CN111458243B - 利用压痕仪测定金属力学性能的实验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种利用压痕仪测定金属力学性能的实验方法，在完成压痕试验机械误差测量后，将制备的试样固定住；进行金属或合金试样的压痕试验；将对应的载荷—位移值通过公式换算为真应力—真塑性应变数据点；并进行被测材料的屈服强度换算以及被测材料的抗拉强度估算：本发明通过利用纳米压痕仪进行金属的力学性能测定，得到金属材料的真应力—真应变曲线惯性、屈服强度以及工程极限拉伸强度。本方法通过利用压痕仪的方法，对被测材料进行自动球压痕试验，将试验过程中的每个加、卸载循环进行全程测绘，避免出现理论化的理想值，且有误差补偿环节，可准确、直接测得被测材料的载荷—位移数据、真应力—真应变曲线、屈服强度以及工程极限拉伸强度。

Description

利用压痕仪测定金属力学性能的实验方法
技术领域
本发明涉及一种利用压痕仪测定金属力学性能的实验方法，属于无损力学实验技术领域。
背景技术
社会经济以及飞速发展的科学技术使得人们越来越关注工业生产和设备服役的安全性问题。因此，工业设备的材质检验和寿命评估也成为了人们关注的焦点之一。想要准确地对工业设备进行剩余寿命评估、检验在役设备的性能，掌握材料力学性能的变化情况是必须条件。然而，传统的力学性能测试多数情况下都需要破坏试样，这就意味着传统的力学性能测试方法无法对在役设备进行在线评估，因此，作为一种无损的测试方法，球压痕试验在在役设备的在线评方面发挥着极其重要的作用。
如图1、2所示，常用的压痕试验仪包括龙门架1、传感器2、测试头3、球形压头31、夹具4、操作台5、底座6等部分，
中国专利授权公告号为CN107860671A的专利公开了一种压痕法测量金属材料屈服强度和应***化指数的装置和方法，它通过伺服电机进行载荷的加载，并进行重复的加、卸载过程，当压入深度达到设定的总压痕深度时，停止加载，其得到的载荷—位移曲线由多个加、卸载循环曲线构成，但其每次的卸载过程均是进行部分卸载，无法将每个循环中施加的载荷完全卸除，这对测试的数据显然会带来不小的误差。此外，压痕仪在进行压痕试验的过程中，其自身也会因存在结构变形、结构间隙而产生测量误测，而现在的压痕试验方法中均不含误测补偿环节，目前在国际上还未有压痕试验测试标准，因此这些方法是否能够准确反映被测材料的真实性能也不能确切评判。
因此，在测试过程中让每一个环节的测试数据更为真实可靠，杜绝理想化测量显得尤为重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种测试数据更为真实可靠的利用压痕仪测定金属力学性能的实验方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种利用压痕仪测定金属力学性能的实验方法，包括如下步骤：
步骤1、在完成毛坯取样后，对其表面进行打磨抛光使其满足试样尺寸要求及表面粗糙度要求，即完成金属或合金材料试样的制备；
步骤2、将压痕仪的球形测试头拆下，把平底测试头装上，将压痕仪夹具也从操作台上拆下；
步骤3、进行压痕试验机械误差测量：
3.1在压痕仪控制***中将压痕仪测试头下压的速度设定为V0；
3.2测量过程中需在同一位置进行连续的载荷加载、卸载，一次加载、完全卸载的过程为一个周期，首先在压痕仪控制***中设定加、卸载周期的个数I，I>1，并且设定第i个周期的施加载荷峰值为Pi，其中i＝1、2、3…I，单位：N；
3.3在压痕仪控制***中控制机械误差测量开始：
3.3.1令i＝1，首先进行第一个加、卸载周期；在电机驱动加载下，平底测试头根据设定的下压速度V0逐渐下压，由于平底测试头与压痕仪操作台接触面积大，所以平底测试头不会压入操作台。当平底测试头接触到压痕仪操作台后，压痕仪施加的载荷值从0逐渐变大，直到加载到设定的P1值，此时压痕仪***记录下P1载荷下对应的传感器位移值λ11。然后压痕仪开始进行力的卸载，载荷将从P1慢慢卸载至0，此时压痕仪***将记录下0载荷下传感器的位移值λ21；
3.3.2令i＝i+1，压痕仪将继续进行第i个加载、卸载周期，压痕仪加载的载荷值再次从0慢慢变大，直到加载到设定的Pi值，此时压痕仪***将记录下Pi载荷下对应的传感器位移值λ1i。然后压痕仪开始进行力的卸载，载荷将从Pi再次慢慢卸载至0，此时压痕仪***将记录下0载荷下传感器的位移值λ2i
3.3.3若i<I,则跳转回步骤3.3.2，若i≧I，则继续向下执行步骤3.3.4；
3.3.4此时压痕仪***中所记录的位移值即为压痕仪在对应载荷下整个机械结构的变形量；第I个周期进行完毕后测量结束，压痕仪***中已记录了λ1i(i＝1、2、3……I)以及λ2i(i＝1、2、3……I)两组数据；
步骤4、完成压痕试验机械误差测量后，在压痕仪***中控制力、位移传感器升起，将平底测试头拆除，将压痕仪测试头装上，将夹具安装在压痕仪操作台上，并且通过夹具将步骤1中制备的试样固定住；
步骤5、进行金属或合金试样的压痕试验：
5.1下压速度保持不变，依旧在压痕仪控制***中将压痕仪测试头下压的速度设定为V0；
5.2加、卸载周期的个数保持不变，依旧设置为I(I>1)个，以及第i个周期的施加载荷峰值也保持不变，依旧设置为Pi，其中i＝1、2、3…I，单位：N；
5.3在压痕仪控制***中控制压痕试验开始；
5.3.1令i＝1，首先进行第一个加、卸载周期：在电机驱动加载下，测试头根据设定的下压速度V0慢慢下压，测试头末端的球形压头垂直压入试样表面；当球形压头接触到金属试样后，压痕仪***开始以球形压头的位移值作为横坐标，位移值单位：mm，压痕仪施加的载荷值作为纵坐标，载荷值单位：N，在笛卡尔坐标系中进行同步曲线绘制；施加的载荷值从0慢慢变大，直到加载到设定的P1值，此时压痕仪***将记录下P1载荷下对应的球形压头位移值ht1。然后压痕仪开始进行力的卸载，载荷将从P1慢慢卸载至0，此时压痕仪***将记录下0载荷下球形压头的位移值hp1；
5.3.2令i＝i+1，压痕仪将继续进行第i个加载、卸载周期，压痕仪加载的载荷值再次从0慢慢变大，直到加载到设定的Pi值，此时压痕仪***将记录下Pi载荷下对应的球形压头位移值hti。然后压痕仪开始进行力的卸载，载荷将从Pi再次慢慢卸载至0，此时压痕仪***将记录下0载荷下球形压头的位移值hpi；
5.3.3若i<I,则跳转回步骤5.3.2，若i≧I，则继续向下执行步骤5.3.4；
5.3.4此时压痕仪***中生成一张上述压痕试验过程的载荷—位移曲线图，并且记录了Pi，其中i＝1、2、3……I、hti，其中i＝1、2、3……I以及hpi，其中i＝1、2、3……I三组数据，Pi即为第i个周期施加载荷的峰值，hti即为第i个周期的总压入深度，hpi即为第i个周期的残余压痕深度；
步骤6、将对应的载荷—位移值通过公式换算为真应力—真塑性应变数据点：
6.1在步骤3和步骤5中已得到λ2i、hpi值以及Pi值，根据以下公式：
Figure BDA0002426120920000041
可计算出第i个加载、卸载周期的压痕残余直径dpi，单位：mm；上式中E1为球形压头的弹性模量，单位：Mpa；E2为被测材料的弹性模量，单位：Mpa；D为球形压头的直径，单位：mm；
6.2在步骤6.1中已计算得到dpi，通过下式：
Figure BDA0002426120920000051
可计算得到第i个加载、卸载周期的真应变值εpi，上式中D为球形压头直径；
6.3在步骤6.1和步骤6.2中已计算得到第i个加载、卸载周期的压痕残余直径dpi和真应变值εpi，通过下面的计算流程可计算并得到N组真应力—真应变σt—εp数据点；
6.3.1令i＝0；
6.3.2令i＝i+1，计算
Figure BDA0002426120920000052
然后校核
Figure BDA0002426120920000053
如满足条件，记录并保存σti，然后进行步骤6.3.5，如不满足条件，则进行步骤6.3.3；
6.3.3计算
Figure BDA0002426120920000054
式中αm为约束因子指数，其对低应变速率敏感材料取值为1，然后校核
Figure BDA0002426120920000055
如满足条件，记录并保存σti，然后进行步骤6.3.5，如不满足条件，则进行步骤6.3.4；
6.3.4计算
Figure BDA0002426120920000056
式中αm为约束因子指数，其对低应变速率敏感材料取值为1；E2为被测材料的弹性模量，然后记录并保存σti，然后进行步骤6.3.5，
6.3.5判断是否满足i＝I；如满足，则进行步骤6.4；如不满足，回到步骤6.3.2；
6.4在步骤6.2已经得到N组真应力—真应变σt—εp数据点，压痕仪***将该N个数据点绘于横坐标为真塑性应变εp、纵坐标为真应力σt的笛卡尔坐标系中，真应力σt单位：Mpa，通过拟合即可得到由压痕试验测定的真应力—真塑性应变曲线；
步骤7、被测材料的屈服强度换算：
7.1在步骤3和步骤5中已经得到第i个周期的λ2i(i＝1、2、3……I)、第i个周期施加载荷的峰值Pi(i＝1、2、3……I)以及第i个循环的总压痕深度hti(i＝1、2、3……I)，通过下式：
Figure BDA0002426120920000061
可以计算得到dti(i＝1、2、3……I)，dti(mm)为第i个周期的总压痕直径；
7.2将Pi(i＝1、2、3……I)以及dti(i＝1、2、3……I)作如下变换以得到I个屈服强度换算数据点：
(dti/D；
Figure BDA0002426120920000062
)
上式中，βm为材料屈服系数，B为屈服强度偏移参数，单位Mpa；
将这I个点绘制在以dti/D为横坐标，
Figure BDA0002426120920000063
为纵坐标的笛卡尔坐标系中，通过拟合即可得到屈服强度换算曲线，当dti/D＝1时对应的纵坐标值即为被测材料的屈服强度值αy，单位Mpa；
步骤8、被测材料的抗拉强度估算：
8.1在步骤6中已通过拟合得到被测材料的真应力—真塑性应变曲线，***能够将该曲线的幂关系方程求出，其方程形如y＝Kxn，从而得到强度系数K以及应***化指数n，强度系数K单位：Mpa；
8.2将步骤8.1中得到的强度系数K以及应***化指数n值代入工程极限拉伸强度值表达式中：
Figure BDA0002426120920000071
即可计算出工程极限拉伸强度值σu，单位：Mpa；σu值近似于被测材料的抗拉强度值，因此可用工程极限拉伸强度值σu(Mpa)来估算被测材料的抗拉强度；
步骤9、在压痕仪控制***中控制压痕仪测试头上升一定距离使压痕仪压头与被测材料试样分离；
步骤10、松开压痕仪夹具，调整被测材料试样的位置后再次进行夹紧固定，重复步骤5到步骤9，开始进行下一次压痕试验。
本发明的有益效果是：通过利用压痕仪的方法，对被测材料进行自动球压痕试验，将试验过程中的每个加、卸载循环进行全程测绘，避免出现理论化的理想值，且有误差补偿环节，可准确、直接测得被测材料的载荷—位移数据，由此可进一步得到被测材料的真应力—真应变曲线、屈服强度以及工程极限拉伸强度。
附图说明
图1为压痕仪结构示意图。
图2为压痕仪测试头机构放大图。
图3为金属Q345的试样要求图。
图4为压痕试验载荷加载、卸载周期示意图。
图5为压痕试验得到的金属Q345的载荷—位移曲线图。
图6为压痕试验得到的金属Q345的压痕参数推算曲线图。
图7为压痕试验得到的金属Q345的真应力—真塑性应变曲线及工程极限拉伸强度推算图。
图中：1-压痕仪龙门架；2-力、位移传感器；3-压痕仪测试头；4-夹具体；5-压痕仪操作台；6-压痕仪底座；31-球形压头。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的具体实施方案。
如图1-6所示，一种利用压痕仪测定金属力学性能的实验方法，其具体操作步骤如下：
步骤1、首先进行压痕仪试样的准备，金属Q345的试样尺寸为40*25*15(mm)，且有一定的平行度和平面度要求，具体要求如图3所示；
步骤2、将压痕仪的球形测试头拆下，把平底测试头装上，将压痕仪夹具也从操作台上拆下；
步骤3、在Q345压痕试验前先进行压痕试验机械误差测量：
3.1在压痕仪控制***中将压痕仪测试头下压的速度设定为V0，V0＝3mm/min；
3.2测量过程中需要在同一位置进行连续的载荷加载、卸载，一次加载、完全卸载的过程为一个周期，所以首先需要在压痕仪控制***中设定加、卸载周期的个数I＝8，并且设定第i个周期的施加载荷峰值为Pi(N)(i＝1、2、3、4、5、6、7、8)，P1＝100N、P2＝200N、P3＝300N、P4＝400N、P5＝500N、P6＝600N、P7＝700N、P8＝800N；
3.3在压痕仪控制***中控制机械误差测量开始，在电机驱动加载下，力、位移传感器2根据设定的下压速度V0＝3mm/min慢慢下压，由于拆去了测试头3，力、位移传感器2将直接压在压痕仪操作台5表面，由于力、位移传感器2与压痕仪操作台5接触面积大，所以传感器2不会压入操作台5。当力、位移传感器2接触到压痕仪操作台5的一瞬间，压痕仪施加的载荷值从0慢慢变大，直到加载到设定的P1＝100N，此时压痕仪***将记录下P1＝100N下对应的传感器位移值λ11，在此实施例中λ11＝0.000055mm。然后压痕仪开始进行力的卸载，载荷将从P1＝100N慢慢卸载至0N，此时压痕仪***将记录下0N载荷下传感器2的位移值λ21，在此实施例中λ21＝0.51μm。第一个加载、卸载周期结束后，压痕仪将继续进行第二个加载、卸载周期，载荷值再次从0N慢慢变大，直到加载到设定的P2＝200N，此时压痕仪***将记录下P2＝200N下对应的传感器2位移值λ12，在此实施例中λ12＝0.61μm，然后压痕仪开始进行力的卸载，载荷将从P2＝200N再次慢慢卸载至0N，此时压痕仪***将记录下0N载荷下传感器2的位移值λ22，在此实施例中λ22＝0.56μm……依次进行到第I个，即第8个加载、卸载周期时，载荷值再次从0N慢慢变大，直到加载到设定的P8＝800N，此时压痕仪***将记录下P8＝800N对应的传感器2位移值λ18，在此实施例中λ18＝4.1μm。然后压痕仪开始进行力的卸载，载荷将从P8＝800N再次慢慢卸载至0N，此时压痕仪***将记录下0N载荷下传感器2的位移值λ28，在此实施例中λ28＝3.4μm。因为传感器2不会压入压痕仪操作台5，所以压痕仪***中所记录的位移值即为压痕仪在对应载荷下整个机械结构的变形量。第I个即第8个周期进行完毕后测量结束。此时压痕仪***中已记录了λ1i(i＝1、2、3、4、5、6、7、8)以及λ2i(i＝1、2、3、4、5、6、7、8)两组数据，在此实施例中，λ11＝0.000055μm、λ12＝0.61μm、λ13＝0.69μm、λ14＝0.79μm、λ15＝0.94μm、λ16＝1.6μm、λ17＝2.7μm、λ18＝4.1μm；λ21＝0.51μm、λ22＝0.56μm、λ23＝0.63μm、λ24＝0.72μm、λ25＝0.86μm、λ26＝1.2μm、λ27＝2.3μm、λ28＝3.4μm。
步骤4、完成压痕试验机械误差测量后，在压痕仪***中控制力、位移传感器2升起，将平底测试头拆除，将压痕仪的球形测试头3重新装上，夹具4也重新安装在压痕仪操作台5上，并且通过夹具4将步骤1中制备的Q345试样固定住；
步骤5、进行Q345试样的压痕试验：
5.1下压速度保持不变，依旧在压痕仪控制***中将压痕仪测试头3下压的速度设定为V0，V0＝3mm/min；
5.2测量过程中需要在同一点进行连续的载荷加载、卸载，如图4所示，一次加载、完全卸载的过程为一个周期，加、卸载周期的个数保持不变，依旧设置为I(I＝8)个，以及第i个周期的施加载荷峰值也保持不变，依旧设置为Pi(N)(i＝1、2、3、4、5、6、7、8)，P1＝100N、P2＝200N、P3＝300N、P4＝400N、P5＝500N、P6＝600N、P7＝700N、P8＝800N；
5.3在压痕仪控制***中控制压痕试验开始，在电机驱动加载下，测试头3根据设定的下压速度V0＝3mm/min慢慢下压，测试头3末端的球形压头31垂直压入Q345试样表面。当球形压头31接触到Q345试样的一瞬间，压痕仪***开始以球形压头31的位移值(mm)作为横坐标，压痕仪施加的载荷值(N)作为纵坐标在笛卡尔坐标系中进行同步曲线绘制。施加的载荷值从0N慢慢变大，直到加载到设定的P1＝100N时,压痕仪***将记录下P1＝100N下对应的球形压头31位移值ht1，在此实施例中，ht1＝0.01734mm，然后压痕仪开始进行力的卸载，载荷将从P1＝100N慢慢卸载至0N，此时压痕仪***将记录下0N时球形压头31的位移值hp1，在此实施例中，hp1＝0.01625mm。第一个加载、卸载周期结束后，压痕仪将继续进行第二个加载、卸载周期，载荷值再次从0N慢慢变大，直到加载到设定的P2＝200N，此时压痕仪***将记录下P2＝200N时对应的球形压头31位移值ht2，在此实施例中，ht2＝0.03011mm。然后压痕仪开始进行力的卸载，载荷将从P2＝200N再次慢慢卸载至0N，此时压痕仪***将记录下0载荷下球形压头31的位移值hp2，在此实施例中，hp2＝0.02634mm……依次进行到第8个加载、卸载周期时，载荷值再次从0N慢慢变大，直到加载到设定的P8＝800N，此时压痕仪***将记录下P8＝800N时对应的球形压头位移值ht8，在此实施例中，ht8＝0.13258mm，然后压痕仪开始进行力的卸载，载荷将从P8＝800N再次慢慢卸载至0N，此时压痕仪***将记录下0N载荷下球形压头31的位移值hp8，在此实施例中，hp8＝0.120812mm。第8个周期进行完毕后测量结束。如图5所示，此时压痕仪***中已生成一张上述压痕试验过程的载荷—位移曲线图，并且压痕仪***中已记录了Pi(i＝1、2、3、4、5、6、7、8)、hti(i＝1、2、3、4、5、6、7、8)以及hpi((i＝1、2、3、4、5、6、7、8)三组数据，Pi即为第i个周期施加载荷的峰值，在此实施例中，P1＝100N、P2＝200N、P3＝300N、P4＝400N、P5＝500N、P6＝600N、P7＝700N、P8＝800N；hti即为第i个周期的总压入深度，在此实施例中，ht1＝0.01734mm、ht2＝0.03011mm、ht3＝0.04667mm、ht4＝0.06321mm、ht5＝0.08001mm、ht6＝0.09592mm、ht7＝0.11321mm、ht8＝0.13258mm；hpi即为第i个周期的残余压痕深度，在此实施例中，hp1＝0.01625mm、hp2＝0.02634mm、hp3＝0.04435mm、hp4＝0.06023mm、hp5＝0.07382mm、hp6＝0.09156mm、hp7＝0.10867mm、hp8＝0.120812mm；
步骤6、将对应的载荷—位移值通过公式换算为真应力—真塑性应变数据点：
6.1在步骤3和步骤5中已得到λ2i、hpi值以及Pi值，根据以下公式：
Figure BDA0002426120920000121
可计算出第i个加载、卸载周期的压痕残余直径dpi(mm)。上式中E1(Mpa)为球形压头的弹性模量，E1＝510000Mpa；E2(Mpa)为被测材料的弹性模量，E2＝206000Mpa；D(mm)为球形压头的直径，D＝1mm。将各值代入，可得在此实施例中，dp1＝0.25287mm，dp2＝0.32029mm，dp3＝0.41174mm，dp4＝0.47582mm，dp5＝0.52296mm，dp6＝0.57681mm，dp7＝0.62245mm，dp8＝0.65182mm。
6.2在步骤6.1中已计算得到第i个加载、卸载周期的压痕残余直径dpi，通过下式：
Figure BDA0002426120920000122
可计算得到第i个加载、卸载周期的真应变值εpi(i＝1、2、3、4、5、6、7、8)，上式中D为球形压头直径，D＝1mm，将dpi值代入，可得第i个加载、卸载周期的真应变值，在此实施例中，εp1＝0.05162，εp2＝0.07103，εp3＝0.08712，εp4＝0.10013，εp5＝0.11012，εp6＝0.12157，εp7＝0.13312，εp8＝0.14311。
6.3在步骤6.1和步骤6.2中已计算得到第i个加载、卸载周期的压痕残余直径dpi和真应变值εpi，通过下面的计算流程：
6.3.1令i＝0；
6.3.2令i＝i+1，计算
Figure BDA0002426120920000123
然后校核
Figure BDA0002426120920000124
如满足条件，记录并保存σti，然后进行步骤6.3.5，如不满足条件，则进行步骤6.3.3；
6.3.3计算
Figure BDA0002426120920000125
式中αm为约束因子指数，其对低应变速率敏感材料取值为1，然后校核
Figure BDA0002426120920000131
如满足条件，记录并保存σti，然后进行步骤6.3.5，如不满足条件，则进行步骤6.3.4；
6.3.4计算
Figure BDA0002426120920000132
式中αm为约束因子指数，其对低应变速率敏感材料取值为1；E2为被测材料的弹性模量，然后记录并保存σti，然后进行步骤6.3.5，
6.3.5判断是否满足i＝I；如满足，则进行步骤6.4；如不满足，回到步骤6.3.2；
可计算得到第i个加载、卸载周期的真应力值σti(Mpa)，在此实施例中，σt1＝645.91241Mpa，σt2＝689.89564Mpa，σt3＝702.67565Mpa，σt4＝706.85345Mpa，σt5＝710.01274Mpa，σt6＝715.47847Mpa，σt7＝719.02374Mpa，σt8＝720.10637Mpa。
这样就可以得到8组σti—εpi(真应力—真应变)数据点，(0.05162，645.91241)、(0.07103，689.89564)、(0.08712，702.67565)、(0.10013，706.85345)、(0.11012，710.01274)、(0.12157，715.47847)、(0.13312，719.02374)、(0.14311，720.10637)
6.3在步骤6.2已经得到8组σt—εp(真应力—真应变)数据点，如图7所示，压痕仪***将这8个数据点绘于横坐标为真塑性应变εp、纵坐标为真应力σt(Mpa)的笛卡尔坐标系中，通过拟合即可得到由压痕试验测定的真应力—真塑性应变曲线；
步骤7、Q345的屈服强度换算：
7.1在步骤3和步骤5中已经得到第i个周期的λ2i(i＝1、2、3、4、5、6、7、8)、第i个周期施加载荷的峰值Pi(i＝1、2、3、4、5、6、7、8)以及第i个循环的总压痕深度hti(i＝1、2、3、4、5、6、7、8)，通过下式：
Figure BDA0002426120920000141
可以计算得到dti(i＝1、2、3、4、5、6、7、8)，dti(mm)为第i个周期的总压痕直径。将D＝1mm、λ2i值以及hti值代入，可得dt1＝0.25343mm、dt2＝0.34823mm、dt3＝0.42112mm、dt4＝0.48341mm、dt5＝0.54572mm、dt6＝0.59019mm、dt7＝0.63087mm、dt8＝0.68831mm。
7.2将Pi(i＝1、2、3、4、5、6、7、8)以及dti(i＝1、2、3、4、5、6、7、8)作如下变换以得到8个屈服强度换算数据点：
(dti/D；
Figure BDA0002426120920000142
)
上式中，βm为材料屈服系数，B(Mpa)为屈服强度偏移参数，在本实施例中，βm＝0.22，B＝0。
如图6所示，将这8个点绘制在以dti/D为横坐标，
Figure BDA0002426120920000143
为纵坐标的笛卡尔坐标系中，通过拟合即可得到屈服强度换算曲线，当dti/D＝1时对应的纵坐标值即为被测材料的屈服强度值αy(Mpa)，再本实施例中，Q345试样的屈服强度值αy＝400.41Mpa。
步骤8、Q345的抗拉强度估算：
8.1在步骤6中已通过拟合得到被测材料的真应力—真塑性应变曲线，***能够将该曲线的幂关系方程求出，其方程形如y＝Kxn，从而得到强度系数K(Mpa)以及应***化指数n。如图7所示，***能已将该曲线的幂关系方程求出，该幂关系方程为：
y＝883.17x0.0997
如图7所示，可得强度系数K＝883,17Mpa，应***化指数n＝0.0997
8.2将步骤8.1中得到的强度系数K＝883,17Mpa、应***化指数n＝0.0997以及e＝2.71828代入工程极限拉伸强度值表达式：
Figure BDA0002426120920000151
即可计算出工程极限拉伸强度值σu(Mpa)。σu(Mpa)值近似于被测材料的抗拉强度值，因此可用工程极限拉伸强度值σu(Mpa)来估算被测材料的抗拉强度。如图7所示，在此实施例中，σu＝635.2067213Mpa
步骤9、在压痕仪控制***中控制压痕仪测试头3上升一定距离使压痕仪压头与Q345试样分离；
步骤10、松开压痕仪夹具4，调整Q345试样的位置后再次进行夹紧固定，重复步骤5到步骤9，开始进行下一次压痕试验。
上述的实施例仅例示性说明本发明创造的原理及其功效，以及部分运用的实施例，而非用于限制本发明；应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种利用压痕仪测定金属力学性能的实验方法，包括如下步骤：
步骤1、在完成毛坯取样后，对其表面进行打磨抛光使其满足试样尺寸要求及表面粗糙度要求，即完成金属或合金材料试样的制备；
步骤2、将压痕仪的球形测试头拆下，把平底测试头装上，将压痕仪夹具也从操作台上拆下；
步骤3、进行压痕试验机械误差测量：
3.1在压痕仪控制***中将压痕仪测试头下压的速度设定为V0；
3.2测量过程中需在同一位置进行连续的载荷加载、卸载，一次加载、完全卸载的过程为一个周期，首先在压痕仪控制***中设定加、卸载周期的个数I，I>1，并且设定第i个周期的施加载荷峰值为Pi，其中i＝1、2、3…I，单位：N；
3.3在压痕仪控制***中控制机械误差测量开始：
3.3.1令i＝1，首先进行第一个加、卸载周期；在电机驱动加载下，平底测试头根据设定的下压速度V0逐渐下压，由于平底测试头与压痕仪操作台接触面积大，所以平底测试头不会压入操作台，当平底测试头接触到压痕仪操作台后，压痕仪施加的载荷值从0逐渐变大，直到加载到设定的P1值，此时压痕仪***记录下P1载荷下对应的传感器位移值λ11，然后压痕仪开始进行力的卸载，载荷将从P1慢慢卸载至0，此时压痕仪***将记录下0载荷下传感器的位移值λ21；
3.3.2令i＝i+1，压痕仪将继续进行第i个加载、卸载周期，压痕仪加载的载荷值再次从0慢慢变大，直到加载到设定的Pi值，此时压痕仪***将记录下Pi载荷下对应的传感器位移值λ1i，然后压痕仪开始进行力的卸载，载荷将从Pi再次慢慢卸载至0，此时压痕仪***将记录下0载荷下传感器的位移值λ2i
3.3.3若i<I,则跳转回步骤3.3.2，若i≧I，则继续向下执行步骤3.3.4；
3.3.4此时压痕仪***中所记录的位移值即为压痕仪在对应载荷下整个机械结构的变形量；第I个周期进行完毕后测量结束，压痕仪***中已记录了λ1i(i＝1、2、3……I)以及λ2i(i＝1、2、3……I)两组数据；
步骤4、完成压痕试验机械误差测量后，在压痕仪***中控制力、位移传感器升起，将平底测试头拆除，将压痕仪测试头装上，将夹具安装在压痕仪操作台上，并且通过夹具将步骤1中制备的试样固定住；
步骤5、进行金属或合金试样的压痕试验：
5.1下压速度保持不变，依旧在压痕仪控制***中将压痕仪测试头下压的速度设定为V0；
5.2加、卸载周期的个数保持不变，依旧设置为I(I>1)个，以及第i个周期的施加载荷峰值也保持不变，依旧设置为Pi，其中i＝1、2、3…I，单位：N；
5.3在压痕仪控制***中控制压痕试验开始；
5.3.1令i＝1，首先进行第一个加、卸载周期：在电机驱动加载下，测试头根据设定的下压速度V0慢慢下压，测试头末端的球形压头垂直压入试样表面；当球形压头接触到金属试样后，压痕仪***开始以球形压头的位移值作为横坐标，位移值单位：mm，压痕仪施加的载荷值作为纵坐标，载荷值单位：N，在笛卡尔坐标系中进行同步曲线绘制；施加的载荷值从0慢慢变大，直到加载到设定的P1值，此时压痕仪***将记录下P1载荷下对应的球形压头位移值ht1，然后压痕仪开始进行力的卸载，载荷将从P1慢慢卸载至0，此时压痕仪***将记录下0载荷下球形压头的位移值hp1；
5.3.2令i＝i+1，压痕仪将继续进行第i个加载、卸载周期，压痕仪加载的载荷值再次从0慢慢变大，直到加载到设定的Pi值，此时压痕仪***将记录下Pi载荷下对应的球形压头位移值hti，然后压痕仪开始进行力的卸载，载荷将从Pi再次慢慢卸载至0，此时压痕仪***将记录下0载荷下球形压头的位移值hpi；
5.3.3若i<I,则跳转回步骤5.3.2，若i≧I，则继续向下执行步骤5.3.4；
5.3.4此时压痕仪***中生成一张上述压痕试验过程的载荷—位移曲线图，并且记录了Pi，其中i＝1、2、3……I、hti，其中i＝1、2、3……I以及hpi，其中i＝1、2、3……I三组数据，Pi即为第i个周期施加载荷的峰值，hti即为第i个周期的总压入深度，hpi即为第i个周期的残余压痕深度；
步骤6、将对应的载荷—位移值通过公式换算为真应力—真塑性应变数据点：
6.1在步骤3和步骤5中已得到λ2i、hpi值以及Pi值，根据以下公式：
Figure FDA0002426120910000031
可计算出第i个加载、卸载周期的压痕残余直径dpi，单位：mm；上式中E1为球形压头的弹性模量，单位：Mpa；E2为被测材料的弹性模量，单位：Mpa；D为球形压头的直径，单位：mm；
6.2在步骤6.1中已计算得到dpi，通过下式：
Figure FDA0002426120910000032
可计算得到第i个加载、卸载周期的真应变值εpi，上式中D为球形压头直径；
6.3在步骤6.1和步骤6.2中已计算得到第i个加载、卸载周期的压痕残余直径dpi和真应变值εpi，通过下面的计算流程可计算并得到N组真应力—真应变σt—εp数据点；
6.3.1令i＝0；
6.3.2令i＝i+1，计算
Figure FDA0002426120910000041
然后校核
Figure FDA0002426120910000042
如满足条件，记录并保存σti，然后进行步骤6.3.5，如不满足条件，则进行步骤6.3.3；
6.3.3计算
Figure FDA0002426120910000043
式中αm为约束因子指数，其对低应变速率敏感材料取值为1，然后校核
Figure FDA0002426120910000044
如满足条件，记录并保存σti，然后进行步骤6.3.5，如不满足条件，则进行步骤6.3.4；
6.3.4计算
Figure FDA0002426120910000045
式中αm为约束因子指数，其对低应变速率敏感材料取值为1；E2为被测材料的弹性模量，然后记录并保存σti，然后进行步骤6.3.5，
6.3.5判断是否满足i＝I；如满足，则进行步骤6.4；如不满足，回到步骤6.3.2；
6.4在步骤6.2已经得到N组真应力—真应变σt—εp数据点，压痕仪***将该N个数据点绘于横坐标为真塑性应变εp、纵坐标为真应力σt的笛卡尔坐标系中，真应力σt单位：Mpa，通过拟合即可得到由压痕试验测定的真应力—真塑性应变曲线；
步骤7、被测材料的屈服强度换算：
7.1在步骤3和步骤5中已经得到第i个周期的λ2i(i＝1、2、3……I)、第i个周期施加载荷的峰值Pi(i＝1、2、3……I)以及第i个循环的总压痕深度hti(i＝1、2、3……I)，通过下式：
Figure FDA0002426120910000051
可以计算得到dti(i＝1、2、3……I)，dti(mm)为第i个周期的总压痕直径；
7.2将Pi(i＝1、2、3……I)以及dti(i＝1、2、3……I)作如下变换以得到I个屈服强度换算数据点：
Figure FDA0002426120910000052
上式中，βm为材料屈服系数，B为屈服强度偏移参数，单位Mpa；
将这I个点绘制在以dti/D为横坐标，
Figure FDA0002426120910000053
为纵坐标的笛卡尔坐标系中，通过拟合即可得到屈服强度换算曲线，当dti/D＝1时对应的纵坐标值即为被测材料的屈服强度值αy，单位Mpa；
步骤8、被测材料的抗拉强度估算：
8.1在步骤6中已通过拟合得到被测材料的真应力—真塑性应变曲线，***能够将该曲线的幂关系方程求出，其方程形如y＝Kxn，从而得到强度系数K以及应***化指数n，强度系数K单位：Mpa；
8.2将步骤8.1中得到的强度系数K以及应***化指数n值代入工程极限拉伸强度值表达式中：
Figure FDA0002426120910000061
即可计算出工程极限拉伸强度值σu，单位：Mpa；
步骤9、在压痕仪控制***中控制压痕仪测试头上升一定距离使压痕仪压头与被测材料试样分离；
步骤10、松开压痕仪夹具，调整被测材料试样的位置后再次进行夹紧固定，重复步骤5到步骤9，开始进行下一次压痕试验。
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