基于特征應力和應變的金屬塑性檢測方法及實驗研究

周康

摘 要：金屬材料塑性參數是當前工程施工過程中重點關注的內容，也是工程質量問題之所在。如何準確、科學的檢測出金屬材料塑性參數成為當前研究的熱點課題。為此，該文基于特征應力及特征應變基礎上對金屬材料塑性參數儀器化壓入識別方法展開深入分析，以提高金屬材料塑性參數檢測效率，更好地服務于工程建設。

關鍵詞：金屬材料 塑性參數 特征應力 特征應變 儀器化壓入識別方法

中圖分類號：TG115 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）02（a）-0080-01

金屬材料塑性參數是當前工程施工過程中重點關注的內容，也是工程質量問題的關鍵所在。“儀器化壓入識別方法”由于具有檢測精度高、樣本尺寸小、操作便捷等特點而被廣泛應用在了金屬材料力學性能檢測工作中，對推動相關行業進一步發展起到了重要的促進作用。然而，當前儀器化壓入識別方法主要是在理想條件下測定的金屬材料塑性參數，與實際存在著較大的偏差。為此，從金剛石壓頭的選取為切入點，采用基于特征應力及應變的檢測方法，為金屬材料塑性參數檢測提供科學依據。

1 當前金屬材料檢測方法在應用中產生的問題

根據當前已有研究資料及報道顯示，儀器化壓入識別方法在金屬材料塑性參數檢測過程中所使用的金剛石壓頭并沒有形成一致認可的規定，不同面角的金剛石壓頭在使用過程中將會對最終檢測結果產生不利影響。以當前使用程度最高的面角為120°四棱錐壓頭、Vickers壓頭和面角為175°四棱錐壓頭為例，高精度儀器化壓入儀在對金屬塑性參數檢測過程中，上述三種金剛石壓頭相對表面摩擦因數在0～0.15之間，而對金屬材料塑性參數檢測結果的偏差影響則在1.25%左右。高精度儀器化壓入儀壓入總功與金屬材料彈性之間的比值相差達到了4.20%，從而無法滿足實際工程檢測需求。同時過大的數值差也會對工程質量造成嚴重影響[1]。所以當前有學者指出，使用面角為175°四棱錐壓頭能夠較為準確的獲得金屬材料力學性能數據，可以作為儀器化壓入識別方法的首選檢測工具，對此觀點本文持贊成態度。

目前，金屬材料塑性檢測方法缺乏儀器化壓入實驗，所獲數值有效性、準確性有待進一步提高。所使用的儀器化壓入識別方法僅僅采用有限元數值仿真實驗來對收集整理后的金屬材料塑性參數進行驗證，最終來檢測該識別方法所得數值的準確性和金屬材料力學檢測結果。但是，由于未對金屬材料實施儀器化壓入實驗，其各項指標尚未得到全面檢驗，使得所獲數值有效性有待于進一步商榷[2]。為此，本文在實驗過程中所設計的基于特征應力及應變的儀器化壓入識別方法主要是利用高精度儀器化壓入儀結合壓入實驗來對金屬材料塑性參數進行檢測并驗證此種檢測方法的可靠性。

2 實施步驟及精度設定

首先，使用高精度儀器化壓入儀和面角為120°四棱錐壓頭對金屬材料實施壓入深度>3μm的壓入測試，并將所獲得的結果進行及時記錄。之后將該數據帶入到特征應力公式：

其中，（/）為壓入比功、為金屬材料彈性模量、為常量參數，取值標準范圍可依據高精度儀器化壓入儀說明書中內容進行選取。

在得到特征應力之后，需要將壓入比功（/）帶入到特征應變公式中以求得該金屬材料在面角為120°四棱錐壓頭下的特征應變，其公式如下：

其中為常數參量，選取同。此步驟結束后得到了面角為120°四棱錐壓頭的和。之后將面角為120°四棱錐壓頭替換為面角為175°四棱錐壓頭，重復上述操作步驟，得到了該金屬材料力學性能和。

在獲得了相應指標后，采用Hollomon冪硬化函數來對兩組測試結果（，）和（，）進行擬合實驗，同時結合金屬材料彈性模量，以此來確定該金屬材料自身具有的屈服強度系數。

其次，由于工程施工所使用的金屬材料在生產批次、加工技術、保存運輸等環節存在一定的差異，容易對本文儀器化壓入識別方法精度產生不利影響，為此，本文針對儀器化壓入識別方法精度問題做出如下規定：

金屬材料自身為標準冪硬化材料，那么壓入比功（/）處于0.02～0.5之間。此時儀器化壓入識別方法精度公式：

其中為該金屬材料屈服強度識別結果、為真實誤差值。

通過計算可知，金屬材料塑性參數識別誤差分布在-10%～20%之間，且金屬材料彈性模量越大，其誤差識別范圍也隨之增大。但是在應用了壓入比功（/）后，此種正相關性扭轉為負相關性，即：金屬材料彈性模量越大，誤差識別范圍逐漸縮小，最終接近與一個常量值，也就是該金屬材料塑性參數的真實數值[3]。

3 實驗有效性驗證

為了檢驗本文基于特征應力及應變在金屬材料塑性參數檢測中的有效性，本文針對性的選取了工程施工中常用的S45C碳鋼、SS304不銹鋼以及黃銅等三種金屬進行塑性參數驗證，其結果如下：三種金屬材料屈服強度識別結果均小于真實數值，并且其識別誤差在-15.5%～5%，能夠對金屬材料真實數值做出保守估計且在正常范圍之內，可以滿足工程施工需要。其具體參數為：S45C碳鋼金屬材料屈服強度識別結果為-10%、真實誤差值為0.190、SS304不銹鋼分別為-14.5%和0.250、黃銅-2.55%和0.115。研究結果表明，本文所設計的高精度儀器化壓入儀結合壓入實驗的儀器化壓入識別方法能夠得出較為精確的金屬材料塑性參數，并且該識別方法可靠性及準確性較高，有效的彌補了當前儀器化壓入識別方法缺乏金屬材料缺乏儀器化壓入實驗的弊端，豐富了現有研究內容。同時通過選取三種常見金屬材料來對識別結果進行驗證，證實了該識別方法的科學性及合理性，值得在今后金屬材料塑性參數檢測工作中推廣使用。

綜上所述，為了能夠有效識別金屬材料塑性參數，為工程施工提供較為精確的科學依據，從根本上處理和檢測金屬材料塑性工程質量問題。本文基于特征應力及應變基礎上，采用結合壓入實驗所設計開發的識別方法能夠實現精確檢測，數值偏差在可控范圍，在金屬材料與工程領域具有一定的推廣使用價值。

參考文獻

[1] 陳偉，馬德軍，宋仲康.基于壓入比功的金屬材料塑性參數儀器化壓入識別方法[J].塑性工程學報，2014，14（3）：89-97.

[2] 黃勇，馬德軍，陳偉，等.立方氮化硅彈塑性參數儀器化壓入測試研究[J].機械工程師，2014，25（7）：45-47.

[3] 姜鵬.基于儀器化壓入技術表征金屬材料塑性參數的實驗對比分析（英文）[J].稀有金屬材料與工程，2012，33（S2）：446-449.