(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利说明书 | ||
(10)申请公布号 CN 104122154 A (43)申请公布日 2014.10.29 | ||
(21)申请号 CN201410349038.X
(22)申请日 2014.07.22
(71)申请人 中国人民解放军装甲兵工程学院
地址 100072 北京市丰台区杜家坎21号
韧性断裂(72)发明人 马德军 王家梁 陈伟 宋仲康 丛华
(74)专利代理机构
代理人
(51)Int.CI
G01N3/42
G06F19/00
权利要求说明书 说明书 幅图 |
(54)发明名称
陶瓷材料断裂韧性仪器化Vickers压入测试方法 | |
(57)摘要
本发明公开了一种陶瓷材料断裂韧性仪器化Vickers压入测试方法，该方法利用Vickers压头仪器化压入陶瓷材料所得载荷-位移曲线及被压材料压痕对角线方向裂纹开裂长度确定陶瓷材料的断裂韧性K | |
法律状态
法律状态公告日 | 法律状态信息 | 法律状态 |
权 利 要 求 说 明 书
1.一种陶瓷材料断裂韧性仪器化Vickers压入测试方法，该方法利用Vickers压头仪器化压入陶瓷材料所得载荷-位移曲线及被压材料压痕对角线方向裂纹开裂长度确定陶瓷材料的断裂韧性K<Sub>IC</Sub>，具体包括以下步骤：
1)利用仪器化压入仪和金刚石Vickers压头对被测材料实施某一最大压入载荷为P<Sub>m</Sub>的仪器化压入测试，获得压入载荷-位移曲线，同时利用该曲线确定金刚石Vickers压头的最大压入深度h<Sub>m</Sub>、名义压痕对角线半长a＝3.5h<Sub>m</Sub>及名义硬度<Image>
2)通过分别积分载荷-位移曲线关系中的加载曲线和卸载曲线计算压入加载功W<Sub>t</Sub
>、卸载功W<Sub>e</Sub>，并在此基础上计算压入比功W<Sub>e</Sub>/W<Sub>t</Sub>；
3)借助光学显微镜分别量取Vickers压痕对角线方向4个裂纹开裂半长c<Sub>1</Sub>、c<Sub>2</Sub>、c<Sub>3</Sub>和c<Sub>4</Sub>，同时将其均值c＝(c<Sub>1</Sub>+c<Sub>2</Sub>+c<Sub>3</Sub>+c<Sub>4</Sub>)/4作为本次仪器化压入测试的裂纹开裂半长，并计算比值c/a，进一步调整P<Sub>m</Sub>的大小使比值c/a及比功W<Sub>e</Sub>/W<Sub>t</Sub>满足关系：1.05≤c/a≤1.5及
0.71≥W<Sub>e</Sub>/W<Sub>t</Sub>≥(W<Sub>e</Sub>/W<Sub>t</Sub>)<Sub>0</Sub>＝0.591-0.194(c/a)或者1.5＜c/a≤6及
0.71≥W<Sub>e</Sub>/W<Sub>t</Sub>≥0.3；
4)根据仪器化压入测试确定的名义硬度H<Sub>n</Sub>及比功W<Sub>e</Sub>/W<Sub>t</Sub>确定被测材料的杨氏模量亦即弹性模量E＝(1-0.2<Sup>2</Sup>)/{[0.007625(W<Sub>e</Sub>/W<Sub>t</Sub>)<Sup>6</Sup>-0.00551
6(W<Sub>e</Sub>/W<Sub>t</Sub>)<Sup>5</Sup>-0.048401(W<Sub>e</Sub>/W<Sub>t</Sub>)<Sup>4</Sup>+0.110937(W<Sub>e</Sub>/W<Sub>t</Sub>)<Sup>3</Sup>-0.157669(W<Sub>e</Sub>/W<Sub>t</Sub>)<Sup>2</Sup>+0.170204(W<Sub>e</Sub>/W<Sub>t</Sub>)]/H<Sub>n</Sub>-1.32(1-0.07<Sup>2</Sup>)/1141}，同时确定被测材料与金刚石Vickers压头的平面应变弹性模量之比η＝[E/(1-0.2<Sup>2</Sup>)]/[1141/(1-0.07<Sup>2</Sup>)]，其中，E的量纲为“GPa”(吉帕)；
5)计算被测陶瓷材料的断裂韧性K<Sub>IC</Sub>：
K<Sub>IC</Sub>＝(10<Sup>-6</Sup>P<Sub>m</Sub>/c<Sup>1.5</Sup>)[1+f<Sub>c</Sub>(c/a)η]f<Sub>W</Sub>(W<Sub>e</Sub>/W<Sub>t</Sub>)，
其中，f<Sub>c</Sub>(c/a)＝0.0068(c/a)<Sup>2</Sup>-0.1118(c/a)+0.8295，
f<Sub>W</Sub>(W<Sub>e</Sub>/W<Sub>t</Sub>)＝0.0757(W<Sub>e</Sub>/W<Sub>t
</Sub>)<Sup>2</Sup>-0.1956(W<Sub>e</Sub>/W<Sub>t</Sub>)+0.1285，
K<Sub>IC</Sub>的量纲为(兆帕·米<Sup>1/2</Sup>)、P<Sub>m</Sub>的量纲为“N”(牛顿)、c和a的量纲为“m”(米)。
说 明 书
技术领域
本发明属于材料力学性能测试领域。具体涉及一种利用仪器化压入仪和Vickers压痕对角线方向裂纹开裂长度测试陶瓷材料断裂韧性K<Sub>IC</Sub>的方法。
背景技术
目前，测试陶瓷材料断裂韧性的方法主要有表面裂纹弯曲法(SCF)、山形切口梁法(CNB)、单边预裂纹梁法(SEPB)、单边切口梁法(SENB)和传统压痕方法(IM)。考虑到应用的便捷性、效率、对试样尺度的要求等因素，IM较SCF、CNB、SEPB、SENB具有明显优势，因而获得广泛应用。尽管如此，传统压痕方法所依赖的断裂韧性K<Sub>IC</Sub>计算公式系
基于半解析半经验方法建立的，因此存在诸多影响传统压痕测试方法测试精度和应用方面的问题：1)该方法将Vickers压痕对角线方向的裂纹开裂面假设为理想的半圆形裂纹开裂面几何形状，其裂纹尖端几何不满足真实裂纹开裂所需的等K<Sub>IC</Sub>值基本要求；2)基于半解析半经验法建立的K<Sub>IC</Sub>计算公式其系数的标定系基于有限的陶瓷材料实验数据，导致K<Sub>IC</Sub>公式适用的陶瓷材料范围较小；3)传统压痕方法需要区分Vickers压痕对角线方向的裂纹开裂形式：半硬币中间裂纹(half penny shaped crack or mediancrack(HPC))或巴氏径向裂纹(Palmqvist crack or radial crack(RC))，而针对两种裂纹开裂形式建立的半解析半经验K<Sub>IC</Sub>计算公式在应用方面存在过渡区K<Sub>IC</Sub>值不连续以及不易甚至无法判断过渡区裂纹开裂形式的问题；4)传统压痕方法存在需借助其它技术手段预先对陶瓷材料弹性模量进行测试的问题；5)传统压痕方法存在因Vickers压痕顶角不清晰导致测量压痕对角线长度困难的问题。
针对上述情况，本发明应用量纲定理及弹塑性有限元数值分析方法建立了一种新的基于Vickers压头的陶瓷材料断裂韧性仪器化压入识别方法。与传统压痕方法相比，该方法具有以下优点：(1)K<Sub>IC</Sub>公式的建立源于弹塑性有限元数值分析同时满足裂纹尖端断裂
韧性的等值要求，因而较传统压痕方法的半解析半经验公式具有更高的精度；(2)无需测量Vickers压痕对角线长度，避免了传统压痕方法存在的因Vickers压痕顶角不清晰导致测量压痕对角线长度困难的问题；(3)建立的K<Sub>IC</Sub>公式既适用于半硬币中间裂纹(half penny shaped crack or median crack)也适用于巴氏径向裂纹(Palmqvist crack or radial crack)，避免了传统压痕方法存在的既需要又不易区分上述不同裂纹开裂形式的问题；(4)适用的陶瓷材料及测试范围广，能涵盖仪器化压入比功数值从0.3至0.71范围的所有陶瓷材料及Vickers压痕对角线方向裂纹开裂长度与名义压痕对角线长度之比从1.05至6范围的所有测试情况；(5)可同时完成对陶瓷材料弹性模量和断裂韧性的测试，避免了传统压痕方法存在的需借助其它技术手段预先对陶瓷材料弹性模量进行测试的问题，因而测试便捷、高效。
发明内容
本发明的目的是提供一种陶瓷材料断裂韧性仪器化Vickers压入测试方法。与传统压痕方法相比，本发明方法能够实现更高的测试精度、无需区分裂纹开裂形式、适用的陶瓷材料及测试范围更广、可同时完成对陶瓷材料弹性模量和断裂韧性的测试，避免了传统压痕方法存在的需借助其它技术手段预先对陶瓷材料弹性模量进行测试的问题，使得测试便捷、高效。
为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种陶瓷材料断裂韧性仪器化Vickers压入测试方法，该方法利用Vickers压头仪器化压入陶瓷材料所得载荷-位移曲线及被压材料压痕对角线方向裂纹开裂长度确定陶瓷材料的断裂韧性K<Sub>IC</Sub>，具体包括以下步骤：
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