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仪器柔度标定误差对两种压入测试方法的精度影响_硬度

时间:2012-10-07  作者:宋仲康,马德军,陈伟,郭俊宏
(12)

以h1代替h,其余数值不变,重新利用Olive-Pharr方法和Ma方法计算硬度和弹性模量,并和原来的结果进行比较,就可定量分析出仪器柔度标定误差对两种压入测试方法的精度影响。图3和图4分别显示两种材料压入载荷为100N时仪器柔度标定无误差和+10%误差下的载荷—压入深度曲线。

h(μm)

h(μm)

图3 σy=35MPa材料的压入载荷-深度曲线

Fig.3 Load-depth curves for thematerial of σy=35MPa

图4 σy=560MPa材料的压入载荷-深度曲线

Fig.4 Load-depth curves for the material of σy =560MPa

表1-表8分别列出了两种材料在不同压入载荷和不同压入深度下的计算结果。表中hm1和E1分别为计入仪器柔度标定误差后的最大压入深度和材料杨氏模量。表中比较了仪器柔度标定误差为-10%时杨氏模量的变化情况。为便于分析,将两种杨氏模量和标准值70Gpa也进行了比较。

表1 σy=35MPa不同压入载荷Olive-Pharr方法计算结果

Table 1 The values obtained by Oliver-Pharr method for the material of σy=35MPa

 

Pm

/N

hm

/μm

hm1

/μm

H

/GPa

E

/GPa

E1

/GPa

(E-70)

/70

(E1-70)

/70

(E1-E)

/E

0.5

8.675

8.670

0.276

92.45

97.38

32.1%

39.1%

5.3%

5

27.43

27.38

0.276

92.45

110.06

32.1%

57.2%

19.0%

50

86.75

86.25

0.276

92.45

186.80

32.1%

166.9%

102.1%

100

122.68

121.68

0.276

92.45

322.64

32.1%

360.9%

249.0%

表2 σy=560MPa不同压入载荷Olive-Pharr方法计算结果

Table 2 The values obtained by Oliver-Pharr method for the material of σy=560MPa

 

Pm

/N

hm

/μm

hm1

/μm

H

/GPa

E

/GPa

E1

/GPa

(E-70)

/70

(E1-70)

/70

(E1-E)

/E

0.5

3.164

3.159

2.42

84.27

85.64

20.4%

22.3%

1.6%

5

10.01

9.96

2.42

84.27

88.76

20.4%

26.8%

5.3%

50

31.64

31.14

2.42

84.27

100.25

20.4%

43.2%

19.0%

100

44.75

43.75

2.42

84.27

108.74

20.4%

55.3%

29.0%

表3 σy=35MPa不同压入载荷Ma方法计算结果

Table 3 The values obtained by Ma method for the material of σy=35MPa

 

Pm

/N

hm

/μm

hm1

/μm

Hn

/GPa

E

/GPa

E1

/GPa

(E-70)

/70

(E1-70)

/70

(E1-E)

/E

0.5

8.675

8.670

0.271

80.95

84.92

15.6%

21.3%

4.9%

5

27.43

27.38

0.271

81.25

95.02

16.1%

35.7%

17.0%

50

86.75

86.25

0.271

80.90

152.70

15.6%

118.1%

88.8%

100

122.68

121.68

0.271

80.98

244.44

15.7%

249.2%

201.9%

表4 σy=560MPa不同压入载荷Ma方法计算结果

Table 4 The values obtained by Ma method for the material of σy=560MPa

 

Pm

/N

hm

/μm

hm1

/μm

Hn

/GPa

E

/GPa

E1

/GPa

(E-70)

/70

(E1-70)

/70

(E1-E)

/E

0.5

3.164

3.159

2.04

78.88

79.97

12.7%

14.2%

1.4%

5

10.01

9.96

2.04

78.88

82.46

12.7%

17.8%

4.5%

50

31.64

31.14

2.04

78.88

91.49

12.7%

31.1%

16.0%

100

44.75

43.75

2.04

78.88

98.05

12.7%

40.1%

24.3%

表5 σy=35MPa不同压入深度Olive-Pharr方法计算结果

Table 5 The values obtained by Oliver-Pharr method for the material of σy=35MPa

 

Pm

/N

hm

/μm

hm1

/μm

H

/GPa

E

/GPa

E1

/GPa

(E-70)

/70

(E1-70)

/70

(E1-E)

/E

0.0066

1

0.9999

0.276

92.0

92.63

31.4%

32.3%

0.7%

0.166

5

4.998

0.276

92.45

95.20

32.1%

36.0%

3.0%

16.61

50

49.83

0.276

91.25

130.47

30.4%

86.4%

43.0%

66.44

100

99.34

0.276

92.0

218.84

31.4%

212.6%

137.9%

表6 σy=560MPa不同压入深度Olive-Pharr方法计算结果

Table6 The values obtained by Oliver-Pharr method for the material of σy=560MPa

 

Pm

/N

hm

/μm

hm1

/μm

H

/GPa

E

/GPa

E1

/GPa

(E-70)

/70

(E1-70)

/70

(E1-E)

/E

0.0499

1

0.9995

2.42

84.27

84.70

20.4%

21.0%

0.5%

1.249

5

4.988

2.42

84.27

86.46

20.4%

23.5%

2.6%

124.86

50

48.75

2.42

84.27

112.55

20.4%

60.8%

33.6%

499.43

100

95.01

2.42

84.27

168.20

20.4%

140.3%

99.6%

表7 σy=35MPa不同压入深度Ma方法计算结果

Table 7 The values obtained by Ma method for the material of σy=35MPa

 

Pm

/N

hm

/μm

hm1

/μm

Hn

/GPa

E

/GPa

E1

/GPa

(E-70)

/70

(E1-70)

/70

(E1-E)

/E

0.0066

1

0.9999

0.271

80.91

81.41

15.6%

16.3%

0.6%

0.166

5

4.998

0.271

80.95

83.18

15.6%

18.8%

2.8%

16.61

50

49.83

0.271

80.93

110.94

15.6%

58.5%

37.1%

66.44

100

99.34

0.271

80.88

177.16

15.5%

153.1%

119.0%

表8 σy=560MPa不同压入深度Ma方法计算结果

Table 8 The values obtained by Ma method for the material of σy=560MPa

 

Pm

/N

hm

/μm

hm1

/μm

Hn

/GPa

E

/GPa

E1

/GPa

(E-70)

/70

(E1-70)

/70

(E1-E)

/E

0.0499

1

0.9995

2.04

78.88

79.22

12.7%

13.2%

0.4%

1.249

5

4.988

2.04

78.88

80.63

12.7%

15.2%

2.2%

124.86

50

48.75

2.04

78.88

100.96

12.7%

44.2%

28.0%

499.43

100

95.01

2.04

78.88

141.52

12.7%

102.2%

79.4%

由以上数值计算结果可以看出,当材料较软(σy=35Mpa,H=0.276Gpa)、压入载荷达到或超过50N时,10%的仪器柔度标定误差可导致测得杨氏模量超过100%的误差。当材料硬度提高时,仪器柔度的影响会显著降低,但依然不可忽略,当材料σy=560Mpa、H=2.42Gpa,压入载荷达到或超过50N时硬度,10%的仪器柔度标定误差可导致杨氏模量超过19%的误差。在同一压入深度下,仪器柔度标定误差对硬材料和软材料影响差别不大,这是由于压入同一深度时硬材料需要的压入载荷更大。同时由以上数值计算结果可以看出,Olive-Pharr方法计算得出的结果比Ma方法误差更大,对仪器柔度的标定误差更敏感,这可能和接触刚度S对数据比较敏感有关。

4 结论

由以上分析,可得出以下结论:

1)仪器柔度的标定精度直接影响压入测试结果的准确度,当材料较软且压入载荷较大时尤为明显。

2)对同一材料,压入载荷越大,由仪器柔度标定误差引入的压入测试结果误差越大。

3)在同一压入深度下,针对不同材料,由仪器柔度标定误差引入的压入测试结果误差差别不大。

4)就测试方法而言,利用Ma方法测得杨氏模量比Olive-Pharr方法精度更高,对仪器柔度敏感性更低。


参考文献:
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[11]周向阳,蒋庄德,王海容.压入测试仪柔度标定方法研究[J].仪器仪表学报,2007,28(1):85-89.(Zhou X Y, Jiang Z D,Wang H R. Study on the calibration methods of machinecompliance for depth-sensing indentation instrument[J]. Chinese Journal ofScientific Instrument, 2007,28(1):85-89 (in Chinese).)
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