基于划痕测试的金属材料断裂韧性测试方法

断裂韧性是评估材料抗裂纹扩展能力的关键参数。在设计和制造过程中，了解材料的断裂韧性可以帮助选择合适的材料，确保设备在使用过程中的安全性。对于已经投入使用的设备，评估材料的断裂韧性可以预测设备在运行过程中可能出现的裂纹扩展情况，从而预防事故的发生。传统的断裂韧性测试方法（如单边缺口梁测试和紧凑拉伸测试）需要较大的样本和复杂的加载程序，不适用于正在服役的材料和小样本情况。因此，郑州大学的张建伟教授团队提出了一种基于划痕测试的替代方法，用以测定金属材料的断裂韧性。

通过拉伸测试和紧凑拉伸测试得到四种不同金属材料的拉伸和断裂性能，测试所用试样如图1所示。通过维氏压头对材料进行划痕测试，图2为划痕测试示意图。将通过划痕测试得到的断裂韧性与紧凑拉伸测试得到的断裂韧性进行对比，以验证替代方法的准确性。

图1 （a）拉伸测试与（b）紧凑拉伸测试试样示意图。

图2 划痕测试示意图（a）正视图，（b）侧视图，（c）俯视图。

基于线性弹性断裂力学的假设可以得到刮头切向力与材料断裂韧性Kc、压头与样品表面的夹角θ、压头与材料接触面的周长p等有关（式1）。通过对该式进行简化可得本文考虑拉伸强度和延展性后（UT为拉伸强度和断裂伸长率的乘积）所修正的线性弹性断裂力学模型（Modified Model）（式2）。通过如图3所示的流程图可以经由两次不同深度的划痕测试来测得材料的断裂韧性。

（1）

（2）

图3 通过修正的线性弹性断裂力学模型得到断裂韧性的流程图。

通过现有的线弹性断裂力学（LEFM）模型、Akono的微观能量尺寸效应定律（MESEL）模型、Hubler的MESEL模型、Liu的MESEL模型以及文章所使用的修正的线性弹性断裂力学模型将测试得到的参数进行计算，得到不同的断裂韧性结果，不同模型之间的差异如图4所示。

图4 用来得到断裂韧性的不同理论模型。

将结果与紧凑拉伸测试所得到的断裂韧性进行了比较。实验结果表明，修正模型在计算金属材料的断裂韧性方面具有较高的准确性（图5）。但划痕深度较小时，划痕的产生主要由塑性变形导致，划痕中并没有明显的裂纹，此时该模型对断裂韧性的计算准确度不够理想（图6）。

图5 不同材料LEFM模型、Akono的MESEL模型、Hubler的MESEL模型、Liu的MESEL模型以及修正的线性弹性断裂力学模型所得到的断裂韧性与紧凑拉伸测试（CT）得到的断裂韧性进行对比，（a）18CrNiMo7-6,（b）DP800,（c）4140,（d）4340。

图6 不同法向载荷下18CrNiMo7-6的划痕微观形貌，（a）5N;（b）10N;（c）15N;（d）20N;（e）25N;（f）30N;（g）35N;（h）40N;（i）45N;（j）50N。

研究提出了一种基于划痕测试的金属材料断裂韧性测试方法，能够较为准确地评估材料的断裂韧性。该方法仅需进行两次不同划痕深度的测试，即可估算未知材料的断裂韧性。在理论模型的开发中，结合材料的微观和宏观特性可以进一步提高模型的准确性和适用性。但该方法是否能推广到脆性高分子材料中还需继续进行验证。

相关研究论文“Fracture toughness testing of metallic materials based on scratch tests"已发表在《Theoretical and Applied Fracture Mechanics》