一种利用球形压痕法计算断裂韧性的方法技术

本发明专利技术公开一种利用球形压痕法计算断裂韧性的方法，包括以下步骤：(1)基于球形压头压痕试验，在恒定速率下，获取卸载条件下的全程载荷

【技术实现步骤摘要】
一种利用球形压痕法计算断裂韧性的方法


[0001]本专利技术涉及断裂韧性测试
，具体涉及一种利用球形压痕法计算断裂韧性的方法。

技术介绍

[0002]随着能源结构的优化，高强度材料在石油工程、航空工程等得到了日益广泛的应用，在服役过程中，高强度材料发生事故往往是韧性劣化导致的。为了保证设备的安全运行，必须对设备的寿命进行表征和评估，目前各行业的材料寿命评估主要采用在实验室使用标准样品进行测试的方法，需要从设备取样，但这对于服役设备来说显然不现实。因此，对于设备的安全与寿命评估而言，在不伤害装置的前提下完成断裂韧性的在役连续监测具有十分重要的意义。压痕法作为近代发展起来的材料性能测试方法，其在检测过程中无需取样，仅需很小的一个表面就可以开展测试，且对设备测量面损伤很小，利用压痕测试断裂韧性测试的方法能快速、无损或低损获取材料的断裂韧性数值。
[0003]对于采用压痕法计算断裂韧性，可以利用压痕起裂能模型，将达到临界载荷时压痕的试验功关联到裂纹起裂所需能量，来得到材料的断裂韧性。如中国专利CN2019102495213中所公开的一种利用压痕法计算断裂韧性的方法，我们利用该压痕起裂能模型，对利用Berkovich压头测量断裂韧性进行了，并修正了断裂韧性计算公式，提高了计算精度；对于球形压头，《连续球压痕法测试材料J0.05的研究》中公开了利用球形压头检测计算断裂韧性的公式，但该计算公式仍存在较大的误差，亟需改进。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种利用球形压痕法计算断裂韧性的方法，在无损状态下获得材料的断裂韧性。
[0005]本专利技术具体采用如下技术方案：
[0006]一种利用球形压痕法计算断裂韧性的方法，包括以下步骤：
[0007](1)基于球形压头压痕试验，在恒定速率下，获取卸载条件下的全程载荷
‑
深度曲线；
[0008](2)获取载荷
‑
深度曲线的拟合斜率，即卸载刚度；
[0009](3)利用有限元对球形压头压入过程进行模拟，获取压痕表面形貌三维等高线图，并基于压痕表面形貌三维等高线图获得压痕截面高度堆积图及压痕表面形貌投影图；
[0010](4)根据步骤(3)所获得的压痕截面高度堆积图及压痕表面形貌投影图，计算压入深度偏差系数及投影面积偏差系数；
[0011](5)由压入功与压入断裂能联合公式及步骤(4)所得的压入深度偏差系数、投影面积偏差系数，计算断裂韧性K
JC
；
[0012][0013]其中，E为被测材料的弹性模量；D为球形压头的直径，S为载荷
‑
位移曲线的斜率，即卸载刚度，h
*
为临界压入深度，α为压入深度偏差系数。
[0014]优选的，所述步骤(5)中压入深度偏差系数α为实际深度与理论深度的比值，即：
[0015][0016]其中，h
实际深度
为压痕测试过程中考虑堆积效应导致的实际深度，h
理论深度
为理想状态下压痕的深度。
[0017]优选的，所述步骤(5)中临界压入深度h
*
通过有效弹性模量与压痕深度的关系计算，即：
[0018]lnE
D
＝k*lnh+b
[0019]其中，E
D
为被测材料的有效弹性模量，h为压痕深度，k、b为拟合系数；
[0020]被测材料有效弹性模量E
D
的计算公式为：
[0021][0022]其中，E
r
代表被测材料减缩弹性模量；E
i
代表压头弹性模量；v代表被测材料的泊松比；v
i
代表压头泊松比；
[0023]E
r
的计算公式为：
[0024][0025]其中，S代表测试过程中获得的载荷
‑
压入深度曲线中卸载斜率，该斜率一般称为卸载刚度，A
c
代表压痕接触深度下的投影面积，A
c
＝24.5h
c2
，h
c
为接触深度，α为压入深度偏差系数，β为投影面积偏差系数。
[0026]优选的，投影面积偏差系数β为压头堆积面面积与自由面面积的比值，即：
[0027][0028]其中，A
堆积面
为压痕测试过程中考虑堆积效应导致的压头周围的面积，A
自由面
为理想状态下压头周围形成的面积。
[0029]优选的，所述步骤(5)中，临界压入深度h
*
通过临界弹性模量E
*
计算得到，通过引入损伤变量，有效弹性模量E
D
的计算公式表示为：
[0030]E
D
＝E0(1
‑
M)
[0031]其中，E
D
为有效弹性模量；E0为没有损伤时的弹性模量，M为损伤变量；
[0032]损伤变量的计算公式如下：
[0033][0034]其中，f为材料孔洞率，材料裂纹起裂稳定扩展时对应的临界孔洞率f
*
＝0.25，则计算得到临界损伤变量M
*
及临界弹性模量E
*
，从而得出临界压入深度h
*
。
[0035]优选的，所述步骤(2)中，卸载刚度由Oliver
‑
Pharr法获得，通过幂函数拟合得到的计算公式为：
[0036]S＝Bm(h
max
‑
h
p
)
m
‑1[0037]其中，h
max
为最大压入深度，h
p
为卸载后残余塑性变形深度，B、m为拟合系数，由最小二乘法确定。
[0038]本专利技术具有如下有益效果：
[0039](1)本专利技术基于已有的球形压痕法测试断裂韧性计算模型，引入压痕表面形貌对断裂韧性的影响，对压痕
‑
断裂韧性计算公式进行了修正，提高计算精确度；
[0040](2)本专利技术所提供的方法能够在无损或低损状态下计算得到材料的断裂韧性，从而对设备的寿命进行表征和评估，尤其适用于服役设备。
附图说明
[0041]图1压痕深度为400微米时轨道钢压痕表面形貌三维等高线图；
[0042]图2压痕深度为400微米时轨道钢压痕截面高度堆积图；
[0043]图3压痕深度为400微米时轨道钢压痕表面形貌；
[0044]图4轨道钢的载荷
‑
压入深度曲线；
[0045]图5轨道钢的弹性模量
‑
压入深度曲线。
具体实施方式
[0046]本专利技术提供了一种利用球形压痕法计算断裂韧性的方法，为了使本专利技术的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合附图对本专利技术做详细说明。
[0047]本实施例提供的一种利用球形压痕本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用球形压痕法计算断裂韧性的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)基于球形压头压痕试验，在恒定速率下，获取卸载条件下的全程载荷
‑
位移曲线；(2)获取载荷
‑
位移曲线的拟合斜率，即卸载刚度；(3)利用有限元对球形压头压入过程进行模拟，获取压痕表面形貌三维等高线图，并基于压痕表面形貌三维等高线图获得压痕截面高度堆积图及压痕表面形貌投影图；(4)根据步骤(3)所获得的压痕截面高度堆积图及压痕表面形貌投影图，计算压入深度偏差系数及投影面积偏差系数；(5)由压入功与压入断裂能联合公式及步骤(4)所得的压入深度偏差系数、投影面积偏差系数，计算断裂韧性K
JC
；其中，E为被测材料的弹性模量；D为球形压头的直径，S为载荷
‑
位移曲线的斜率，即卸载刚度，h
*
为临界压入深度，α为压入深度偏差系数。2.根据权利要求1所述的一种利用球形压痕法计算断裂韧性的方法，其特征在于，所述步骤(5)中压入深度偏差系数α为实际深度与理论深度的比值，即：其中，h
实际深度
为压痕测试过程中考虑堆积效应导致的实际深度，h
理论深度
为理想状态下压痕的深度。3.根据权利要求2所述的一种利用球形压痕法计算断裂韧性的方法，其特征在于，所述步骤(5)中临界压入深度h
*
通过有效弹性模量与压痕深度的关系计算，即：lnE
D
＝k*lnh+b其中，E
D
为被测材料的有效弹性模量，h为压痕深度，k、b为拟合系数；被测材料有效弹性模量E
D
的计算公式为：其中，E
r
代表被测材料减缩弹性模量；E
i
代表压头弹性模量；v代表被测材料的泊松比；v
i
代表压头泊松比；E
r
的计算公式为：其中，S代表测试过程中获得的载荷
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张玉财，蒋文春，涂善东，张显程，杨滨，罗云，宋明，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：