[发明专利]一种基于仪器化压痕试验的材料微区多相组织力学性能表征的方法

说明书

本发明公开了一种基于仪器化压痕试验的材料微区多相组织力学性能表征的方法，得到材料的应力应变曲线，被测材料组织的弹塑性行关系下式：其中E为弹性模量，σsubgt;y/subgt;为屈服强度，n为加工硬化系数，σ为总应力，ε为总应变，εsubgt;p/subgt;为塑性应变，塑性应变定义为总应变ε中除去屈服应变εsubgt;y/subgt;的部分，εsubgt;p/subgt;＝ε‑εsubgt;y/subgt;；当式弹性模量、屈服强度和加工硬化系数确定后，被测材料组织的应力应变行为确定。本发明对Cheng的计算材料屈服强度的部分进行修正，以适用于金属组织的力学性能表征，采用基于应变梯度理论的考虑压痕尺寸效应的计算方法计算材料的硬度，采用Rodríguez和Gutierrez提出的屈服强度与硬度之间的经验关系计算材料的屈服强度。

技术领域

本发明公开了一种基于仪器化压痕试验的材料微区多相组织力学性能表征的方法，所表征的力学性能参数包括弹性模量、屈服强度以及加工硬化系数，得到材料的应力应变曲线，属于材料力学性能检测技术领域。

背景技术

当前，人口、资源和环境成为世界面临的三大问题。随着经济社会的高速发展和科学技术水平的提高，我国对能源的需求越来越大。而石油天然气是当今世界主要的能源，与快速增长的能源需求矛盾的是，在经过多年的开采之后，陆上石油天然气资源逐渐枯竭，开发利用难度加大且受到很强的环境制约，而海洋油气资源储量丰富且处于开发利用的初期，因此，随着海洋油气资源开发利用技术走向成熟，油气的勘探与开采逐渐走向海洋。

海洋平台长期在海上工作，平台导管架在海上风浪及深水低温等恶劣的环境下，金属材料极易产生裂纹，裂纹的产生严重影响平台的安全性，且进行维修的成本十分高昂。金属材料的组织不均匀性会显著影响金属的力学性能，尤其是韧性，且随着金属材料板厚的增加，金属材料的韧性呈现出明显恶化的趋势，组织不均匀和厚壁结构的共同影响下，金属材料成为导管架结构的薄弱环节，因此，有必要对海洋结构中金属材料组织不均匀性对金属力学性能的影响进行研究。

仪器化压痕测试技术已经被广泛地应用于材料局部区域及多相材料不同组成相的力学性能的表征，包括材料的硬度和弹性模量。仪器化压痕试验压入深度从几十纳米到几微米不等，可以测试纳米到微米尺度范围内的材料的力学性能。

目前，仪器化压痕技术已经被成功用于表征淬火分配钢(QP钢)、双相钢和铁素体-贝氏体钢等多相材料的各组成相的力学性能。但是这些研究多数是对不同组成相的仪器化压痕硬度进行测试，很少有对材料中不同组成相的屈服强度和加工硬化系数进行表征。

同时在计算屈服强度和加工硬化系数方面，很多学者是通过量纲分析的方法得到一组无量纲的方程，通过这些方程可以计算材料的力学性能。一般来说，这些无量纲的方程是在压痕深度1微米左右的情况下被验证的，当压痕深度在亚微米尺度时，仪器化压痕试验的尺度效应会显著影响计算结果的准确性，而且，使用单压头的无量纲法在求解材料力学性能参数时存在解不唯一的问题。同时，还有学者提出了一种利用仪器化压痕曲线计算双相钢中铁素体和马氏体的应力应变性能的方法，但该方法对被测材料表面平整度的要求很高，表面粗糙度会显著影响试验结果，而金属材料中组织分布简单且晶界铁素体晶粒较大，而且该方法是采用硬度与屈服强度的经验关系来计算材料的屈服强度，在该经验关系中存在一个与压痕深度和被测材料有关的常数，在被测材料和压痕深度变化后，该常数的确定相对困难，因此本发明对该方法进行修正，用于表征材料不同相组织的力学性能。

本发明公开了一种基于仪器化压痕试验的材料微区多相组织力学性能表征的方法，所表征的力学性能参数包括弹性模量、屈服强度以及加工硬化系数，并运用该方法分别对材料微观组织的力学性能进行测试，获得微观组织的应力-应变曲线，有利于分析材料的组织力学性能差异。

发明内容