论文部分内容阅读
随着材料科学的快速发展,评价具有小尺寸特征的金属玻璃、新型陶瓷和硬质涂层等先进脆性材料的断裂力学性能愈发重要。这类需求对于需要较大样品尺寸的传统断裂力学测试而言难度很大,在一些情况下甚至无法实现。与之相比,压入方法具有小样品和微区测试的特点,在小尺度断裂力学性能测试方面有很大的发展前景。本文旨在通过前人方法和作者的工作介绍压入法测试脆性材料断裂韧度的研究进展,并讨论关于此类方法存在的争议和尚待研究的关键问题。断裂韧度的压入测试方法研究具有较强的压头形状和裂纹构型相关性。现有的测试方法根据压头类型可分为两类:棱锥压入法和球形压入法。棱锥压入法,采用硬质棱锥压头压入被测材料,以卸载过程中形成的径向裂纹作为研究对象,借助基于弹塑性应力场的Lawn-Evans-Marshall等压入断裂理论进行分析,分析参量易准确测定,但力学模型复杂,具有半经验性。球形压入法,采用硬质球形压头压入被测材料,以加载过程中产生的圆锥裂纹作为研究对象,借助基于弹性应力场的Hertzian压入断裂理论进行分析,力学模型简单,但分析参量不易准确测定。由于棱锥压入法的分析参量易测定,实用性强,所发展出的具体测试方法较多,包括基于径向裂纹的长度测量和宽度测量的多种方法。前人发展的棱锥和球形压入测试方法均难以从压入断裂测试中测定所有分析参量,影响测试的微区特性和测试效率。针对此问题,作者借助棱锥压入的能量标度关系,采用对径向裂纹不敏感的卸载功恢复率Wu/Wt替换经典棱锥测试方法中的硬度-模量比值H/E作为分析参量,发展出一种新的基于压入能量的棱锥压入测试方法,可从单次压入断裂测试中测定计算断裂韧度所需的全部分析参量,实现了"纯微区"测试,提高了测试效率。由于压入断裂力学分析的复杂性,目前的研究尚不成熟,由此存在一些对现有测试方法有效性的讨论。进一步研究和解决压入断裂测试的一些关键问题,例如棱锥压入的裂纹萌生扩展机制和球形压入的摩擦效应,将有助于推动压入方法发展成为准确和可靠的微小尺度断裂韧度测试手段。