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原文传递一种利用压痕法计算断裂韧性的方法

专利名称：	一种利用压痕法计算断裂韧性的方法
摘要：	本发明属于断裂韧性测试技术领域，提供了一种利用压痕法计算断裂韧性的方法，包括如下步骤：(1)获得材料压入及卸载阶段深度和载荷之间的关系；(2)由材料卸载时载荷位移曲线，获得塑性残余深度、接触深度状态参数；(3)利用有限元软件预测材料在压头作用下，包含径向位移修正系数以及Berkovich压头非轴对称修正因子；(4)材料单轴拉伸实验，获取材料弹性模量并结合有限元软件由GTN理论从而得到材料临界孔洞率；(5)将压入功与断裂能关联并与应变能密度等价，从而得到由临界塑性残余深度表征的断裂韧性方程。本断裂韧性测试方法能够通过材料小范围的压入实验，快速、低损获取材料的弹性模量及断裂韧性数值。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	山东;37
申请人：	中国石油大学(华东)
发明人：	张玉财;陆敏捷;蒋文春;涂善东;张显程
专利状态：	有效
申请日期：	2019-03-29T00:00:00+0800
发布日期：	2019-06-18T00:00:00+0800
申请号：	CN201910249521.3
公开号：	CN109900554A
代理机构：	青岛智地领创专利代理有限公司
代理人：	陈海滨
分类号：	G01N3/08(2006.01);G;G01;G01N;G01N3
申请人地址：	266580 山东省青岛市黄岛区经济技术开发区长江西路66号
主权项：	1.一种利用压痕法计算断裂韧性的方法，其特征在于，包括如下步骤： (1)基于压痕实验，在恒定速率下，获取不少于6次卸载条件下全程载荷-位移曲线； (2)对每一条卸载曲线30％-70％部分进行一次幂函数参数拟合，获得卸载后残余塑性变形深度hp、接触深度hc参数，计算每条曲线卸载处的卸载刚度；再对每一条卸载曲线再进行一次直线拟合，获取每一条曲线的卸载刚度；第一条曲线的卸载刚度取直线拟合值，第二条开始将幂函数拟合计算的卸载刚度值与直线拟合的值比较，若两者误差在10％内判断幂函数拟合参数有效；对有效的数据点P与hp采用下列公式拟合：其中，hp为卸载后残余塑性变形深度，P为压入载荷，C1、C2、C3为拟合参数且满足C2C3＜0，进而获取hp与P的参数关系； (3)利用有限元对压头压入过程模拟，获取径向位移修正系数以及Berkovich压头非轴对称修正因子，从而获得减缩弹性模量； (4)利用有限元对单轴拉伸过程模拟，获取材料的临界孔洞率； (5)由提出的压入功与断裂能关联公式，结合临界孔洞率计算出断裂韧性；所述的压入功与断裂能关联公式为：其中GIEF为压入断裂能，F(hp)为hp深度下压入功，P(hp)为hp深度下载荷，Ap(hp)为hp深度下压痕投影面面积，其计算式为：其中，γ为径向位移修正系数，hp为卸载后残余塑性变形深度，为临界残余塑性变形深度；结合步骤(2)中获取的P(hp)拟合公式，得压入断裂能关于hp的函数为：其中A、B、C分别为临界残余塑性变形深度通过与ln hp关系求得，其关系为：其中为有效弹性模量，K、b为拟合参数；有效弹性模量计算公式为：其中，υ为被测材料泊松比，υi为压头材料泊松比，Er为减缩弹性模量，Ei为压头弹性模量；在处于临界断裂时候E取对应纵坐标即为临界残余塑性变形深度压入断裂能与应变能密度等价，等价公式为：其中Scr为临界应变能密度，v为材料泊松比，SED为应变能密度；而有则断裂韧性最终求解式为：其中KIC为断裂韧性，E为材料弹性模量。 2.根据权利要求1所述的一种利用压痕法计算断裂韧性的方法，其特征在于，步骤(1)中压痕实验采用恒定的Berkovich压头续加卸载的方法，压头以50mN/s的加载速率进行不少于6次等差加载，并在每一次加载完后卸载，获取全程载荷-位移曲线。 3.根据权利要求1所述的一种利用压痕法计算断裂韧性的方法，其特征在于，步骤(2)中幂函数参数拟合公式为： P＝B(h-hp)m 其中，B、m为拟合参数，hp为卸载后残余塑性变形深度，h为压头压入深度；直线拟合参数关系为： P＝a+S2*h 其中，a为拟合参数，S2为直线拟合参数中的卸载刚度；幂函数参数中的卸载刚度S1通过Oliver-Pharr法获得，由下式计算获得， S1＝Bm(hmax-hp)m-1 4.根据权利要求1所述的一种利用压痕法计算断裂韧性的方法，其特征在于，步骤(3)中减缩弹性模量的计算公式为：其中，Er为减缩弹性模量，β为Berkovich压头非轴对称修正因子，γ为径向位移修正系数，Ac为接触深度面积，S为卸载刚度，卸载刚度S通过Oliver-Pharr法获得。
所属类别：	发明专利