一种采用球形压痕形貌识别金属材料塑性力学参数的方法技术

本发明专利技术公开了一种采用球形压痕形貌识别金属材料塑性力学参数的方法，包括获取残留在试件表面的压痕实验轮廓快照，建立压痕轮廓快照矩阵，采用正交分解算法建立压痕轮廓快照的子空间，并在子空间中实现材料塑性力学参数与压痕轮廓快照子空间坐标的直接关联；通过在子空间中定义压痕实验轮廓快照与一系列仿真轮廓快照之间的差异容许值，依据差异容许值在材料参数区间的分布特征来获取被测试材料力学性能参数的识别结果。在材料参数识别时，使用了一系列预测所得压痕轮廓数据与压痕实验轮廓数据的直接对比，达到材料参数识别的目的，避免了大规模的数值迭代过程中可能的参数识别局部最优问题，方法效率更高，更可靠。更可靠。更可靠。

【技术实现步骤摘要】
一种采用球形压痕形貌识别金属材料塑性力学参数的方法


[0001]本专利技术属于材料塑性力学性能测试方法
，具体涉及到一种采用球形压痕形貌来识别金属材料塑性力学参数的方法。

技术介绍

[0002]深入了解材料的基本力学性能是进行材料力学建模、结构设计和材料成形工艺分析的前提。因此，如何准确获取材料的各项基本力学性能指标一直是材料性能测试领域所关注的热点问题。针对材料塑性力学性能的检测，现有常规力学实验方法多采用单轴拉伸/压缩测试。该种测试方法需要将试件按照一定的几何标准进行切割，而后采用破坏性拉伸或压缩过程来得到被测试材料的塑性性能参数。然而，这种常规实验方法的试件准备过程非常繁琐，且对材料的破坏性大，极易造成材料的浪费。此外，在航空航天制造领域，通常存在着一些几何形状异常复杂的结构件。对于这些材料而言，通常难以制备拉伸测试的标准试件，并且难以实现材料力学性能的在役检测。更为重要的是，现有单轴拉伸实验测试方法不便应用于役件材料的性能检测，也难以用于材料局部力学性能的测量。因此，常规的单轴拉伸力学测试方法存在很大的使用局限性，这通常导致材料塑性力学性能测试数据的不准确、不全面。
[0003]近些年，压痕测试方法由于其实验过程简便，实验方法灵活性强等优点，得到了材料性能检测领域的着重关注。在压痕测试中，通过将刚性压头压入被测试材料表面，获取在压痕作用下的材料变形力学响应特征，如：载荷
‑
位移关系曲线和卸载残留压痕轮廓形貌。基于压痕实验中材料力学响应的测量，并结合一定的数学分析方法，能够得到被测试材料的力学性能参数。相比于单轴拉伸实验而言，压痕测试方法具有很多优点。一方面，压痕测试过程的试样准备简单，对试件破坏性小，且能够用于材料局部力学性能的检测。另一方面，压痕测试方法还可以用于获取材料在加工过程中力学性能演化的测量，也常常被用于评估服役状态下材料的力学性能。因此，压痕测试方法极大地拓展了常规力学测试技术的适用范围，具有重要研究意义。
[0004]2017年，A.R.Hosseinzadeh等(Determination of mechanical properties using sharp macro
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indentation method and genetic algorithm,Mechanics of Materials,114(2017)57
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68)建立了一种仅依靠维氏压头加载获取的载荷
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位移关系曲线来识别材料的弹塑性力学性能参数。该方法借助量纲分析来建立载荷
‑
位移曲线特征参数与材料力学性能参数之间的关联，同时采用基因算法来优化求解被测试材料的力学性能。基于所建立的数值方法并结合Vickers压痕实验，A.R.Hosseinzadeh等成功识别出了几种不锈钢材料的弹塑性力学性能参数。
[0005]2019年，O.Iracheta等(A holistic inverse approach based on a multi
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objective function optimisation model to recover elastic
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plastic properties of materials from the depth
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sensing indentation test,Journal of the Mechanics and Physics of Solids,128(2019)1
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20)在同时考虑Berkovich压痕轮廓形貌和载荷
‑
位
移关系曲线的情况下，建立了一种基于多目标迭代优化的材料弹塑性参数识别方法。在该方法中，仅当压痕载荷
‑
位移关系曲线和残留压痕形貌均被考虑进参数识别的数值模型中时，才能够得到材料参数的唯一识别结果。并且，通过该方法识别所得材料性能参数与单轴测试结果吻合比较好。
[0006]尽管当前有很多学者提出了一些采用压痕实验来识别材料力学性能参数的方法。但是，现有这些方法多将压痕的载荷
‑
位移关系曲线作为分析材料性能参数的主要依据，并普遍采用迭代优化的反向求解方法来获取被测试材料的力学性能参数。然而，一方面，压痕载荷
‑
位移关系曲线的准确获取需要考虑到压痕加载过程中压头尖端和机架的变形，并合理确定压头与试件的接触零点。在压痕实验中，压头通常为变形体。在压痕加载中，压头尖端处于高应力集中状态，极易导致尖端的变形，从而影响到载荷
‑
位移关系曲线初始接触点的准确测定。另一方面，现有诸多研究已经表明：当仅采用压痕载荷
‑
位移关系曲线来识别材料的塑性力学性能参数时，可能导致识别结果非唯一。
[0007]此外，在基于压痕测试识别材料力学性能参数的研究中，多将参数识别构建为反问题的形式，并采用迭代优化算法进行参数识别的逆向求解。然而，迭代优化的参数识别过程往往需要涉及到目标函数梯度的大规模计算，这通常容易导致迭代计算的不收敛。并且，基于梯度优化的参数识别过程，仅能够得到材料性能参数的点估计结果，难以用于判断识别结果的唯一性以及在估计点周围材料性能的可信分布区间。
[0008]相比于压痕载荷
‑
位移关系曲线和凸起/凹陷测量而言，采用残留在试件表面的整个压痕轮廓形貌来识别材料的性能参数有很多优点。一方面，在压痕作用下残留的整个压痕轮廓形貌包含着更多的材料变形响应信息，这有利于促进材料塑性参数识别结果的唯一性。另一方面，不需要在参数识别过程中引入额外的压痕凸起/凹陷测量，降低了实验测试的难度。此外，在基于压痕轮廓形貌识别材料的塑性力学性能参数时，有必要合理建立起压痕轮廓快照与材料塑性参数之间的有效关联。并且，通过直接量化压痕实验轮廓快照与一系列仿真轮廓快照之间的容许度，以达到参数识别的目的，避免一般优化计算过程中复杂的数值迭代过程。结合压痕实验轮廓快照与一系列仿真轮廓快照之间容许度的分布特征，有利于判断识别结果的唯一性和识别点周围材料性能的可信分布区间。

技术实现思路

[0009]为解决现有技术中存在的上述缺陷，本专利技术的目的在于提供一种采用球形压痕形貌识别金属材料塑性力学参数的方法，该方法实现了压痕轮廓快照与材料性能参数之间的有效关联，使用预测所得压痕轮廓数据与压痕实验轮廓数据的直接对比，达到材料参数识别的目的，避免了大规模的数值迭代过程可能的参数识别局部最优问题，本专利技术的参数识别计算方法效率更高，更可靠。
[0010]本专利技术是通过下述技术方案来实现的。
[0011]采用球形压痕形貌识别金属材料塑性力学参数的方法，包括：
[0012]将待测试金属试样表面抛光处理，进行球形压痕实验；
[0013]获取残留在试件表面的压痕实验轮廓快照S
exp
；
[0014]依据Hollomon硬化法则，建立材料塑性参数的设计本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种采用球形压痕形貌识别金属材料塑性力学参数的方法，其特征在于，包括以下步骤：将待测试金属试样表面抛光处理，进行球形压痕实验；获取残留在试件表面的压痕实验轮廓快照S
exp
；依据Hollomon硬化法则，建立材料塑性参数的设计空间，开展一系列球形压痕有限元仿真，建立压痕轮廓快照矩阵S
w
；基于正交分解算法，建立平均轮廓快照和中心轮廓快照矩阵S，对中心轮廓快照矩阵S进行奇异值分解；采用正交基矩阵中正交向量的线性表示来重构压痕轮廓快照S
i
，建立压痕轮廓快照子空间坐标矩阵α；基于二次多项式基函数，建立压痕轮廓快照子空间坐标矩阵α与Hollomon硬化法则参数之间的关联；建立用于量化压痕实验轮廓快照与仿真轮廓快照之间的差异容许值g(c)，在给定材料参数区间范围内，材料性能参数c
i
所对应容许值g(c
i
)趋近于1时，则表明该材料参数组合接近于识别所得材料性能参数值；依据差异容许值g(c)与Hollomon硬化法则参数c之间的关系，确定仿真轮廓与实验轮廓之间容许值在材料参数区间内的分布特征，进一步确定待识别金属材料的力学性能参数。2.根据权利要求1所述的采用球形压痕形貌识别金属材料塑性力学参数的方法，其特征在于，压痕轮廓快照表示为向量S
i
，且S
i
∈R
m
；其中，为压痕轮廓的垂直位移序列值，R表示实数的集合，m表示压痕轮廓快照向量的维数。3.根据权利要求1所述的采用球形压痕形貌识别金属材料塑性力学参数的方法，其特征在于，Hollomon硬化法则表示为：其中，E为弹性模量；σ
y
和n分别为屈服应力和硬化指数；σ为拉伸应力，ε为拉伸应变，ε
y
为屈服应变。4.根据权利要求1所述的采用球形压痕形貌识别金属材料塑性力学参数的方法，其特征在于，压痕轮廓快照矩阵S
w
表示为：S
w
＝[S1,S2,...,S
N
]其中，S
w
∈R
m
×
N
，N为用于压痕仿真的材料参数组合的个数，m为压痕轮廓快照向量的维数。5.根据权利要求4所述的采用球形压痕形貌识别金属材料塑性力学参数的方法，其特征在于，平均轮廓快照表示为：中心轮廓快照矩阵S表示为：
6.根据权利要求1所述的采用球形压痕形貌识别金属材料塑性力学参数的方法，其特征在于，对中心轮廓快照矩阵S进行奇异值分解,表示为：S＝UDV
T
其中，U为正交基矩阵，表示为U＝[U1,U2,...,U
N
]，U1,...

【专利技术属性】
技术研发人员：王明智，王卫东，吴建军，高立波，曹可，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：