一种基于圆球形压头压入的单轴力学性能评价方法技术

本发明专利技术公开了一种基于圆球形压头压入的单轴力学性能评价方法，涉及材质性能的压入检测技术领域，本发明专利技术仅需要通过载荷传感器与位移传感器采集圆球形压头压入测试过程中的压入载荷与压入位移曲线，而无需复杂的残余凹坑轮廓扫描等步骤，保障了现场操作的便捷性，仅需要单次加载，避免了反复加卸载球压头压入测试的费时以及卸载位移的测量误差，能够在测试完成后实时生成计算结果，确保了该方法在现场应用中的可行性，为单轴力学性能检测，特别是在役装备等对取样存在限制的工程应用具有重要意义。要意义。要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种基于圆球形压头压入的单轴力学性能评价方法


[0001]本专利技术涉及材质性能的压入检测
，更具体地说，它涉及一种基于圆球形压头压入的单轴力学性能评价方法。

技术介绍

[0002]单轴应力
‑
应变关系是确定材料屈服强度、抗拉强度和断裂韧度的基础，对于在役工程零构件的结构完整性评估有着至关重要的作用。传统单轴拉伸或单轴压缩的单轴力学性能获取方法需要按照标准尺寸进行破坏性的取样，因而无法全面适用于在役工程结构。此外，传统单轴力学性能试验对于试样尺寸的要求也限制了它们在诸如焊缝区和热影响区等局部材料力学性能评估上的应用。
[0003]球形压头压入试验此前被用于材料布氏硬度及B标尺洛氏硬度的测定。1992年，G.Pharr等人在期刊《Journa l of mater ia l s research》第3期613
‑
617页上发表了名为“On the genera l ity of the re l at ionship among contact st iffness,contact area,and e l ast ic modu l us dur i ng i ndentat ion”的论文，文中提出了利用球形压头压入试验的压入载荷P
‑
压入深度h曲线卸载斜率获取材料杨氏模量E的卸载斜率方法。自此，球形压头压入试验逐渐被应用于材料单轴力学性能的获取。
[0004]1997年，T.Byun等人在期刊《I nternat iona l Journa l of Pressure Vesse l sand Pi pi ng》第3期231
‑
238页上发表了名为“Measurement of through
‑
the
‑
thickness var iat i ons of mechani ca l propert ies i n SA508 Gr.3pressure vesse l stee l s us i ng ba l l i ndentat ion test technique”的针对碳钢和退火铜的试验结果，提出了通过压入载荷
‑
压入位移曲线反演单轴应力
‑
单轴应变的唯象学方法。该方法主要适用于加工硬化行为并不显著的弹塑性材料，对于具有显著加工硬化行为的金属材料并不适用。此外，该方法需要在测试过程中进行多次加载
‑
卸载，并将卸载曲线斜率用于应力
‑
应变计算。
[0005]2018年，Zhang等人在期刊《I nternat iona l Journa l of Mechanica lSc iences》148卷9
‑
19页上发表了名为“A const itut ive mode l i ndependent ana lyt ica l method i n determi ni ng the tens i l e propert ies from i ncrementa l spher ica l i ndentat ion tests(I S I Ts)”的论文，将数字图像相关技术与增量理论引入压入测试，构建起非预设本构下的单轴拉伸性能压入预测理论。除了常规的压入载荷
‑
压入位移曲线，该方法要求引入数字图像相关技术以实现额外的压痕塑性区半径测量，尽管能够显著提升单轴力学性能反演精度并提高反演结果稳定性，数字散斑的制作过程相对繁琐，且绝大多数的数字散斑工艺并不适用于高温场合。
[0006]2019年，Campbe l l等人在期刊《Acta Mater ia l ia》168卷87
‑
99页上发表了名为“Compar i son between stress
‑
strai n p l ots obtai ned from i ndentat ion p l astometry,based on res idua l i ndent profi l es,and from un iaxia l test i ng”的论文，指出依靠压入载荷
‑
压入位移曲线的单轴拉伸性能反演结果可能不具有唯一
性，建议将残余压痕凹坑轮廓作为额外的压入参数，以期解决复杂本构关系反演的唯一性问题。该方法同样需要额外的轮廓扫描，增加了现场化的检测难度。
[0007]综上所述，现有的单轴应力
‑
应变关系压入反演依赖于特定材料压入测试于拉伸测试结果的唯象学关联，对于服役后性能发生转变的材料适用性较差。为提升测试结果的可靠性，现有方法需要引入包括压痕塑性区半径测量和残余压痕凹坑轮廓扫描等额外的检测手段，增加了现场化的检测难度。

技术实现思路

[0008]本专利技术所要解决的技术问题是：针对工程领域，特别是火力发电场合中的燃气轮机，高温蒸汽管道等符合幂强化的金属材质，提出一种操作简单，且能够提供迅捷、精确的单轴力学性能预测的，避免常规单轴力学性能测试对在役装备的破坏，保障燃气轮机，高温蒸汽管道等火电关键装备的服役安全。
[0009]为实现上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：
[0010]一种基于圆球形压头压入的单轴力学性能评价方法，包括人如下步骤：
[0011]步骤一：采用半径R的硬质合金圆球形压头，以单调加载方式，缓慢压入被测试材料的光滑表面，分别通过载荷传感器与位移传感器获得连续的压入载荷P和压入位移h曲线，要求最大压入深度h
max
介于0.16R至0.40R之间；
[0012]步骤二：将加载阶段的压入载荷P和压入位移h进行幂函数表征：
[0013][0014]式中，R为已知的硬质合金圆球形压头半径，a为球形压头与被测材料的接触半径，通过计算，E为已知的被测试材料的杨氏模量，ξ和ψ分别为幂函数的系数与指数；
[0015]步骤三：将幂函数的系数与指数带入ξ＝(a
00
+a
01
n+a
02
n2)+(a
10
+a
11
n+a
12
n2)ε0与ψ＝(b
00
+b
01
n)+(b
10
+b
11
n)ε0中；
[0016]步骤四：将步骤三获得的被测试材料的加工硬化指数n与应变比例极限ε0带入幂强化方程确定被测试材料的单轴应力σ
‑
单轴应变ε关系；式中，E为已知的被测试材料的杨氏模量；
[0017]步骤五：根据计算被测试材料的抗拉强度R
m
；n和ε0为步骤三获得的被测试材料的加工硬化指数与应变比例极限，e为自然常数2.178，E为已知的被测试材料的杨氏模量。
[0018]与现有技术相比，本专利技术具备以下有益效果：
[0019]本专利技术仅需要通过载本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于圆球形压头压入的单轴力学性能评价方法，其特征在于，包括人如下步骤：步骤一：采用半径R的硬质合金圆球形压头，以单调加载方式，缓慢压入被测试材料的光滑表面，分别通过载荷传感器与位移传感器获得连续的压入载荷P和压入位移h曲线，要求最大压入深度h
max
介于0.16R至0.40R之间；步骤二：将加载阶段的压入载荷P和压入位移h进行幂函数表征：式中，R为已知的硬质合金圆球形压头半径，a为球形压头与被测材料的接触半径，通过计算，E为已知的被测试材料的杨氏模量，ξ和ψ分别为幂函数的系数与指数；步骤三：将幂函数的系数与指数带入ξ＝(a
00
+a
01
n+a
02
n2)+(...

【专利技术属性】
技术研发人员：王文一，张泰瑞，濮鸿威，虞辉，范海平，徐祥，卢伦，章焰，王乾远，
申请(专利权)人：江苏创安安全技术有限公司，
类型：发明
国别省市：