圓球形壓入預(yù)測材料單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系測定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及材料力學(xué)性能微損測試?yán)碚撆c方法，尤其是在役先進(jìn)工程材料單軸應(yīng) 力-應(yīng)變關(guān)系的測試領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 單軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線是材料與力學(xué)建立關(guān)系的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是材料各種力學(xué)性能 (如材料強度、硬度、疲勞壽命等)相互關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)，對于工程構(gòu)件的設(shè)計和安全評價起著重 要的作用。獲取材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的常規(guī)做法是選取原材料加工或從工程構(gòu)件上截取標(biāo) 準(zhǔn)拉伸試樣后在實驗室進(jìn)行單軸拉伸試驗。隨著MEMS、NEMS等結(jié)構(gòu)小型化的發(fā)展，受構(gòu)件尺 度限制，難以按照傳統(tǒng)的拉伸試驗方法展開試驗。然而，對于在役航空、高鐵、核電等關(guān)鍵工 程廣泛存在的焊接結(jié)構(gòu)，采用傳統(tǒng)拉伸試驗方法無法分別獲得不同區(qū)域(焊縫區(qū)、熱影響區(qū) 等)的力學(xué)性能，并且截取試樣時勢必破壞其服役狀態(tài)，而近年來興起的壓入測試則可以滿 足需求。此外，對于價格昂貴的新興材料(如納米顆粒增強材料等)及傳統(tǒng)貴重金屬材料(如 鋯合金、鈦合金等），采用傳統(tǒng)拉伸試驗方法成本高、易造成較大的材料浪費和回收能耗大、 不環(huán)保等問題。針對上述情況，目前仍缺乏便捷、精確且穩(wěn)定的方法用于材料或結(jié)構(gòu)單軸應(yīng) 力-應(yīng)變關(guān)系獲取的檢測技術(shù)。
[0003] 圓球形壓入試驗是一種傳統(tǒng)上常用于材料布氏硬度、洛氏硬度(B標(biāo)尺)測試的試 驗方法。自1992年01iver-Pharr [1]提出壓入卸載技術(shù)獲取材料彈性模量以來，逐漸被用來 測試材料的單軸本構(gòu)關(guān)系。事實上，圓球形壓入加載過程蘊含了豐富的被測材料彈、塑性變 形行為信息，通過對該已有試驗方法進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，可實現(xiàn)材料單軸本構(gòu)關(guān)系的簡單有效 測量。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)方案1
[0005] Haggag等.[2'3]基于宏觀圓球形壓入試驗，通過多次連續(xù)加-卸載并采集壓入載荷 P-深度h曲線，提出了基于Tabor[4]表征應(yīng)變以及彈性解的表征應(yīng)力的近似預(yù)測技術(shù)，即ABI 技術(shù)，如式(1)。
[0006]
[0007] 其中，^與~分別為表征應(yīng)變和表征應(yīng)力，D為球形壓頭直徑，dP為殘余壓痕直徑， ω為約束因子，并且滿足式(2)。
[000;
[0009] 其中，〇^狀=2.87€[，了=(0^狀-1.12)/111(27)。顯然，按照式（1)可知：每次卸載必 存在一個殘余壓痕直徑dP，則也必定存在一對表征應(yīng)力、表征應(yīng)變與之相對應(yīng)。該方法的應(yīng) 力-應(yīng)變散點按照每級加-卸載獲得一個有效點的方式，最終通過結(jié)合多級加卸載與式（1) 得到描述材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的有限離散數(shù)據(jù)點的集合?，F(xiàn)有技術(shù)方案2 [0010] Jean-Marc Collin等[5]采用大量有限元計算模擬球形壓入過程，得到了冪律硬化 彈塑性材料的載荷-位移復(fù)雜數(shù)值關(guān)系為
[0011]
[0012]
[0013]
[0014]顯然A與B中的大量常數(shù)均來源于粗糙的擬合，缺乏足夠的理論依據(jù)。該方法彈性 模量E-般通過Oliver-Pharr方法[1]或者超聲測量獲得，％和11則通過將由載荷-深度試驗 曲線擬合得到的參數(shù)A和B代入式(3)解出。
[0015] 現(xiàn)有技術(shù)方案3
[0016] 蔡力勛等[6]針對特定直徑的球形壓頭同樣采用大量有限元計算模擬球形壓入過 程，得到了冪硬化材料的球形壓入載荷P-位移h曲線有關(guān)參量之間的數(shù)值關(guān)系為
[0017
[0018] 式中：HS_D/F為球形壓入硬度，Wt/We為球形壓頭壓入硬度試驗中連續(xù)壓入載荷P-深 度h曲線中的壓入總功W t與彈性卸載功We的比值，〇y為名義屈服應(yīng)力，η為應(yīng)變硬化指數(shù)， kl_D/F、k2_D/F、k3_D/F、k4_D/F、k5_D/F、ail_D/F、dl2_D/F、〇21_D/F、〇22_D/F、〇23_D/F 均為對應(yīng)于不同直徑球 形壓頭不同試驗力的待定參數(shù)；
[0019] 現(xiàn)有技術(shù)方案1中，基于表征應(yīng)變與表征應(yīng)力的ABI技術(shù)在試驗時需要多次加-卸 載，并且每次加卸載只能獲得一個應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)點，獲取過程繁瑣，耗時費力。此外，該技 術(shù)所基于的表征應(yīng)變、表征應(yīng)力均為近似的經(jīng)驗公式，實際預(yù)測精度難以保證。
[0020] 現(xiàn)有技術(shù)方案2中，該方法需要事先進(jìn)行大量的、大范圍的有限元數(shù)值模擬，以得 到不同材料參數(shù)下的壓入載荷-深度響應(yīng)，進(jìn)而通過多級回歸得到形式復(fù)雜，待定常數(shù)繁 多，求解不便的數(shù)值關(guān)系(式(3))。并且，這種復(fù)雜的數(shù)值關(guān)系往往在求解的穩(wěn)定性上表現(xiàn) 出一定的病態(tài)，因而對球形壓入試驗結(jié)果的精度要求較高，不利于該方法在實際在役測試 方面的推廣和應(yīng)用。
[0021] 現(xiàn)有技術(shù)方案3中，該方法同樣需要預(yù)先進(jìn)行大量的、大范圍的有限元數(shù)值模擬， 以得到不同材料參數(shù)下的壓入載荷-深度曲線，進(jìn)而通過多級回歸得到形式復(fù)雜的數(shù)值關(guān) 系（如，式(4))。該方法也需要P-h曲線的加載與卸載段，一方面缺乏足夠的理論基礎(chǔ)，另一 方面難以形成具有普適性的規(guī)律，只能針對特定的球形尺寸得到求解公式，因而在工程應(yīng) 用和推廣時仍存在一些不便。
[0022] 參考文獻(xiàn)：
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