基于球形多级压入卸载法的材料力学参数与本构曲线的获取方法技术

本发明专利技术提供一种基于球形多级压入卸载法的材料力学参数与本构曲线的获取方法，包括如下步骤：使硬质球形压头对齐于金属试样的待测试压入区域；使用硬质球形压头在所述待测试压入区域实施多级压入卸载试验，记录压入载荷与压入深度之间的关系曲线；在压入载荷与压入深度之间的关系曲线上提取每一级压入卸载试验所对应的最大压入载荷F

【技术实现步骤摘要】
基于球形多级压入卸载法的材料力学参数与本构曲线的获取方法


[0001]本专利技术涉及材料测试领域，特别是一种基于球形多级压入卸载法的材料力学参数与本构曲线的获取方法。

技术介绍

[0002]拉伸强度和应力应变关系曲线是金属材料的基本力学表征，传统力学试验方法需要从原材料或结构上切取拉伸试样，在试验机上进行拉伸试验获取材料力学性能。然而对于在役设备、焊接件、微小结构件和表面处理如涂层等零构件无法加工试样进行传统拉伸试验，大量学者希望通过压入试验来获取材料的力学性能。压入试验无需取样，通过对表面微区施加压入载荷的简单操作获取压入载荷与压入深度之间的关系曲线，并由计算公式获得材料的力学性能。
[0003]目前压入法大致可分为经验物理法和有限元模拟数值分析法。经验物理法主要是定义代表应力和代表应变，分别近似为材料的应力和应变，从而实现从压入载荷与压入深度之间的关系曲线转化为应力与应变关系的本构曲线。大部分经验物理模型均基于纯弹性材料和理想线性变形的假设，材料表面的加工状态、压痕边缘鼓凸或沉陷现象以及非线性塑性变形没有被充分考虑和修正，导致结果与真值严重偏离，应用性较差。有的推算方法是以压入部分曲线为内凹形状为前提对压入曲线进行幂律拟合作为力学经验推算公式的基础，对于压入曲线呈直线或外凸形状的材料并不适用。
[0004]基于有限元模拟的数值分析方法考虑了材料加工硬化行为对表征应力
‑
表征应变的影响，针对不同本构方程建立材料单轴力学性能与压入性能的关联方程。此类表达式完全依赖有限元计算，模拟方程中存在大量需要通过有限元结果标定的系数，方程式冗长繁琐，而且对于不同塑性特征的材料，需要重新标定系数。数值分析法并未从理论上描述材料的力学行为，缺乏明确的物理意义，参数的选择和迭代过程较为复杂，难以进行工程应用。
[0005]因此需要一种基于球形多级压入卸载法的材料力学参数与本构曲线的获取方法，用于无法加工试样进行传统拉伸试验获取材料力学参数的测试环境，解决现有压入测试方法获取的强度预测值与真实值偏差较大和有限元模拟方程过于繁琐难以工程应用的技术问题。

技术实现思路

[0006]鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于球形多级压入卸载法的材料力学参数与本构曲线的获取方法，解决现有压入测试方法获取的强度预测值与真实值偏差较大和有限元模拟方程过于繁琐难以工程应用的技术问题。
[0007]为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种基于球形多级压入卸载法的材料力学参数与本构曲线的获取方法，包括如下步骤：
[0008]使硬质球形压头对齐于金属试样的待测试压入区域；
[0009]使用硬质球形压头在所述待测试压入区域实施多级压入卸载试验，记录压入载荷与压入深度之间的关系曲线；
[0010]在压入载荷与压入深度之间的关系曲线上提取每一级压入卸载试验所对应的最大压入载荷F
mi
、最大压入深度h
mi
、加载斜率S
li
和初始卸载斜率S
ui
，测量金属试样的表面压痕直径d
f
；
[0011]计算第一级卸载对应的修正残余深度h
c1
和等效弹性模量E
1*
，获得卸载弹性模量E；
[0012]计算第i级卸载对应的修正残余深度h
ci
，获得等效弹性模量E
i*
；
[0013]计算第i级卸载前最大压入载荷F
mi
对应的应力σ
mi
；
[0014]通过第i级卸载对应的应力σ
mi
和等效弹性模量E
i*
计算第i级卸载的总弹性应变ε
tei
；
[0015]计算第i级卸载前后的加载斜率S
li
和卸载斜率S
ui
的比值p
i
，表征总弹性应变ε
tei
与总应变ε
ti
的比值，分解得到第i级卸载的塑性应变量ε
pi
；
[0016]将塑性应变量ε
pi
和应力σ
mi
进行幂函数拟合，获得压入强化系数K
I
和压入硬化指数n
I
；由压入强化系数K
I
和压入硬化指数n
I
获得金属试样所用材料的本构曲线；
[0017]计算金属试样所用材料的塑性延伸强度R
px
和抗拉强度R
m
。
[0018]优选的，所述获取方法还包括：对金属试样的待测试压入区域进行表面处理，待测试压入区域的表面的粗糙度小于0.8μm，通过这种方式进一步提高了通过试验获取的数据的准确性。
[0019]优选的，所述硬质球形压头的直径为D；将最后一级压入卸载试验所对应的最大压入载荷F
mi
记为F
mf
；满足以下条件：对于黑色金属，最大压入载荷F
mf
满足F
mf
＝294D2；对于有色金属，最大压入载荷F
mf
满足F
mf
＝98D2，保证了得到的压入载荷与压入深度之间的关系曲线的准确性。
[0020]优选的，所述使用硬质球形压头在所述待测试压入区域实施多级压入卸载试验的的步骤包括：始终保持所述硬质球形压头垂直于金属试样的待测试压入区域，确保产生的压入深度和压痕直径是载荷直接作用的结果，而不是其法向的分解载荷。
[0021]优选的，将最后一级压入卸载试验所对应的最大压入载荷F
mi
记为F
mf
；在0～F
mf
的载荷范围内实施压入卸载试验的级数至少8级；保证实施多级压入卸载的级数大于等于8，能够保证通过试验获得的压入载荷与压入深度之间的关系曲线更加准确，且获得数据足够丰富。
[0022]优选的，所述修正残余深度h
ci
的计算方法为：
[0023]根据关系式计算第i级卸载对应的理论残余深度h
*ci
，其中α＝0.75；
[0024]再根据关系式计算塑性系数β，其中h
*cf
为关系式取值i＝f得到的最后一级卸载后的理论残余深度；h
cf
为从压入载荷
与压入深度之间的关系曲线上获取的最后一级卸载的真实残余深度；F
mf
为从压入载荷与压入深度之间的关系曲线上获取的最后一级卸载前的最大压入载荷；
[0025]将塑性系数β代入关系式计算第i级卸载对应的修正残余深度h
ci
；本方法根据从压入载荷与压入深度之间的关系曲线上获取的参数，并通过计算得到修正残余深度h
ci
，为后续计算其他拉伸力学参数提供了基础。
[0026]优选的，所述等效弹性模量E
i*
的计算本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.本发明提供一种基于球形多级压入卸载法的材料力学参数与本构曲线的获取方法，其特征在于，包括以下步骤：使硬质球形压头(1)对齐于金属试样(2)的待测试压入区域；使用硬质球形压头(1)在所述待测试压入区域实施多级压入卸载试验，记录压入载荷与压入深度之间的关系曲线；在压入载荷与压入深度之间的关系曲线上提取每一级压入卸载试验所对应的最大压入载荷F
mi
、最大压入深度h
mi
、加载斜率S
li
和初始卸载斜率S
ui
，测量金属试样(2)的表面压痕直径d
f
；计算第一级卸载对应的修正残余深度h
c1
和等效弹性模量E
1*
，获得卸载弹性模量E；计算第i级卸载对应的修正残余深度h
ci
，获得等效弹性模量E
i*
；计算第i级卸载前最大压入载荷F
mi
对应的应力σ
mi
；通过第i级卸载对应的应力σ
mi
和等效弹性模量E
i*
计算第i级卸载的总弹性应变ε
tei
；计算第i级卸载前后的加载斜率S
li
和卸载斜率S
ui
的比值p
i
，表征总弹性应变ε
tei
与总应变ε
ti
的比值，分解得到第i级卸载的塑性应变量ε
pi
；将塑性应变量ε
pi
和应力σ
mi
进行幂函数拟合，获得压入强化系数K
I
和压入硬化指数n
I
；由压入强化系数K
I
和压入硬化指数n
I
获得金属试样(2)所用材料的本构曲线；计算金属试样(2)所用材料的塑性延伸强度R
px
和抗拉强度R
m
。2.根据权利要求1所述的基于球形多级压入卸载法的材料力学参数与本构曲线的获取方法，其特征在于：所述硬质球形压头(1)的直径为D，将最后一级压入卸载试验所对应的最大压入载荷F
mi
记为F
mf
，满足以下条件：对于黑色金属，最大压入载荷F
mf
满足F
mf
＝294D2；对于有色金属，最大压入载荷F
mf
满足F
mf
＝98D2。待测试压入区域表面应平整，粗糙度小于0.8μm；始终保持所述硬质球形压头(1)垂直于金属试样(2)的待测试压入区域，在0～F
mf
的载荷范围内实施压入卸载试验的级数至少8级。3.根据权利要求1所述的基于球形多级压入卸载法的材料力学参数与本构曲线的获取方法，其特征在于：所述计算等效弹性模量E
i*
的步骤包括：根据关系式计算第i级卸载对应的理论残余深度h
*ci
，其中α＝0.75；再根据关系式计算塑性系数β，其中h
*cf
为关系式取值i＝f得到的最后一级卸载后的理论残余深度；h
cf
为从压入载荷与压入深度之间的关系曲线上获取的最后一级卸载的真实残余深度；F
mf
为从压入载荷与压入深度之间的关系曲线上获取的最后一级卸载前的最大压入载荷；将塑性系数β代入关系式计算第i级卸载对应的修正残余深度h
ci
；
根据关系式A
ci
＝π(Dh
ci
‑
h
ci2
)计算得出第i级卸载的接触投影面积A
ci
；再代入关系式计算第i级卸载对应的等效弹性模量E
i*
。4.根据权利要求1所述的基于球形多级压入卸载法的材料力学参数与本构曲线的获取方法，其特征在于：所述计算第一级卸载对应的修正残余深度h
c1
和等效弹性模量E
1*
，获得卸载弹性模...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴海利，
申请(专利权)人：上海电气电站设备有限公司，
类型：发明
国别省市：