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《压入硬度与材料单轴强度的关系研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、第23卷第3期实验力学Vol.23No.32008年6月JOURNALOFEXPERIMENTALMECHANICSJun.2008文章编号:10014888(2008)03026308*压入硬度与材料单轴强度的关系研究李世民,马德军(装甲兵工程学院机械工程系,北京100072)摘要:通过量纲分析和有限元数值计算,对弹塑性材料在Berkovich压头作用下的压入响应进行了分析,揭示了Oliver与Pharr压入硬度与材料屈服强度和单轴强度之和间存在简单的近似函数关系。据此,材料的屈服强度和强度极限之和可以由压入
2、测试获得,铝合金的拉伸与压入实验证实了上述近似函数关系的正确性。基于这一关系,不仅可以利用压入技术对材料强度水平进行直接比较,而且可以预测中低强度结构钢的疲劳极限。多种碳钢和热处理钢的疲劳实验数据验证了利用压入技术预测中低强度结构钢的疲劳极限的有效性。关键词:压入硬度;屈服强度;强度极限中图分类号:O343文献标识码:A0引言自上世纪80年代纳米压痕仪问世至今,仪器化压入设备已成为测试材料力学性能的有效工具,根[1-5]据其测得的载荷-位移关系曲线,可以获得材料表层硬度和诸多基本力学性能参数。1992年Oliver和
3、Pharr提出基于压入载荷-位移曲线(如图1)确定压入硬度的著名公式,即Oliver与Pharr压入硬度公式:PmH=(1)A(hc)Pmhc=hm-(2)S式中,Pm为最大压入载荷;A(hc)为压头与被压材料间的投影接触面积,对于理想Berkovich压头,A=224.5hc,hc为压头与被压材料间的估算接触深度;hm为最大压入深度;为与压头形状有关的常数,对[6]于圆锥形压头,=0.72;对于圆柱形压头,=1;当为抛物线形压头时,=0.75;S为初始卸载斜率。考虑到硬度不是基本的材料力学性能参量,因此如果把硬度
4、作为评价材料强度水平高低的指标,那[7]么它只具有相对意义。为了揭示两者间的关系,Tabor50多年前首先提出,金属的硬度H与材料被压过程中特征应变下的流变应力Y0间存在如下关系:H3Y0,其中流变应力Y0被定义为压入过程中[8]特征应变在8%~10%时的流变应力。然而,最近Cheng等人通过量纲和有限元分析证明,当材料的[9]屈服强度与弹性模量之比由0.0002变到0.1时,H/Y0将会从2.8减小到1.7。Dao等人也得出了类似的结论。因此,严格讲来,迄今为止人们也还没有建立起压入硬度与材料基本力学性能间的一般关系。本文将
5、应用量纲和有限元分析,揭示Oliver与Pharr压入硬度与材料单轴强度的关系,特别是与材料基本力学性能间的关系。*收稿日期:20070925;修订日期:20080417基金项目:国家自然科学基金资助项目(10672185)通讯作者:马德军(1964-),男,教授,博士生导师。主要从事材料表面的力学性能测试研究。Email:dejunma@yahoo.com264实验力学(2008年)第23卷图1纳米压入加、卸载曲线及有关参数示意图Fig.1Th
6、ediagramofNanoindentationloadingunloadingcurveandrelativeparameters1压入问题的量纲和有限元分析假设被压材料为均匀、各向同性、率无关固体、遵循VonMises屈服准则及各向同性强化准则,其单轴真实应力-应变关系由斜率为E的线弹性和服从Hollomon幂硬化规律的塑性组成,即ETT!T,yT=(3)nT,y(T/T,y)T>T,y其中,T,y=T,y/E。图2真实与工程应力-应变关系及有关参数示意图Fig.2Thediagr
7、amoftrueandengineeringstressstrainrelationandrelative根据塑性理论,工程应力应变关系可以由真实应力应变关系确定得出,图2为两者关系的示意图。图中,下标"T"代表真实应力-应变关系中的应力或应变量,而下标"E"则代表工程应力-应变关系中第3期李世民等:压入硬度与材料单轴强度的关系研究265的应力或应变量。真实应力、应变与工程应力、应变分别记为T,T和E,E,相应地,在屈服点的这些量分别记为T,y,T,y和E,y,E,y;最大工程应力即拉伸
8、强度或强度极限记为E,b,最大真实应力、应变记为T,b和T,b。通过分析,可以证明E,y和E,b与材料基本力学性能间的关系为:22/ET,yT,yE,y=T,y/e=T,y/e(4)2E,y=T,y/eT,yT,b!T,yE,b
