基于特征应力和应变的金属塑性检测方法及实验研究

周康

摘 要：金属材料塑性参数是当前工程施工过程中重点关注的内容，也是工程质量问题之所在。如何准确、科学的检测出金属材料塑性参数成为当前研究的热点课题。为此，该文基于特征应力及特征應变基础上对金属材料塑性参数仪器化压入识别方法展开深入分析，以提高金属材料塑性参数检测效率，更好地服务于工程建设。

关键词：金属材料 塑性参数 特征应力 特征应变 仪器化压入识别方法

中图分类号：TG115 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）02（a）-0080-01

金属材料塑性参数是当前工程施工过程中重点关注的内容，也是工程质量问题的关键所在。“仪器化压入识别方法”由于具有检测精度高、样本尺寸小、操作便捷等特点而被广泛应用在了金属材料力学性能检测工作中，对推动相关行业进一步发展起到了重要的促进作用。然而，当前仪器化压入识别方法主要是在理想条件下测定的金属材料塑性参数，与实际存在着较大的偏差。为此，从金刚石压头的选取为切入点，采用基于特征应力及应变的检测方法，为金属材料塑性参数检测提供科学依据。

1 当前金属材料检测方法在应用中产生的问题

根据当前已有研究资料及报道显示，仪器化压入识别方法在金属材料塑性参数检测过程中所使用的金刚石压头并没有形成一致认可的规定，不同面角的金刚石压头在使用过程中将会对最终检测结果产生不利影响。以当前使用程度最高的面角为120°四棱锥压头、Vickers压头和面角为175°四棱锥压头为例，高精度仪器化压入仪在对金属塑性参数检测过程中，上述三种金刚石压头相对表面摩擦因数在0～0.15之间，而对金属材料塑性参数检测结果的偏差影响则在1.25%左右。高精度仪器化压入仪压入总功与金属材料弹性之间的比值相差达到了4.20%，从而无法满足实际工程检测需求。同时过大的数值差也会对工程质量造成严重影响[1]。所以当前有学者指出，使用面角为175°四棱锥压头能够较为准确的获得金属材料力学性能数据，可以作为仪器化压入识别方法的首选检测工具，对此观点本文持赞成态度。

目前，金属材料塑性检测方法缺乏仪器化压入实验，所获数值有效性、准确性有待进一步提高。所使用的仪器化压入识别方法仅仅采用有限元数值仿真实验来对收集整理后的金属材料塑性参数进行验证，最终来检测该识别方法所得数值的准确性和金属材料力学检测结果。但是，由于未对金属材料实施仪器化压入实验，其各项指标尚未得到全面检验，使得所获数值有效性有待于进一步商榷[2]。为此，本文在实验过程中所设计的基于特征应力及应变的仪器化压入识别方法主要是利用高精度仪器化压入仪结合压入实验来对金属材料塑性参数进行检测并验证此种检测方法的可靠性。

2 实施步骤及精度设定

首先，使用高精度仪器化压入仪和面角为120°四棱锥压头对金属材料实施压入深度>3μm的压入测试，并将所获得的结果进行及时记录。之后将该数据带入到特征应力公式：

其中，（/）为压入比功、为金属材料弹性模量、为常量参数，取值标准范围可依据高精度仪器化压入仪说明书中内容进行选取。

在得到特征应力之后，需要将压入比功（/）带入到特征应变公式中以求得该金属材料在面角为120°四棱锥压头下的特征应变，其公式如下：

其中为常数参量，选取同。此步骤结束后得到了面角为120°四棱锥压头的和。之后将面角为120°四棱锥压头替换为面角为175°四棱锥压头，重复上述操作步骤，得到了该金属材料力学性能和。

在获得了相应指标后，采用Hollomon幂硬化函数来对两组测试结果（，）和（，）进行拟合实验，同时结合金属材料弹性模量，以此来确定该金属材料自身具有的屈服强度系数。

其次，由于工程施工所使用的金属材料在生产批次、加工技术、保存运输等环节存在一定的差异，容易对本文仪器化压入识别方法精度产生不利影响，为此，本文针对仪器化压入识别方法精度问题做出如下规定：

金属材料自身为标准幂硬化材料，那么压入比功（/）处于0.02～0.5之间。此时仪器化压入识别方法精度公式：

其中为该金属材料屈服强度识别结果、为真实误差值。

通过计算可知，金属材料塑性参数识别误差分布在-10%～20%之间，且金属材料弹性模量越大，其误差识别范围也随之增大。但是在应用了压入比功（/）后，此种正相关性扭转为负相关性，即：金属材料弹性模量越大，误差识别范围逐渐缩小，最终接近与一个常量值，也就是该金属材料塑性参数的真实数值[3]。

3 实验有效性验证

为了检验本文基于特征应力及应变在金属材料塑性参数检测中的有效性，本文针对性的选取了工程施工中常用的S45C碳钢、SS304不锈钢以及黄铜等三种金属进行塑性参数验证，其结果如下：三种金属材料屈服强度识别结果均小于真实数值，并且其识别误差在-15.5%～5%，能够对金属材料真实数值做出保守估计且在正常范围之内，可以满足工程施工需要。其具体参数为：S45C碳钢金属材料屈服强度识别结果为-10%、真实误差值为0.190、SS304不锈钢分别为-14.5%和0.250、黄铜-2.55%和0.115。研究结果表明，本文所设计的高精度仪器化压入仪结合压入实验的仪器化压入识别方法能够得出较为精确的金属材料塑性参数，并且该识别方法可靠性及准确性较高，有效的弥补了当前仪器化压入识别方法缺乏金属材料缺乏仪器化压入实验的弊端，丰富了现有研究内容。同时通过选取三种常见金属材料来对识别结果进行验证，证实了该识别方法的科学性及合理性，值得在今后金属材料塑性参数检测工作中推广使用。

综上所述，为了能够有效识别金属材料塑性参数，为工程施工提供较为精确的科学依据，从根本上处理和检测金属材料塑性工程质量问题。本文基于特征应力及应变基础上，采用结合压入实验所设计开发的识别方法能够实现精确检测，数值偏差在可控范围，在金属材料与工程领域具有一定的推广使用价值。

参考文献

[1] 陈伟，马德军，宋仲康.基于压入比功的金属材料塑性参数仪器化压入识别方法[J].塑性工程学报，2014，14（3）：89-97.

[2] 黄勇，马德军，陈伟，等.立方氮化硅弹塑性参数仪器化压入测试研究[J].机械工程师，2014，25（7）：45-47.

[3] 姜鹏.基于仪器化压入技术表征金属材料塑性参数的实验对比分析（英文）[J].稀有金属材料与工程，2012，33（S2）：446-449.