一种采用球压痕法测试金属材料拉伸性能的方法

摘要

本发明公开了一种采用球压痕法测试金属材料拉伸性能的方法，包括步骤：对待测材料表面进行清污及平整处理；采用压痕仪对待测材料进行预加载，然后进行连续两次加卸载循环，获得载荷‑位移曲线；根据第一次卸载前的载荷及位移数据对采集的载荷‑位移曲线进行零点拟合，得到完整的载荷‑位移曲线；根据完整载荷‑位移曲线上的第一次卸载阶段的载荷及位移数据，计算待测材料的接触刚度及约化弹性模量，计算得到弹性模量；根据完整载荷‑位移曲线上的加载过程中的载荷及位移数据，计算相应的应力、应变，并绘制应力‑应变曲线，根据应力‑应变曲线类型选择拉伸性能计算模型。本发明无需预知材料的塑性硬化本构关系即可检测并计算金属材料的拉伸性能。

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料拉伸性能测试技术领域，具体涉及一种采用球压痕法测试金属材料拉伸性能的方法。

背景技术

在石油化工、核电、冶金、船舶、航空航天、铁路公路等领域中有大量服役在高温高压、腐蚀性介质或循环载荷等工况下的设备，如承压设备、石油管线、桥梁和大型锻件等，恶劣的工作环境及长期的疲劳损耗会对设备材料性能造成影响，使得材料的屈服强度、抗拉强度等拉伸性能相比初始状态持续劣化，严重威胁着设备的安全运行。因此，力学性能测试对能源化工等服役设备的寿命预测和可靠性评价具有重要意义。

传统的拉伸性能评价方法主要有单轴拉伸实验、小冲杆等微试样实验以及硬度测试，其中单轴拉伸和小冲杆等试样实验都需要破坏性取样，其不仅需要在役设备停机并在实验室进行试验，而且会对设备造成损伤；硬度测试虽然能够在工程现场使用却仅能通过硬度值反应材料的综合力学性能，估算强度基于经验公式存在较大误差。因此，测试过程仅形成毫微米级压痕的球压痕法成为目前评价在役设备拉伸性能最有潜力的手段。

目前，现有的球压痕测试方法大都通过球形压头对被测材料同一位置进行多次加卸载循环得到有限个应力应变点，然后在预知材料的塑性硬化本构关系的情况下，选用幂律硬化或线性硬化方程对这些应力应变点进行拟合，从而得到应力应变曲线及强度。这种测试方法不仅检测时间长、效率低，更重要的是实际应用中通常无法预知材料硬化行为，因此选用不同的硬化本构方程拟合会出现完全不同的结果，导致测试结果偏差大，同时由于多次压入循环后会产生较大压痕损伤和堆积效应，导致各个循环计算得到的弹性模量相差较大，无法获取屈服阶段的变形信息，因此拟合得到的应力应变曲线仅包括材料塑性变形阶段，不能完全反映材料的真实力学响应。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种采用球压痕法测试金属材料拉伸性能的方法，无需预知材料的塑性硬化本构关系即可检测并计算金属材料的拉伸性能。

本发明采用的技术解决方案是：

本发明提供了一种采用球压痕法测试金属材料拉伸性能的方法，包括如下步骤：

(1)对待测材料表面进行清污及平整处理，使其待测区域表面光滑无明显划痕；

(2)采用带有球形压头的压痕仪对待测材料进行预加载，预加载完成后使位移记录数据清零，保留预加载载荷数据，以预加载载荷数据为起点继续加载，进行连续两次加卸载循环，获得载荷-位移曲线；

(3)根据第一次卸载前的载荷及位移数据对步骤(2)获得的载荷-位移曲线进行零点拟合以获取预加载过程中丢失的载荷-位移数据，得到完整的载荷-位移曲线；

(4)根据步骤(3)获得的完整载荷-位移曲线上的第一次卸载阶段的载荷及位移数据，计算待测材料的接触刚度S及约化弹性模量E

(5)根据步骤(3)获得的完整载荷-位移曲线上的第一次加载及第二次加载过程中的载荷及位移数据，计算相应的应力值及应变值；

(6)根据步骤(4)得到的弹性模量E及步骤(5)得到的应力值及应变值绘制应力-应变曲线，并根据所获得的应力-应变曲线类型选择相应的拉伸性能计算模型，计算待测材料的拉伸性能。

进一步地，所述步骤(2)中球形压头直径为1.0～2.0mm，设定压入深度为0.06～0.1mm。

在上述技术方案中，通过对球形压头的直径及压入深度进行限制，降低堆积效应的影响。

进一步地，所述步骤(2)中预加载载荷为5～15N。

在上述技术方案中，通过预加载可以保证初始压入的稳定性以及避免材料表面粗糙度导致的采集数据误差。

进一步地，所述步骤(2)中第一次卸载为压入深度达到0.03～0.06R时，第一次卸载卸除40％～60％当前载荷；第二次卸载为压入深度达到设定压入深度时，第二次卸载卸除全部载荷。

在上述技术方案中，通过限定在压入深度达到0.03～0.06R时，进行卸载，保证待测材料在该压入位置未出现压痕损伤且堆积效应弱，以便于利用该压入深度下的卸载数据计算待测材料的弹性模量，并减小弹性模量计算误差。

进一步地，所述步骤(3)中零点拟合的具体步骤为：

(3-1)根据公式(1)对第一次卸载前的载荷及位移数据(P

(3-2)根据公式(1)计算P

其中，P为零点拟合后的载荷值，P

进一步地，所述步骤(4)中待测材料的弹性模量E的具体计算步骤为：

(4-1)根据公式(3)对步骤(3)获得的完整载荷-位移曲线上的第一次卸载阶段的载荷及位移数据进行拟合，得到拟合参数k

(4-2)根据公式(4)、(5)(6)计算待测材料的接触刚度S及约化弹性模量E

S＝2aE

(4-3)根据公式(7)及约化弹性模量E

其中，h

进一步地，所述步骤(5)中待测材料的应力值、应变值的计算公式为：

其中，K

本发明的有益效果为：

(1)本发明所提供的一种采用球压痕法测试金属材料拉伸性能的方法，通过两次球压痕加卸载循环，并将加载过程中全部载荷-位移数据纳入计算，可以获得完整的应力-应变曲线，根据应力-应变曲线判断材料硬化行为，然后选择相应的计算模型计算材料的屈服强度或抗拉强度，无需预设材料塑性硬化本构方程对应力应变点进行拟合，能够反应金属材料的真实力学响应，提高计算准确度，且检测方便、效率高；

(2)本发明通过预加载和零点拟合消除测试过程中的影响，使得采集数据更加真实可靠；

(3)本发明通过对压入深度、压头大小的限制以及对接触半径的修正，消除堆积效应的影响，减小弹性模量计算误差。

附图说明

为了清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的流程图；

图2是本发明数据计算处理过程中所得到的相应曲线图；

图3是球形压头压入材料表面的示意图；

图4是球形压头压入过程中压入深度变化图；

图5是实施例1零点拟合前后的载荷-位移曲线；

图6是实施例1零点拟合前后的应力-应变曲线；

图7是对比例1所得到的应力-应变曲线。

具体实施方式

本发明提供了一种采用球压痕法测试金属材料拉伸性能的方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明进行详细说明：

参照图1及图2，本发明提供了一种采用球压痕法测试金属材料拉伸性能的方法，包括如下步骤：

(1)对待测材料表面进行清污及平整处理，具体可采用砂纸或抛光机等工具打磨待测区域，使其表面光滑无明显划痕；

(2)采用带有球形压头的压痕仪，将直径为1.0～2.0mm的球形压头移动至待测区域，使其以恒定速度垂直压入待测材料表面，压入过程中保持位移传感器及载荷传感器实时记录数据，当压入载荷达到5～15N时，位移记录数据清零，保留载荷数据，以此为数据采集起点继续加载，压入深度达到0.03～0.06R时，控制压头以恒定速度抬升，并卸除40％～60％当前载荷，然后以恒定速度继续加载，压入深度达到设定压入深度后，设定压入深度为0.06～0.1mm，控制压头以恒定速度抬升并卸除全部载荷，采集得到位移-载荷曲线；

(3)根据第一次卸载前的载荷及位移数据对步骤(2)采集的载荷-位移曲线进行零点拟合以获取预加载过程中丢失的载荷-位移数据，得到完整的载荷-位移曲线；具体步骤为：

(3-1)根据公式(1)对压入深度为0.03～0.06R前的载荷及位移数据(P

(3-2)根据公式(1)计算P

其中，P为零点拟合后的载荷值，P

(4)根据步骤(3)获得的完整载荷-位移曲线上的第一次卸载阶段的载荷及位移数据，计算待测材料的接触刚度S及约化弹性模量E

(4-1)根据公式(3)对步骤(3)获得的完整载荷-位移曲线上的第一次卸载阶段的载荷及位移数据进行拟合，得到拟合参数k

(4-2)根据公式(4)、(5)(6)及步骤(4-1)得到的拟合参数k

S＝2aE

(4-3)根据公式(7)及约化弹性模量E

其中，h

(5)根据步骤(3)获得的完整载荷-位移曲线上的第一次加载及第二次加载过程中的载荷及位移数据，计算相应的应力值及应变值；待测材料的应力值、应变值的计算公式为：

其中，K

τ＝(2.89-1.12)/ln(27) (11)

K

(6)根据步骤(4)得到的弹性模量E及步骤(5)得到的应力值及应变值绘制应力-应变曲线，并根据所获得的应力-应变曲线类型判断待测材料屈服和硬化行为，从而选择相应的拉伸性能计算模型，计算屈服强度及抗拉强度。

上述步骤(6)得到的应力-应变曲线包括屈服阶段及塑性变形阶段。其中，对于屈服阶段：如果待测材料的应力-应变曲线中具有屈服平台，可以直接读取上下屈服点获得屈服强度；如果屈服现象不明显，则规定屈服强度为与应力-应变的直线关系的极限偏差达到规定值(通常为材料发生0.2％延伸率)时的应力。对于塑性变形阶段：如果待测材料为幂律硬化材料，则先按照公式σ＝k

另外，上述步骤(2)中限定了球形压头直径以及最大压入深度，其目的是降低堆积效应的影响。如图3所示，球形压头压入过程中会产生堆积效应，导致压头的实际接触半径a大于计算值a

实施例1

本实施例根据上述方法对15CrMoR进行测试，其中，球形压头的直径为1.0mm，球形压头两次加载速度及卸载速度为0.5mm/min，预加载载荷为10N，第一次加载时的压入深度为0.02mm，第一次卸载时卸除50％当前载荷，第二次加载时的压入深度为0.1mm，第二次卸载时卸除全部载荷，采集得到载荷-位移曲线，并对上述采集得到的载荷-位移曲线进行零点拟合，本实施例零点拟合前后的载荷-位移曲线如图5所示，零点拟合前后得到的应力-应变曲线如图6所示。本实施例中，各拟合参数为：k

通过图5及图6可以看出，由于测试过程采集的载荷-位移曲线丢失初始压入载荷信息，导致相同位移内的载荷偏大，从而计算得到的应力值偏大，使得应力应变曲线初始阶段误差较大。

通过图6得到的零点拟合后的应力-应变曲线，可以得出该材料为幂律硬化材料，而且该材料存在屈服平台，可以直接得出该材料的屈服强度，对于抗拉强度，按照幂律硬化公式计算其抗拉强度，并将计算结果与15CrMoR标准拉伸试样拉伸实验结果进行对比，如表1所示。

另外，从图6得到的零点拟合前的应力-应变曲线可以看出，零点拟合前应力应变曲线初始应力值严重偏大，曲线变形，无法通过该曲线得到屈服强度，因此，只计算其抗拉强度，其抗拉强度计算结果与15CrMoR标准拉伸试样拉伸实验结果进行对比，如表1所示。

通过表1中零点拟合前后计算结果进行对比，零点拟合后计算结果精确度高，误差小，其计算误差小于5％，满足工程应用要求。

表1

对比例1

本对比例1与实施例1的区别在于，本对比例对15CrMoR材料采用连续球压痕法进行检测，连续加卸载12次，经过幂律拟合之后得到的应力-应变曲线如图7所示。

本对比例中，由于多次加卸载可以获得多个弹性模量，多个弹性模量的数值不同且有较大差距，因此无法给出一个确切的弹性模量值，因此，本对比例中仅计算了屈服强度及抗拉强度，计算得到的屈服强度及抗拉强度计算结果与15CrMoR标准拉伸试样拉伸实验结果进行对比，如表2所示。将本对比例1的计算结果与实施例1中零点拟合后计算结果相比，实施例1中零点拟合后得到的计算结果精确度更高。

另外，对于试验用15CrMoR材料，是承压设备常用金属材料，我们已预先了解该材料是幂律硬化材料，因此采用连续球压痕获得载荷-位移曲线后，选用幂律硬化方程对应力、应变进行拟合，可以得到较好的计算结果，与实施例1的计算结果相差较小。但如果该材料的硬化行为未知，则在拟合过程中不能确定是选用幂律硬化方程还是线性硬化方程进行拟合，而且选用不同的硬化本构方程拟合会出现完全不同的结果，将导致测试结果偏差大。

表2

需要说明的是，本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。