一种镍基高温合金高通量力学性能表征方法与流程

本发明涉及金属材料力学性能表征，特别是涉及一种镍基高温合金高通量力学性能表征方法。

背景技术：

1、材料基因工程是材料研发的新理念，作为其三大要素之一的高通量制备与表征技术将是材料基因工程成功的关键。通过高通量制备和表征技术，可大幅度提升新材料的研发效率，缩短研发周期，降低研发成本，促进工程化应用。研究材料的性能时，通常都要对材料的力学性能进行测试，比如硬度、弹性模量、强度、韧性、蠕变、残余应力等性能。高通量制备的试样多是微尺度，样品尺寸太小、数量众多，目前现有的力学表征手段主要是针对单个样品的力学测试方法，很难实现高通量力学表征(一次实验，可以对一批样品进行力学表征，或者通过一次实验获得样品的力学性能多个表征结果)，这也是目前材料基因组工程面临的巨大困难，因此要探索更先进的力学性能表征方法。

2、随着仪器化微纳米压入技术的日益成熟，人们重点关注怎么从位移-载荷曲线中得到样品材料的屈服应变及硬化指数。目前的研究主要采用球形压头和锥形压头，由于锥形压头本身所具有的自相似性，在锥角一定时，其力学参数与位移-载荷曲线之间并非一一单值对应，所以，锥形压头压入技术至少需要两个不同锥角的压头才可以得到上述两个参数，显然，这样会增加实验的繁琐程度及成本。球形压头为非自相似性，不需要更换压头即可达到相同的效果，但是球形压头在应力应变测试中，也存在一些不足之处：球形压头的接触面积是一个动态的变量，随着施加的压力变化而变化，这种变化可能导致在测量过程中对应力分布的理解不够准确，从而影响应力应变结果的精确度；由于球形压头的形状特性，其在接触材料表面时产生的压力分布相对复杂，这种复杂的压力分布可能导致应力集中或分散，从而影响应力应变测量的准确性；球形压头对材料的硬度、弹性模量等性质较为敏感，对于不同性质的材料，可能需要调整球形压头的参数或使用不同类型的压头，以确保测量的准确性；球形压头的校准和标准化相对复杂，需要专门的设备和程序，增加了使用球形压头进行应力应变测量的难度和成本；球形压头产生的应力应变场具有独特性，因此需要对测量数据进行特殊处理和解释，这可能需要更复杂的数学模型和算法，增加了数据处理的难度。

3、综上所述，球形压头在测应力应变时虽然具有一些优势，但也存在一些不足之处，而采用平压头这些问题均可迎刃而解。西南交通大学蔡力勋教授团队采用平压头结合能量密度理论方法获得了材料的应力应变关系，但该方法采用模型涉及参数及未知参量较多，另外该模型采用的压头为圆柱平头，在压入过程中压头容易损坏。因此，如何发挥平压头在测应力应变方面的优势，是本领域技术人员重要的研究课题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种镍基高温合金高通量力学性能表征方法，采用90°锥形平压头进行压入测试，充分发挥平压头在测应力应变方面优势的同时减少压头损坏，并结合晶体塑性有限元、量纲分析等方法，使得镍基高温合金高通量力学性能表征更加简便有效。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种镍基高温合金高通量力学性能表征方法，该方法包括以下步骤：

4、采用90°锥形平压头对镍基高温合金的样品材料进行压入测试，获得镍基高温合金的压入载荷位移曲线；

5、对所述压入载荷位移曲线的塑性变形阶段进行拟合，得到如下幂函数：

6、p＝chm (1)

7、其中，p是压入载荷位移曲线中的载荷，h是压入载荷位移曲线中的位移，c和m是最小二乘拟合的参数，通过公式(1)拟合获得c和m的取值；

8、利用晶体塑性有限元结合量纲分析，得到：

9、

10、其中，a为90°锥形平压头顶部与样品材料接触面的半径，n为硬化指数，k为硬化系数，k1、k2代表模型常量参数，结合晶体塑性有限元获得；

11、将通过公式(1)拟合获得的c和m的取值带入公式(2)，根据据公式(2)得到k和n的取值；

12、基于k和n的取值，确定样品材料塑性变形阶段的应力应变曲线，再结合样品材料的弹性模量，获得样品材料的全段应力应变关系。

13、进一步地，所述压入测试，具体包括：

14、采用仪器化压入法，设置压入参数：压入速率30-50mn/s，压入深度5.35um，90°锥形平压头顶部与样品材料接触面的直径10.7um。

15、进一步地，所述采用90°锥形平压头对镍基高温合金的样品材料进行压入测试，获得镍基高温合金的压入载荷位移曲线，具体包括：

16、假设90°锥形平压头为刚性，假设样品材料均匀、连续且各向同性；

17、采用90°锥形平压头对样品材料进行随机多个位置的测试，获得了多条压入载荷位移曲线。

18、进一步地，所通过公式(1)拟合获得c和m的取值，具体包括：

19、分别对多条压入载荷位移曲线的塑性变形阶段根据公式(1)进行拟合，获取多组c值和m值，并多组c值和m值分别求平均值，作为最终的c和m的取值。

20、进一步地，所述基于k和n的取值，确定样品材料塑性变形阶段的应力应变曲线，再结合样品材料的弹性模量，获得样品材料的全段应力应变关系，具体包括：

21、采用典型的线弹-幂硬化模型表示应力应变关系，对于样品材料，在弹性变形阶段，应力应变关系为线性关系，在塑性变形阶段，应力应变关系遵循hollomon关系,样品材料的全段应力应变关系如下所示：

22、

23、其中，σ为应力，e为样品材料的弹性模量，ε为应变，εy为屈服应变；σy表示屈服应力。

24、进一步地，所述样品材料的弹性模量，通过以下步骤确定：

25、压入测试中，当加载达到平面压痕试验的最大载荷时，假设压入载荷位移曲线的初始卸载段符合式(4)所示的函数关系：

26、p＝c(h-hf)m (4)

27、其中，hf是与零载荷卸载相对应的位移；

28、基于公式(4)提供的p-h函数的斜率，定义s是载荷-位移曲线卸载段的初始卸载刚度，表示为：

29、

30、其中，hmax是与pmax相对应的最大位移，pmax是平面压痕试验的最大载荷；

31、鉴于90°锥形平压头并不是完全刚性的，根据赫兹接触理论，引进等效弹性模量er，其定义为：

32、

33、其中，β表示压痕系数，而a＝πa2是弹性接触面积，则弹性模量e表示为：

34、

35、其中，ν为样品材料的泊松比，ei和νi分别为90°锥形平压头的弹性模量和泊松比。

36、进一步地，所述方法还包括：基于k和n确定抗拉强度rm，具体计算公式如下：

37、rm＝k(n/e)n (8)

38、其中，e为自然常数。

39、进一步地，所述样品材料通过对镍基高温合金进行机械抛光+电解抛光获得。

40、根据本发明提供的具体实施例，本发明提供的镍基高温合金高通量力学性能表征方法，公开了以下技术效果：

41、(1)相比传统球形压头的测试方法，采用90°锥形平压头进行压入测试，充分发挥平压头在测应力应变方面显著的优势，平压头在测应力应变方面具有接触面积稳定、压力分布均匀、适应性强、易于制备和操作以及数据处理相对简单等优势，这些优势使得平压头成为应力应变测试中一种常用的有效工具；

42、(2)相比西南交通大学蔡力勋教授团队采用圆柱平压头建立的获得材料的应力应变关系模型方法中涉及未知参量至少有4个，本发明建立的模型方法涉及未知参量更少，只有2个(k1、k2)，本发明建立的模型方法针对镍基高温合金高通量力学性能表征更加简便有效，另外本模型采用的平压头为90°锥形平压头，相比圆柱平压头，在压入过程中压头不容易损坏；

43、(3)本发明可获得材料塑性变形阶段的应力应变曲线，再结合弹性模量，进而获得材料全段应力应变关系，最终获得材料的弹性模量、屈服强度、抗拉强度，并且与实际单轴拉伸获得结果一致；

44、(4)本发明可以选取少量的样品，简单的制样(不需要机加成标准试样)，便捷的压入测试即可获得材料的弹性模量、硬度、屈服强度、抗拉强度等力学性能指标，实现高通量力学性能表征。