一种结合纳米压痕与有限元获取焊缝组织力学参数的方法技术

本发明专利技术公开了一种结合纳米压痕与有限元获取焊缝组织力学参数的方法。该方法通过改变输入参量来改变有限元模拟焊缝金属纳米压痕过程得到的载荷位移曲线直至与实际焊缝金属的纳米压痕实验得到的载荷位移曲线相吻合，则相应的参量屈服强度，应变强化系数，应变速率影响系数，应变强化指数视为焊缝金属的力学性能参数，将所获取的焊缝的力学性能参数用于焊缝金属力学行为的仿真。该方法可以方便，简单的获得焊缝金属的力学性能参数。

A method for obtaining mechanical parameters of weld joint by nanoindentation and finite element method

The invention discloses a method for obtaining mechanical parameters of a welding joint by combining nano indentation and finite element. The load displacement curve obtained by the method of nano indentation experiments until with the actual weld metal through the load displacement curve to change the input parameters to change the finite element simulation of the nanoindentation process of weld metal are consistent, the corresponding parameters of yield strength, strain hardening coefficient, strain rate effect coefficient, the strain hardening index as the mechanical properties of weld the simulation of mechanical properties of metal, weld parameters can be obtained for the mechanical behavior of weld metal. The method can be used to obtain the mechanical parameters of the weld metal conveniently and simply.

【技术实现步骤摘要】
一种结合纳米压痕与有限元获取焊缝组织力学参数的方法
本专利技术涉及一种结合纳米压痕与有限元模拟获取焊缝区域材料力学性能参数的方法，可以用于焊缝金属力学行为仿真，属于材料力学性能表征领域。
技术介绍
材料的力学性能是指在常温，静载作用下的宏观力学性能。主要包括强度、硬度、刚度、塑性，韧性等，是确定各种工程设计参数的主要依据。目前，材料的力学性能参数主要通过拉伸，压缩，弯曲，剪切，冲击和硬度等传统试验方法测试。这类试验在宏观尺度下容易操作，但是当我们需要测量材料微区的力学性能参数时通过这些传统的力学性能试验方法很难获得。不同的成分会形成不同的组织，而不同的组织就会有不同的力学性能表征。例如，316LN奥氏体不锈钢焊缝由于在非平衡凝固过程中Cr和Mo元素的偏聚诱导位错缠结形成天然的小角度亚晶界，从而使焊缝组织的亚晶界和亚晶区域具有不同的力学性能。模拟裂纹在焊缝的亚晶内和亚晶界的扩展行为时，需要分别测量亚晶界和亚晶内的力学性能参数来计算两个不同微区的裂纹扩展能，这些力学性能参数需要在微观尺度下进行测量，通过传统的力学性能测试方法是行不通的。纳米压痕技术也称深度敏感压痕技术，是最简单的测试材料力学性质的方法之一，可以在纳米尺度上测量材料的各种力学性质。纳米压痕技术由于具有无损，可以在极小的范围内测量材料的力学性能。近几年在材料的微观力学性能研究方面得到了很广泛的应用。在微机电系统方面主要是测量一些构件上微米甚至是纳米级的涂层或薄膜的硬度；在生物工程方面主要是测定骨，牙齿或细胞等生物组织的力学性能；在特殊材料研究方面可以在很小的区域内用很微小的载荷测量材料的硬度和弹性模量。除此之外，其在摩擦学性能研究和信息技术方面也得到了应用。公告号CN101266202A公开了一种提取材料力学性能的方法，该方法结合孔洞模型和塑性力学理论，提出了一种新的代表性应变并以之为桥梁结合数值模拟方法，建立能量比和材料塑性力学参数之间的关系式，最终获取材料的弹性模量，屈服强度和硬化指数。但是上述方法存在以下局限性问题；一是理论基础要求比较高，需要检测人员进行专门的相关理论知识学习，使得这种方法的使用推广受到很大的限制；而是推导过程比较复杂，计算量比较大。因此，提出一种能够简单，方便获取材料力学性能参数的方法是很有必要的。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种结合纳米压痕与有限元获取焊缝组织力学参数的方法，可用于焊缝力学行为仿真。力学参数包括屈服强度，应变强化系数，应变速率影响系数，应变强化指数。为实现上述目的，本专利技术的结合纳米压痕和有限元模拟获取焊缝区域材料力学性能参数的方法，具体步骤为：1)将合适尺寸的焊缝金属试样通过机械抛光后用腐蚀液轻微腐蚀至刚好能在显微镜下分辨不同组织区域的程度；2)将上述准备好的试样固定在纳米压痕仪，选取合适压头、压头加载速率、最大载荷、保载时间及卸载速度，进行纳米压痕试验，获得实际载荷位移曲线；3)利用有限元模拟软件模拟纳米压痕过程，选用Johnson-Cook模型作为焊缝金属的本构关系，输入参量屈服强度σ0、应变强化系数α、应变速率影响系数β、应变强化指数n、参考应变速率έ0，通过求解器求解，获得有限元模拟纳米压痕过程的模拟载荷位移曲线。4)将模拟载荷位移曲线与实际载荷位移曲线相比较，通过改变参量直至模拟曲线与实际曲线吻合；当模拟曲线和实际曲线吻合时，输入的参量屈服强度σ0、应变强化系数α、应变速率影响系数β、应变强化指数n就视为焊缝金属的力学性能参数。获取的焊缝金属的力学性能参数可以作为焊缝金属力学行为仿真时的焊缝金属实际的力学性能参数。在修正模拟载荷位移曲线与实际曲线吻合过程中，模拟曲线的最大载荷及保载时间是设定好不变的，输入参量中的参考塑形应变速率是根据实际的纳米压痕实验中的位移-时间曲线确定的，屈服强度是根据实际的纳米压痕位移载荷曲线确定的。根据第一次输入的参量值计算出来的模拟载荷位移曲线与实际的载荷位移曲线进行比较，首先根据卸载过程的曲线来调节输入参量的应变速率影响系数数值，当模拟出来的载荷位移曲线卸载过程的斜率大于实际载荷位移曲线卸载过程曲线的斜率，则应减小输入参量的应变速率影响系数数值；相反，当模拟出来的载荷位移曲线卸载过程的斜率小于实际载荷位移曲线卸载过程曲线的斜率，则应增大输入参量的应变速率影响系数数值，直到模拟的卸载过程载荷位移曲线的斜率和实际的相等，则此时输入的应变速率影响系数就为所测焊缝区域的真实应变速率影响系数。再根据加载过程的载荷位移曲线来调节输入参量应变强化系数、应变强化指数的数值，当模拟的加载过程中的载荷位移曲线在实际的曲线上方，减小输入参量应变强化系数、应变强化指数的数值；当模拟的加载过程中的载荷位移曲线在实际的曲线下方，增大输入参量应变强化系数、应变强化指数的数值；当模拟的加载过程中的载荷位移曲线前半部分在实际的曲线上方后半部分在实际曲线下方，增大应变强化系数数值，减小应变强化指数的数值；当模拟的加载过程中的载荷位移曲线前半部分在实际的曲线下方后半部分在实际曲线上方，减小应变强化系数数值，增大应变强化指数的数值，直到模拟的曲线和实际的曲线吻合。电脑的计算速度很快，可以在较短的时间内得到模拟曲线和实际曲线吻合。本专利技术通过比较纳米压痕实验得到的载荷位移曲线和有限元模拟纳米压痕过程得到的模拟载荷位移曲线，改变参量直至模拟载荷位移曲线和实际位移曲线相吻合，获取所测焊缝金属极小的局部范围内的材料力学性能参数。特别是当需要测量焊缝金属不同组织的力学性能参数时，可以通过本专利技术的方法简单，方便的获取。附图说明图1为316LN奥氏体不锈钢焊缝的扫描电镜（SEM）图片；图2为316LN奥氏体不锈钢焊缝金属实际的纳米压痕图片；图3为316LN奥氏体不锈钢焊缝金属模拟的纳米压痕模型；图4为316LN奥氏体不锈钢焊缝金属实际纳米压痕过程中的载荷位移曲线和有限元模拟纳米压痕过程中的载荷位移曲线。具体实施方式下面结合实施例进一步说明本专利技术。由于316LN中Cr、Ni、Mo、Mn等合金元素含量较高，焊缝金属在非平衡凝固过程中发生成分偏聚。大尺寸Mo原子的富集造成该区域原子错排和位错缠结而形成小角度亚晶界。如图1所示，白亮的部分为亚晶界，较暗的部分为亚晶内区域。Mo原子富集引起的强烈的固溶强化作用和位错缠结造成的应力场使得亚晶界和亚晶内的力学性能表征。由于亚晶内和亚晶界不同的力学性能表征使得它们对裂纹萌生和扩展有着不同的影响。在模拟裂纹在316LN奥氏体不锈钢焊缝金属中的扩展行为时，所需要用到的不同区域的力学性能参数可以通过本专利技术的方法获取。实施例一1）将尺寸为10×10×5mm的316LN焊缝金属的10×10mm面机械抛光后用体积比为HNO3：HCL：H2O=1：1：1的腐蚀液腐蚀至刚好能早显微镜下分辨出不同组织的程度（如图1）。2）将上述准备的焊缝试样固定在纳米压痕仪上进行纳米压痕实验，本次实验的压头型号为三棱锥berkvoich压头；曲率半径50mm；压头的加载速度为13.3μN/s；最大载荷4000μN且保持2min；卸载速度和加载速度相同。实验过程中，每隔3μm的距离打一个压痕，知道有足够的压痕分别完全落在亚晶粒和亚晶界区域（如图2所示），压痕有同时覆盖两个区域，视为无效数据。选本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种结合纳米压痕与有限元获取焊缝组织力学参数的方法，其特征在于，具体步骤如下：1)将合适尺寸的焊缝金属试样通过机械抛光后用腐蚀液轻微腐蚀至刚好能在显微镜下分辨不同组织区域的程度；2)将上述准备好的试样固定在纳米压痕仪，选取合适压头、压头加载速率、最大载荷、保载时间及卸载速度，进行纳米压痕试验，获得实际载荷位移曲线；3)利用有限元模拟软件模拟纳米压痕过程，选用Johnson‑Cook模型作为焊缝金属的本构关系，输入参量屈服强度σ

【技术特征摘要】
1.一种结合纳米压痕与有限元获取焊缝组织力学参数的方法，其特征在于，具体步骤如下：1)将合适尺寸的焊缝金属试样通过机械抛光后用腐蚀液轻微腐蚀至刚好能在显微镜下分辨不同组织区域的程度；2)将上述准备好的试样固定在纳米压痕仪，选取合适压头、压头加载速率、最大载荷、保载时间及卸载速度，进行纳米压痕试验，获得实际载荷位移曲线；3)利用有限元模拟软件模拟纳米压痕过程，选用Johnson-Cook模型作为焊缝金属的本构关系，输入参量屈服强度σ0、应变强化系数α、应变速率影响系数β、应变强化指数n、参考应变速率έ0，通过求解器求解，获得有限元模拟纳米压痕过程的模拟载荷位移曲线；4)将模拟载荷位移曲线与实际载荷位移曲线相比较，通过改变参量直至模拟曲线与实际曲线吻合；当模拟曲线和实际曲线吻合时，输入的参量屈服强度σ0、应变强化系数α、应变速率影响系数β、应变强化指数n就视为焊缝金属的力学性能参数。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在修正模拟载荷位移曲线与实际载荷位移曲线吻合过程中，根据第一次输入的参量值计算出来的模拟载荷位移曲线与实际的载荷位移曲线进行比较，首先根据卸载过程的曲线来调...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖文凯，代克顺，朱黎，翟显，罗序军，张明祥，王华硕，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42