半径；通过压痕仪器对待测样品进行仪器化压痕试验；根据仪器化压痕试验计算待测样品的材料强度性能。在发明，提出了完整的仪器化压痕测试金属材料强度性能的方法，利用仪器化压痕试验的结果，通过该方法可以准确的获得材料的强度性能指标。
Description
技术领域
本发明涉及材料分析测试技术领域，具体涉及一种仪器化压痕测试金属 材料强度性能的方法。
背景技术
金属材料的力学性能，尤其是屈服强度和抗拉强度性能对于评价材料在 工程结构方面的适用性及其服役行为具有极为重要的意义。其中，最常用的 测试方法是在简单应力状态下进行的试验，如单轴拉伸、压缩和扭转等。另 一类则是在复杂应力状态下进行的试验，如局部压入试验(硬度试验)，主要 用于表征材料抵抗局部变形的能力。在剑桥大学TABOR和HAGGAG教授 研究工作的基础上，借助于高精度位移及载荷测试装置，局部压入试验技术 获得了进一步的发展，即仪器化压痕试验，能将一定直径的压头压入待测样 品表面，同时测量出压入过程的载荷和压入的深度。
如何利用仪器化压痕试验的结果，获得材料的强度性能指标是工程领域 比较关心的问题。现有的技术中尚未形成统一的方法，而且已有的一些方法 中获得材料的强度性能与拉伸试验的结果偏差还比较大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中获得材料的强度性能 与拉伸试验的结果偏差比较大的缺陷，提供一种仪器化压痕测试金属材料强 度性能的方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
一种仪器化压痕测试金属材料强度性能的方法，其采用压痕仪器进行测 试，所述仪器化压痕测试金属材料强度性能的方法包括以下步骤：
标定仪器化压痕测试的材料参数；
建立hpile/hcx与n和hmax/R的函数关系：hpile/hcx＝f(n)*g(hmax/R)， 其中，hpile为考虑堆积和凹陷效应的压入深度，hcx为只考虑弹性变形的压 入深度，n为拉伸试验的硬化指数，hmax为在最大试验力作用下的最大压入 深度，R为所述压痕仪器的压头球的半径；
通过所述压痕仪器对待测样品进行仪器化压痕试验；
根据仪器化压痕试验计算所述待测样品的材料强度性能。
在本方案中，提出了完整的仪器化压痕测试金属材料强度性能的方法， 利用仪器化压痕试验的结果，通过该方法可以准确的获得材料的强度性能指 标，并且通过该方法可以对构件拉伸性能试验进行有益补充，可实现焊缝、 热影响区的等构件局部力学性能的评估，利用该方法，可以形成便携式拉伸 性能检测仪，可用于在线测量系统原位评估构件的力学性能。
较佳地，所述标定仪器化压痕测试的材料参数的步骤具体包括以下步骤：
根据所述待测样品的拉伸试验数据，获得该材料弹性模量E和硬化指数 n；
根据所述待测样品的拉伸试验数据，建立该材料的有限元仿真材料模型；
根据所述有限元仿真材料模型，建立压入试验的仿真模型；
根据所述压入试验的仿真模型，标定仪器化压痕测试的材料参数。
在本方案中，采用拉伸试验和仿真相结合进行参数标定，有效的解决了 参数标定的问题，参数标定更加合理，有利于提升后期计算材料强度性能的 准确性。
较佳地，所述函数关系：hpile/hcx＝f(n)*g(hmax/R)中的f(n)和g(hmax/R) 为二次多项式。
在本方案中，为二次多项式的函数关系，有利于简化运算，提升运算效 率。
较佳地，所述对所述待测样品进行仪器化压痕试验的步骤具体包括以下 步骤：
将所述待测样品放置在压痕仪器上；
采用多次加载到预设载荷并卸载的方式对所述待测样品进行压痕实验， 其中，每一次加载到的预设载荷的载荷值均不同。
在本方案中，通过多次加载预设载荷，并且每次的预设载荷的载荷值均 不同，能够得到多组实验数据，有利于后期计算材料的强度性能。
较佳地，所述压痕仪器的压头球的直径在0.7mm～2mm的范围中。
较佳地，所述压痕仪器的压头球为碳化硅球形压头。
在本方案中，压头的刚度高，能够保证压痕实验的顺利进行，并且，获 取的实验数更为准确。
较佳地，所述根据仪器化压痕试验计算所述待测样品的材料强度性能的 步骤具体包括以下步骤：
根据所述仪器化压痕试验的结果计算单次加载的压入接触半径rc；
根据rc计算每个加载点的应力和应变；
根据所述应力和应变求取所述待测样品的抗拉强度和或屈服强度。
在本方案中，通过压痕试验的结果首先计算压入接触半径，然后根据压 入接触半径计算应力和应变，进而再求取待测样品的抗拉强度和或屈服强度， 待测样品的抗拉强度和屈服强度的结果更为可靠，偏差较小。
较佳地，所述根据所述仪器化压痕试验的结果计算单次加载的压入接触 半径rc的步骤具体包括以下步骤：
根据所述仪器化压痕试验的结果得出所述待测样品上多个点的加载深 度曲线；
根据所述加载深度曲线，计算hcx；
根据所述函数关系：hpile/hcx＝f(n)*g(hmax/R)计算hpile；
通过公式hc＝hpile+hcx计算接触深度hc；
通过公式计算rc。
在本方案中，首先通过加载深度曲线计算hcx，再利用函数关系hpile/hcx ＝f(n)*g(hmax/R)计算hpile，其中hpile考虑了堆积和凹陷效应，结果更为准 确，从而可以计算得到rc，rc的结果也会更为准确。
较佳地，所述根据所述加载深度曲线，计算hcx的步骤具体包括以下步 骤：
根据所述加载深度曲线的卸载段，计算所述卸载段的接触刚度S；
通过公式hcx＝hmax–0.75*(Fmax/S)，计算hcx，其中Fmax为仪器化 压入试验单次加载的最大试验力。
在本方案中，提供了从加载深度曲线计算hcx的方法。
较佳地，所述根据所述应力和应变求取所述待测样品的屈服强度的步骤 具体包括以下步骤：
根据所述每个加载点的应力和应变获得线性拟合的硬化直线；
根据所述待测样品的弹性模量获得弹性段直线；
获取所述硬化直线与所述弹性段直线的交点对应的屈服应力；
根据所述屈服应力求得所述屈服强度。
在本方案中，采用硬化段直线和弹性段直线相交求取屈服强度的方法， 得出的屈服强度偏差值较小，解决了利用幂函数求取屈服强度偏差较大的问 题。
较佳地，所述根据所述应力和应变求取所述待测样品的抗拉服强度的步 骤具体包括以下步骤：
对每个点的应力和应变求取对数，并采用最小二乘法线性拟合这些点的 数据拟合过程通过以下公式进行：
y＝lnσ，
x＝lnε，
y＝Ax+B，
nc＝A，
K＝eB，其中σ为应力，ε为应变，y为对应力取自然对数，x为对应变取 自然对数，A为线性拟合的斜率，B为线性拟合的截距，nc为仪器化压入试 验测得的硬化指数，K为幂函数关系的强度系数；
通过公式求取所述待测样品的抗拉强度。
本发明的积极进步效果在于：在本发明中，提出了完整的仪器化压痕 测试金属材料强度性能的方法，利用仪器化压痕试验的结果，通过该方法可 以准确的获得材料的强度性能指标，并且通过该方法可以对构件拉伸性能试 验进行有益补充，可实现焊缝、热影响区的等构件局部力学性能的评估，利 用该方法，可以形成便携式拉伸性能检测仪，可用于在线测量系统原位评估 构件的力学性能。
附图说明
图1为本发明仪器化压痕测试金属材料强度性能的方法第一流程图；
图2为本发明仪器化压痕测试金属材料强度性能的方法第二流程图；
图3为本发明仪器化压痕测试金属材料强度性能的方法第三流程图；
图4为本发明仪器化压痕测试金属材料强度性能的方法第四流程图；
图5为本发明仪器化压痕测试金属材料强度性能的方法第五流程图；
图6为本发明仪器化压痕测试金属材料强度性能的方法的压痕压入堆积 和凹陷示意图；
图7为本发明仪器化压痕测试金属材料强度性能的方法的仪器化压痕测 试的加载深度曲线；
图8为本发明仪器化压痕测试金属材料强度性能的方法的屈服点求取示 意图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在 所述的实施例范围之中。
如图1所示，本发明提供了一种仪器化压痕测试金属材料强度性能的方 法，其采用压痕仪器进行测试，仪器化压痕测试金属材料强度性能的方法包 括以下步骤：
S10、标定仪器化压痕测试的材料参数；
S20、建立hpile/hcx与n和hmax/R的函数关系：hpile/hcx＝f(n)*g(hmax/R)， 其中，hpile为考虑堆积和凹陷效应的压入深度，hcx为只考虑弹性变形的压 入深度，n为拉伸试验的硬化指数，hmax为在最大试验力作用下的最大压入 深度，R为压痕仪器的压头球的半径；
具体的，在本实施例中，hpile的单位为mm，hcx的单位为mm，R的 单位为mm。
S30、通过压痕仪器对待测样品进行仪器化压痕试验；
S40、根据仪器化压痕试验计算待测样品的材料强度性能。
在本方案中，提出了完整的仪器化压痕测试金属材料强度性能的方法， 利用仪器化压痕试验的结果，通过该方法可以准确的获得材料的强度性能指 标，并且通过该方法可以对构件拉伸性能试验进行有益补充，可实现焊缝、 热影响区的等构件局部力学性能的评估，利用该方法，可以形成便携式拉伸 性能检测仪，可用于在线测量系统原位评估构件的力学性能。
如图2所示，在本实施例中步骤S10具体包括以下步骤：
S11、根据待测样品的拉伸试验数据，获得该材料弹性模量E和硬化指 数n；
S12、根据待测样品的拉伸试验数据，建立该材料的有限元仿真材料模 型；
S13、根据有限元仿真材料模型，建立压入试验的仿真模型；
S14、根据压入试验的仿真模型，标定仪器化压痕测试的材料参数。
本方法通过采用拉伸试验和仿真相结合进行参数标定，有效的解决了参 数标定的问题，参数标定更加合理，有利于提升后期计算材料强度性能的准 确性。
在本实施例中，函数关系：hpile/hcx＝f(n)*g(hmax/R)中的f(n)和 g(hmax/R)为二次多项式。采用二次多项式的函数关系，有利于简化运算，提 升运算效率。
在本实施例中，步骤S30具体包括以下步骤：
S31、将待测样品放置在压痕仪器上；
S32、采用10次加载到预设载荷并卸载的方式对待测样品进行压痕实验， 其中，每一次加载到的预设载荷的载荷值均不同。
通过多次加载预设载荷，并且每次的预设载荷的载荷值均不同，能够得 到多组实验数据，有利于后期计算材料的强度性能。
在本实施例中，步骤S32中也可以加载的次数也可以更多，不局限于10 次，其中卸载的方式可以为部分卸载也可以全部卸载。
在本实施例中，压痕仪器的压头球的直径在0.7mm～2mm的范围中。
在本实施例中，压痕仪器的压头球为碳化硅球形压头。压头的刚度高， 能够保证压痕实验的顺利进行，并且，获取的实验数更为准确。
在本实施例中，如图3所示，步骤S40具体包括以下步骤：
S41、根据仪器化压痕试验的结果计算单次加载的压入接触半径rc；
S42、根据rc计算每个加载点的应力和应变；
S43、根据应力和应变求取待测样品的抗拉强度和或屈服强度。
本方法通过压痕试验的结果首先计算压入接触半径，然后根据压入接触 半径计算应力和应变，进而再求取待测样品的抗拉强度和或屈服强度，待测 样品的抗拉强度和屈服强度的结果更为可靠，偏差较小。
其中，步骤S42通过以下公式求取应力σ和应变ε：
在本实施例中，如图4所示，步骤S41具体包括以下步骤：
S411、根据仪器化压痕试验的结果得出待测样品上多个点的加载深度曲 线；
S412、根据加载深度曲线，计算hcx；
S413、根据函数关系：hpile/hcx＝f(n)*g(hmax/R)计算hpile；
S414、通过公式hc＝hpile+hcx计算接触深度hc；
S415、通过公式计算rc。
其中hc、hmax、hcx、hpile和R的关系图如图6所示。
加载深度曲线如图7所示，图中横坐标为深度，单位mm，纵坐标为载 荷，单位N，在本实施例中的仪器化压痕试验在加载到预设载荷后，采取了 部分卸载的方式。
本方法，首先通过加载深度曲线计算hcx，再利用函数关系hpile/hcx＝ f(n)*g(hmax/R)计算hpile，其中hpile考虑了堆积和凹陷效应，结果更为准确， 从而可以计算得到rc，rc的结果也会更为准确。
在本实施例中，如图5所示，步骤S412具体包括以下步骤：
S4121、根据加载深度曲线的卸载段，计算卸载段的接触刚度S；
S4122、通过公式hcx＝hmax–0.75*(Fmax/S)，计算hcx，其中Fmax为 仪器化压入试验单次加载的最大试验力。
在本方案中，提供了从加载深度曲线计算hcx的方法。
在本实施例中，如图5所示，步骤S43具体包括以下步骤：
S431、根据每个加载点的应力和应变获得线性拟合的硬化直线；
S432、根据待测样品的弹性模量获得弹性段直线；
S433、获取硬化直线与弹性段直线的交点对应的屈服应力；
S434、根据屈服应力求得屈服强度。
其中，硬化直线和弹性段直线请参考图8，图中，横坐标为应变(％)， 纵坐标为应力(MPa)，实线代表硬化直线，虚线代表弹性段直线，圆圈代表 压痕数据，硬化直线与弹性段直线的交点为屈服点，屈服点对应的应力为屈 服应力。
在本方案中，采用硬化段直线和弹性段直线相交求取屈服强度的方法， 得出的屈服强度偏差值较小，解决了利用幂函数求取屈服强度偏差较大的问 题。
在本实施例中，步骤S43还包括以下步骤：
S435、对每个点的应力和应变求取对数，并采用最小二乘法线性拟合这 些点的数据拟合过程通过以下公式进行：
y＝lnσ，
x＝lnε，
y＝Ax+B，
nc＝A，
K＝eB，其中y为对应力取自然对数，x为对应变取自然对数，A为线性 拟合的斜率，B为线性拟合的截距，nc为仪器化压入试验测得的硬化指数， K为幂函数关系的强度系数；
S436、通过公式求取待测样品的抗拉强度。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理 解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领 域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式 做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
Claims (11)
1.一种仪器化压痕测试金属材料强度性能的方法，其特征在于，其采用压痕仪器进行测试，所述仪器化压痕测试金属材料强度性能的方法包括以下步骤：
标定仪器化压痕测试的材料参数；
建立hpile/hcx与n和hmax/R的函数关系：hpile/hcx＝f(n)*g(hmax/R)，其中，hpile为考虑堆积和凹陷效应的压入深度，hcx为只考虑弹性变形的压入深度，n为拉伸试验的硬化指数，hmax为在最大试验力作用下的最大压入深度，R为所述压痕仪器的压头球的半径；
通过所述压痕仪器对待测样品进行仪器化压痕试验；
根据仪器化压痕试验计算所述待测样品的材料强度性能。
2.如权利要求1所述的仪器化压痕测试金属材料强度性能的方法，其特征在于，所述标定仪器化压痕测试的材料参数的步骤具体包括以下步骤：
根据所述待测样品的拉伸试验数据，获得该材料弹性模量E和硬化指数n；
根据所述待测样品的拉伸试验数据，建立该材料的有限元仿真材料模型；
根据所述有限元仿真材料模型，建立压入试验的仿真模型；
根据所述压入试验的仿真模型，标定仪器化压痕测试的材料参数。
3.如权利要求1所述的一种仪器化压痕测试金属材料强度性能的方法，其特征在于，所述函数关系：hpile/hcx＝f(n)*g(hmax/R)中的f(n)和g(hmax/R)为二次多项式。
4.如权利要求1所述的仪器化压痕测试金属材料强度性能的方法，其特征在于，所述对所述待测样品进行仪器化压痕试验的步骤具体包括以下步骤：
将所述待测样品放置在压痕仪器上；
采用多次加载到预设载荷并部分卸载的方式对所述待测样品进行压痕实验，其中，每一次加载到的预设载荷的载荷值均不同。
5.如权利要求4所述的仪器化压痕测试金属材料强度性能的方法，其特征在于，所述压痕仪器的压头球的直径在0.7mm～2mm的范围中。
6.如权利要求4所述的一种仪器化压痕测试金属材料强度性能的方法，其特征在于，所述压痕仪器的压头球为碳化硅球形压头。
7.如权利要求1所述的仪器化压痕测试金属材料强度性能的方法，其特征在于，所述根据仪器化压痕试验计算所述待测样品的材料强度性能的步骤具体包括以下步骤：
根据所述仪器化压痕试验的结果计算单次加载的压入接触半径rc；
根据rc计算每个加载点的应力和应变；
根据所述应力和应变求取所述待测样品的抗拉强度和或屈服强度。
8.如权利要求7所述的仪器化压痕测试金属材料强度性能的方法，其特征在于，所述根据所述仪器化压痕试验的结果计算单次加载的压入接触半径rc的步骤具体包括以下步骤：
根据所述仪器化压痕试验的结果得出所述待测样品上多个点的加载深度曲线；
根据所述加载深度曲线，计算hcx；
根据所述函数关系：hpile/hcx＝f(n)*g(hmax/R)计算hpile；
通过公式hc＝hpile+hcx计算接触深度hc；
通过公式计算rc。
9.如权利要求8所述的仪器化压痕测试金属材料强度性能的方法，其特征在于，所述根据所述加载深度曲线，计算hcx的步骤具体包括以下步骤：
根据所述加载深度曲线的卸载段，计算所述卸载段的接触刚度S；
通过公式hcx＝hmax–0.75*(Fmax/S)，计算hcx，其中Fmax为仪器化压入试验单次加载的最大试验力。
10.如权利要求7所述的仪器化压痕测试金属材料强度性能的方法，其特征在于，所述根据所述应力和应变求取所述待测样品的屈服强度的步骤具体包括以下步骤：
根据所述每个加载点的应力和应变获得线性拟合的硬化直线；
根据所述待测样品的弹性模量获得弹性段直线；
获取所述硬化直线与所述弹性段直线的交点对应的屈服应力；
根据所述屈服应力求得所述屈服强度。
11.如权利要求7所述的仪器化压痕测试金属材料强度性能的方法，其特征在于，所述根据所述应力和应变求取所述待测样品的抗拉服强度的步骤具体包括以下步骤：
对每个点的应力和应变求取对数，并采用最小二乘法线性拟合这些点的数据拟合过程通过以下公式进行：
y＝lnσ，
x＝lnε，
y＝Ax+B，
nc＝A，
K＝eB，其中σ为应力，ε为应变，y为对应力取自然对数，x为对应变取自然对数，A为线性拟合的斜率，B为线性拟合的截距，nc为仪器化压入试验测得的硬化指数，K为幂函数关系的强度系数；
通过公式求取所述待测样品的抗拉强度。
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