壓入硬度與材料單軸強度的關(guān)系研究

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1、第23卷
第3期實
驗
力
學Vol.23
No.32008年6月JOURNALOFEXPERIMENTALMECHANICSJun.2008文章編號:1001
4888(2008)03
0263
08*壓入硬度與材料單軸強度的關(guān)系研究李世民,馬德軍(裝甲兵工程學院機械工程系,北京100072)摘要:通過量綱分析和有限元數(shù)值計算,對彈塑性材料在Berkovich壓頭作用下的壓入響應(yīng)進行了分析,揭示了Oliver與Pharr壓入硬度與材料屈服強度和單軸強度之和間存在簡單的近似函數(shù)關(guān)系。據(jù)此,材料的屈服強度和強度極限之和可以由壓入

2、測試獲得,鋁合金的拉伸與壓入實驗證實了上述近似函數(shù)關(guān)系的正確性?；谶@一關(guān)系,不僅可以利用壓入技術(shù)對材料強度水平進行直接比較,而且可以預(yù)測中低強度結(jié)構(gòu)鋼的疲勞極限。多種碳鋼和熱處理鋼的疲勞實驗數(shù)據(jù)驗證了利用壓入技術(shù)預(yù)測中低強度結(jié)構(gòu)鋼的疲勞極限的有效性。關(guān)鍵詞:壓入硬度;屈服強度;強度極限中圖分類號:O343


文獻標識碼:A0
引言自上世紀80年代納米壓痕儀問世至今,儀器化壓入設(shè)備已成為測試材料力學性能的有效工具,根[1-5]據(jù)其測得的載荷-位移關(guān)系曲線,可以獲得材料表層硬度和諸多基本力學性能參數(shù)。1992年Oli
ver和

3、Pharr提出基于壓入載荷-位移曲線(如圖1)確定壓入硬度的著名公式,即Oliver與Pharr壓入硬度公式:PmH=(1)A(hc)Pmhc=hm-
(2)S式中,Pm為最大壓入載荷;A(hc)為壓頭與被壓材料間的投影接觸面積,對于理想Berkovich壓頭,A=224.5hc,hc為壓頭與被壓材料間的估算接觸深度;hm為最大壓入深度;
為與壓頭形狀有關(guān)的常數(shù),對[6]于圓錐形壓頭,
=0.72;對于圓柱形壓頭,
=1;當為拋物線形壓頭時,
=0.75;S為初始卸載斜率?？紤]到硬度不是基本的材料力學性能參量,因此如果把硬度

4、作為評價材料強度水平高低的指標,那[7]么它只具有相對意義。為了揭示兩者間的關(guān)系,Tabor50多年前首先提出,金屬的硬度H與材料被壓過程中特征應(yīng)變下的流變應(yīng)力Y0間存在如下關(guān)系:H3Y0,其中流變應(yīng)力Y0被定義為壓入過程中[8]特征應(yīng)變在8%~10%時的流變應(yīng)力。然而,最近Cheng等人通過量綱和有限元分析證明,當材料的[9]屈服強度與彈性模量之比由0.0002變到0.1時,H/Y0將會從2.8減小到1.7。Dao等人也得出了類似的結(jié)論。因此,嚴格講來,迄今為止人們也還沒有建立起壓入硬度與材料基本力學性能間的一般關(guān)系。本文將

5、應(yīng)用量綱和有限元分析,揭示Oliver與Pharr壓入硬度與材料單軸強度的關(guān)系,特別是與材料基本力學性能間的關(guān)系。*收稿日期:2007
09
25;修訂日期:2008
04
17基金項目:國家自然科學基金資助項目(10672185)通訊作者:馬德軍(1964-),男,教授,博士生導(dǎo)師。主要從事材料表面的力學性能測試研究。E
mail:dejunma@yahoo.com264















實
驗
力
學













(2008年)第23卷
圖1
納米壓入加、卸載曲線及有關(guān)參數(shù)示意圖Fig.1
Th

6、ediagramofNanoindentationloading
unloadingcurveandrelativeparameters1
壓入問題的量綱和有限元分析假設(shè)被壓材料為均勻、各向同性、率無關(guān)固體、遵循VonMises屈服準則及各向同性強化準則,其單軸真實應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系由斜率為E的線彈性和服從Hollomon冪硬化規(guī)律的塑性組成,即E
T



T!
T,yT=(3)nT,y(
T/
T,y)


T>
T,y其中,
T,y=T,y/E。圖2
真實與工程應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及有關(guān)參數(shù)示意圖Fig.2
Thediagr

7、amoftrueandengineeringstress
strainrelationandrelative根據(jù)塑性理論,工程應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可以由真實應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系確定得出,圖2為兩者關(guān)系的示意圖。圖中,下標"T"代表真實應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系中的應(yīng)力或應(yīng)變量,而下標"E"則代表工程應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系中第3期










李世民等:壓入硬度與材料單軸強度的關(guān)系研究265的應(yīng)力或應(yīng)變量。真實應(yīng)力、應(yīng)變與工程應(yīng)力、應(yīng)變分別記為T,
T和E,
E,相應(yīng)地,在屈服點的這些量分別記為T,y,
T,y和E,y,
E,y;最大工程應(yīng)力即拉伸

8、強度或強度極限記為E,b,最大真實應(yīng)力、應(yīng)變記為T,b和
T,b。通過分析,可以證明E,y和E,b與材料基本力學性能間的關(guān)系為:2
2/ET,yT,yE,y=T,y/e=T,y/e(4)2
E,y=T,y/eT,y








T,b!
T,yE,b