1.一种基于纳米划入仪的脆性材料塑性变形-断裂转变临界深度和临界载荷的检测方法,其特征在于:所述检测方法包含以下步骤:
1)纳米划入断裂试验
根据加工工况设定划入速率、划入距离和最大划入载荷,选定压头形状,以载荷线性增加的方式划入材料,得到弹性变形-塑性变形-脆性断裂逐渐转变的划痕,并测量断裂区域半径长度;
2)脆性断裂阶段断裂区域半径与压入深度的关系横向裂纹长度cr与压入载荷F的关系为:式中,ζL和M为无量纲常数,ζL=25×10-3,当横向裂纹>径向裂纹时,M=3(1-ν2)/4π,ν为材料泊松比;当横向裂纹≤径向裂纹时,M=3/4;α为压头半锥角;E、H和KC为材料弹性模量、硬度和断裂韧度;
压入载荷F和压入深度h关系为:
2
F=λ0h (2)
式中,λ0为与压头几何形状相关的常数;
将式(2)带入式(1)可得裂纹长度cr与压入深度h的关系:cr=K0h5/4 (3)式中,K0为与材料力学参数和压头几何形状有关的常数;
将步骤1)所得划入断裂区域半径数据按式(3)进行拟合并绘制相应曲线;
3)塑性变形阶段塑性区域半径与压入深度关系根据压入弹-塑性变形有限元分析结果有:式(4)简化为:b=K1h (5)式中,
可见,K1为与材料力学参数和压头几何形状有关的常数;
式中,b为塑性变形阶段塑性区域半径;h为压入深度;ν为材料泊松比;σy为材料屈服强度;α为压头半锥角;
4)测定塑性-断裂临界深度:将式(3)和式(5)得到曲线绘制在同一个坐标系中,两条曲线的交点即为材料塑性变形-断裂转变临界深度hcrit;
由于纳米划入仪能够记录压头作用在试样表面上的法向力和划入深度随划入位置的连续变化过程,根据步骤(4)得到的材料塑性变形-断裂转变临界深度,得到该材料的临界载荷。
2.如权利要求1所述的一种基于纳米划入仪的脆性材料塑性变形-断裂转变临界深度和临界载荷的检测方法,其特征在于:所述步骤1)中压头形状根据实际工艺选定,所述划入速率为准静态划入速率,所述划入最大载荷根据材料的力学性质设定。