Page 39 - 理化检验-物理分册2023年第二期

朱建雷, 等: 压痕法评价钛铌合金表面( TiNb ) C强化层显微硬度及断裂韧性

有关压痕法计算断裂韧性的经验公式较多, 且具有不 材料: 当 c / a 小于2.5时, 为巴氏裂纹; 当c / a 大于
同的应用范围。同时, 根据裂纹类型的不同, 公式的选 2.5时, 为中位裂纹; 当l / a 小于 1.5 时, 为巴氏裂
用也不同。大致可以分为中位裂纹和径向裂纹 [ 14 ] 。 纹; 当 l / a 大于 1.5 时, 为中位裂纹。 L-II和 L-III
若想用压痕法评价断裂韧性, 需先根据裂纹形 中 c / a 和 l / a 的分布如图5所示。由图5可知: 在
貌判断裂纹类型, 再选择适用的公式。在常规情况 表面方向, 随着载荷的增加, L-II 内 c / a 均小于2.5 ,
下, 依据裂纹长度c ( 压痕中心点至裂纹尖端的长 且 l / a 均小于1.5 。因此, L-II 内压痕顶角的裂纹为
度) 或 l ( 压痕顶角至裂纹尖端的长度) 与a ( 压痕的 巴氏裂纹。横截面方向, L-III 内的 c / a>2.5或 l / a
半长度) 的比值大小, 可判断裂纹的类型。对于多数 >1.5 , 因此 L-III 内的裂纹为中位裂纹。

图5 L-II和 L-III中c / a 和 l / a 的分布
的公式如表 2 所 表2 压痕法计算断裂韧性的公式
压痕法计算断裂韧性 K C
示 [ 15-17 ] ( 表2 中, E 为弹性模量, P 为测试载荷, H 序号 公式 裂纹类型

1 / 2
( 1 ) K C =0.0154 ( E / H ) ( P / c 3 / 2 ),( c / a≥2 )
为硬度), 其相应的计算结果如表3所示。计算结果
( 2 ) K C =0.0134 ( E / H ) ( P / c 3 / 2 ),( 1.5≤c / a≤7 )
1 / 2
表明: 在不考虑裂纹属性的情况下, 通过8种公式计 ( 3 ) K C =0.018 ( E / H ) ( P / c 3 / 2 ),( c / a≥2.5 )
1 / 2
均高于 L-III 。且随着测试载荷 ( 4 ) K C =0.0095 ( E / H ) ( P / c 3 / 2 ),( 1.5≤c / a≤7 ) 中位裂纹

2 / 3
算出的 L-II的 K C
2 / 5
显著下降。造成这种现 ( 5 ) K C =0.033 ( E / H ) ( P / c 3 / 2 ),( l / a≥1.5 )
的提高, L-III 内相应的 K C
2
( 6 ) K C =0.16Ha / c 3 / 2 ,( 2≤c / a≤6 )
象的主要原因是随着载荷的增加, 边缘效应的影响 ( 7 ) K C =0.0089 ( H / E ) ( P / al ),( 0.25≤ l / a≤1.5 )

1 / 2
2 / 5
巴氏裂纹
1 / 2
也显著增加。 ( 8 ) K C =0.0319 ( P / al )
表3 表面强化层不同层内断裂韧性的经验计算值 MPa · m 1 / 2
断裂韧性
项目 L-III 层 L-II 层

0.5N 1N 2N 均值 方差 1N 2N 3N 均值 方差
式( 1 ) 2.83 2.24 1.82 2.30 0.51 3.30 3.91 4.45 3.88 0.58
式( 2 ) 2.46 1.95 1.58 2.00 0.44 2.87 3.40 3.87 3.38 0.50
式( 3 ) 3.31 2.61 2.13 2.68 0.59 3.85 4.57 5.20 4.54 0.67
式( 4 ) 2.80 2.22 1.82 2.28 0.49 3.06 3.68 4.28 3.67 0.61
式( 5 ) 4.57 3.61 2.92 3.70 0.83 5.53 6.51 7.30 6.45 0.89
式( 6 ) 3.31 2.73 2.20 2.75 0.56 4.99 5.63 5.84 5.49 0.45
式( 7 ) 2.30 2.01 1.90 2.07 0.20 3.88 4.58 5.33 4.60 0.72
式( 8 ) 1.50 1.38 1.29 1.39 0.11 3.16 3.59 3.85 3.53 0.35
均值 2.88 2.34 1.96 2.39 0.47 3.83 4.48 5.01 4.44 0.59
结合裂纹类型的判断结果, L-II内压痕尖端的 “ 硬壳 - 软底” 的基体效应造成明显影响之前, 压痕尖
裂纹为巴氏裂纹, 其可选用的公式为( 7 ) 和( 8 )。数 端裂纹长度的延长并未与载荷的提高呈线性关系。
结果表明, L-II内微米级组织表现出更优异的裂纹
据表明, L-II 内的计算结果所表现出的趋势与 L-III
反而升高。在 抗扩展能力, 最终在压痕裂纹上表现为短裂纹的现
的趋势相反。提高测试载荷时, K C
2 3