CN1128996C - 一种确定材料微区塑性力学状态方程的方法 - Google Patents

Abstract

一种确定材料微区塑性力学状态方程的方法。本发明根据压入法测量的条件下，载荷P，压应力H和压入深度h之间有相互关系式P＝Ch²H(C为常数)确定了材料微区塑性力学状态方程右式：m是应变速率敏感系数，γ是名义加工硬化系数，是加工硬化系数的表征。恒温下m和γ都是硬化状态H*和应变速率ε的函数。该方法可以节省大量的时间和降低了成本、测量方法自动化、精确度较高，操作简便；并且解决了压入法变形中加工硬化表征的难题，同时该方法还可以测定已有技术无法测定的材料。

Description

一种确定材料微区塑性力学状态方程的方法

技术领域：

本发明属于材料塑性力学范畴，涉及到材料微区塑性力学状态方程的确定及其参数的具体测定方法。

背景技术：

材料在应力作用下的均匀塑性变形反映通常是应变、应变速率、材料显微结构和温度的函数。在给定的温度、应力下，经过足够长的时间，已经证实了有些材料将达到稳定的应变速率和显微结构。在这些参量中，任何波动都使材料的显微结构处于瞬时阶段的新条件状态下，经过一定的时间后，又达到新的稳定状态。Hart认为：一个具有一定组织结构状态的晶体存在一个塑性变形状态(称为硬化状态)，塑性状态方程是具有该显微组织结构晶体的塑性变形状态表征，是一个状态函数，而与它所经历的变形过程无关。它具有唯一性，是只由该晶体的组织结构状态决定的状态函数。这个塑性变形状态可由该硬化状态下测出的应力一塑性应变速率关系来表征，即可用一条应力σ一塑性应变速率ε曲线来表征。由此，可以确定该硬化状态下材料在应力作用下的塑性应变行为。材料拉伸变形过程的参量为：应力σ，应变ε，和应变速率

。任意瞬时变形时产生一定ε和

所需的σ为ε和ε的函数，因而：变温时， $d\log \mathrm{\σ}=\mathrm{\γd\ϵ}+\stackrel{.}{m}(d\log \mathrm{\ϵ}-\mathrm{qd}(1/\mathrm{RT}))----\left(1\right)$

$q=\frac{\∂\log \stackrel{.}{\mathrm{\ϵ}}}{\∂(1/\mathrm{RT})}{)}_{o,\underset{.}{\mathrm{\ϵ}}}$ ＝塑性变形激活能恒温时， $d\log \mathrm{\σ}=\mathrm{\γd\ϵ}+\mathrm{m\; d}\log \stackrel{.}{\mathrm{\ϵ}}---\left(2\right)$

$\mathrm{\γ}=\frac{\∂\log \mathrm{\σ}}{\∂\mathrm{\ϵ}}|\stackrel{.}{\mathrm{\ϵ}}=\mathrm{\θ}/\mathrm{\σ},m=\frac{\∂\log \mathrm{\σ}}{\∂\log \stackrel{.}{\mathrm{\ϵ}}}{|}_{\mathrm{\ϵ}}$ —应交速率敏感系数，

θ＝dσ/dε—加工硬化系数传统的技术是利用室温应力松弛试验测定材料塑性力学状态方程，首先预变形到一定硬化状态，后固定总变形量不动，由于弹性变形向塑性变形转换产生应力松弛，已知***的弹性模量值，可把测定的应力松弛速率转换为塑性应变速率，由于塑性应变量很小，试样的硬度基本不变，可视为是恒硬化状态试验。测完一个松弛循环后再加载到更高塑性变形水平，再做一个松弛循环，得到的不同应力一应变速率关系曲线是不同硬化状态即不同初始应变量下测得的。此技术运行周期较长，所得结果的处理较复杂，试验所需成本很高。参考文献1.Hart E.W.A phenomenological theory for plastic deformation of polycrystallinemetals，1970 Acta Met.，Vol,18，599。2.E.W.Hart，and C.Y.Li，et.al.Phenomenological Theory，149-197。3.Hart E.W Theory ofthe tensile test，1967 Acta Met.，Vol.15，351。

发明内容：

一种确定材料微区塑性力学状态方程的方法，其特征在于测量方法为压入法，在压入法测量的条件下，载荷P，压应力H和压入深度h之间满足：

          P＝Ch²H  (C为常数)                      (3)材料压入变形过程的参量为： $P,H,\mathrm{\ϵ}(\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{dh}}{h}=d\log h),$ 和

而载荷P和单位面积受的压应力H、压入深度h变量之间有相互关系式(3)。材料硬化程度的表征是H*，它只是材料特性的函数，材料在一定载荷下达到的最终压入深度时计算得到的压应力H值是材料的硬度；对于具有一定硬度的材料，在任意瞬时变形时dH，dε，和 满足(2)式所示的关系： $d\log H=\frac{\∂\log H}{\∂\mathrm{\ϵ}}|{\stackrel{.}{\mathrm{\ϵ}}}_{.T}\mathrm{d\ϵ}+\frac{\∂\log H}{\∂\log \stackrel{.}{\mathrm{\ϵ}}}{|}_{\mathrm{\ϵ},T}d\log \stackrel{.}{\mathrm{\ϵ}}$ $=\mathrm{\γ}d\log h+\mathrm{m\; d}\log \stackrel{.}{\mathrm{\ϵ}}---\left(4\right)$ 式中，m是应变速率敏感系数 $m=\frac{\∂\log H}{\∂\log \stackrel{.}{\mathrm{\ϵ}}}{|}_{s,T}---\left(5\right)$ γ是名义加工硬化系数，是加工硬化系数的表征： $\mathrm{\γ}=\frac{\∂\log H}{\∂\mathrm{\ϵ}}|{\stackrel{.}{\mathrm{\ϵ}}}_{,T}------\left(6\right)$ 恒温下m和γ是硬化状态H*和应变速率 的函数。

材料的加工硬化系数γ的测定方法，采用Nano IndenterII纳米显微力学探针，测试在一定温度T＝20℃±1℃下进行，以恒定的加载速率加载到最大载荷，加载速率范围为：0.1-700mN/s，最大载荷范围为：0.1-700mN，接下来以恒定的载荷保持一定时间，压头的压入深度范围为：50nm-3μm；

材料应变速率敏感系数m的测定方法，在一定温度T＝20℃±1℃下，试验采用纳米力学探针以恒定的 的方式加载到最大载荷，然后以恒定载荷保载保持一定时间，

速度范围为：0.0001-1.0s^-1，加载速率范围为：0.1-700mN/s。

由于设备受外界环境条件、样品表面精度、电流及仪器本身的波动等因素的影响，在实验测试中，采用多次重复性实验方法，取重复性好的实验结果进行分析讨论，所以，每个加载速率在相同的条件下重复进行多次实验。

这种试验的设计，对具有恒硬化状态的材料，恒定的 将得到恒定的硬化应变速率

该方法可确定一个具有一定组织结构状态的晶体在一定硬化状态下的应力(σ)、应变(ε)和应变速率

在此三个力学量中任意知道两个，则可通过该塑性状态力学方程计算出第三个力学量。因此可以理论计算材料在应力作用下的塑性应变行为，指导科研和生产。

该方法采用的压入方法确定材料塑性状态力学方程是首创，可以节省大量的时间和降低了成本、测量方法自动化、精确度较高，操作简便；并且解决了压入法变形中加工硬化表征的难题，同时该方法还可以测定已有技术无法测定的材料。

具体实施方式：304不锈钢的加工硬化系数

采用Nano IndenterII纳米显微力学探针，对304不锈钢样品进行显微硬度压入测试，304不锈钢经过1100℃真空固熔处理，表面经电解抛光。测试在一定温度T＝20℃±1℃下进行，以恒定的加载速率7mN/s、23mN/s、62mN/s加载到最大载荷700mN，接下来以恒定的载荷保持10分钟；每个加载速率在相同的条件下重复进行十次实验。

在一定的加载速率下，随着压入深度的增加、压入应变速率的下降，由于存在加工硬化，使压入深度比无加工硬化时的压入深度要小，且随着载荷的增加，压入变形是逐渐减小的，压应力随压入深度的增加而减小，因此，

是负值；加工硬化率越小，此负值的绝对值越小。在恒定的加载速率 条件下，虽然压入应变速率ε随深度的增加而减小，但同时logH的绝对值也下降，二者在相同的数量内变化，对304不锈钢来讲，对此范围内的加载速率的变化的敏感性差，因此，其压入硬化率变化不大，其平均硬化系数为： $\mathrm{\γ}=\frac{d\log H}{d\log h}{|}_{{\mathrm{\ϵ}}^{,T}}=0.30\±0.03$ 304不锈钢的应变速率敏感系数m的测定

样品为304不锈钢经过1100℃真空固熔处理，表面经电解抛光，尽量减少表面处理对硬化状态的影响，所获得的数据是在压头的压入深度为1000nm以上的范围，以最大限度地避免表面层作用的影响，因材料的硬化可能受到表面层或暴露在环境条件下的影响。在一定温度T＝20℃±1℃下，试验采用以恒定的

的方式加载到最大载荷700mN，分别以0.15s^-1，0.05s^-1，0.005s^-1三个速度加载，然后以最大载荷700mN保载十分钟。这种试验的设计，对具有恒硬化状态的材料，恒定的

将得到恒定的硬化应变速率

在试验测试中，采用多次重复性试验方法，取重复性好的试验结果进行分析讨论，所以，每个加载速率在相同的条件下重复进行十次试验。试验由Nano IndenterII显微力学性能探针来完成。

在恒定的 加载过程中，硬度不变；在恒载荷的保持阶段，由于压入深度的继续增加，硬度也随着下降；随着

的减小，硬度H也随之降低。由

分别为0.15s^-1，0.05s^-1，0.005s^-1的速度加载，得到相应的硬度H和压入应变速率ε值，由此得到了在一定压入变形条件下的应变敏感系数的测量值，即： $m=\frac{d\log H}{d\log \stackrel{.}{\mathrm{\ϵ}}}=0.015\±0.009$ 其置信度为87％。

Claims (1)

1.一种确定材料微区塑性力学状态方程的方法，其特征在于采用压入法确定材料微区塑性力学状态方程，在压入法测量的条件下，涉及到的参量有载荷P、压应力H、压入深度h、应力σ、应变ε、应变速率ε，任意瞬时变形时产生一定ε和ε所需的σ为ε和ε的函数，满足塑性力学状态方程：恒温时，d log σ＝γdε+m d logε    (2) $\mathrm{\γ}=\frac{\∂\log \mathrm{\σ}}{\∂\mathrm{\ϵ}}|\mathrm{\ϵ}=\mathrm{\θ}/\mathrm{\σ},m=\frac{\∂\log \mathrm{\σ}}{\∂\log \mathrm{\ϵ}}{|}_{\mathrm{\ϵ}}$ －应变速率敏感系数，θ＝dσ/dε－加工硬化系数载荷P，压应力H和压入深度h之间满足：

P＝Ch²H                       (3)

C为常数材料硬化状态的表征是H*，它只是材料特性的函数，材料在一定载荷下达到的最终压入深度时计算得到的H值是材料的硬度；根据压入法关系式(3)确定了材料微区塑性力学状态方程，对于具有一定硬度的材料，在任意瞬时变形时d H，dε，和dε满足(2)式所示的关系： $d\log H=\frac{\∂\log H}{\∂\mathrm{\ϵ}}|{\stackrel{.}{\mathrm{\ϵ}}}_{,T}\mathrm{d\ϵ}+\frac{\∂\log H}{\∂\log \stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}{|}_{\mathrm{\ϵ},T}d\log \stackrel{.}{\mathrm{\ϵ}}$ $=\mathrm{\γ}d\log h+\mathrm{m\; d}\log \mathrm{\ϵ}---\left(4\right)$ 式中，m是应变速率敏感系数 $m=\frac{\∂\log H}{\∂\log \stackrel{.}{\mathrm{\ϵ}}}{|}_{s,T}---\left(5\right)$ γ是名义加工硬化系数，是加工硬化系数的表征： $\mathrm{\γ}=\frac{\∂\log H}{\∂\mathrm{\ϵ}}|{\stackrel{.}{\mathrm{\ϵ}}}_{,T}------\left(6\right)$ 恒温下m和γ都是硬化状态H*和应变速率 的函数；

材料的加工硬化系数γ的测定方法，采用Nano IndenterlI纳米显微力学探针，测试在一定温度T＝20℃±1℃下进行，以恒定的加载速率加载到最大载荷，加载速率范围为：0.1-700mN/s，最大载荷范围为：0.1-700mN，接下来以恒定的载荷保持一定时间，压头的压入深度范围为：50nm-3μm；

材料应变速率敏感系数m的测定方法，在一定温度T＝20℃±1℃下，试验采用纳米力学探针以恒定的

的方式加载到最大载荷，然后以恒定载荷保载保持一定时间，

速度范围为：0.0001-1.0s^-1，加载速率范围为：0.1-700mN/s。