[發明專利]雙錐形壓入預測材料單軸本構關系測定方法

有效

• 申請號: 201610024076.7
• 申請日: 2016-01-14
• 公開（公告）號: CN105675419B
• 公開（公告）日: 2018-05-22
• 發明（設計）人: 蔡力勛;陳輝;彭云強;劉曉坤
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: G01N3/42
• 分類號: G01N3/42
• 代理公司: 成都信博專利代理有限責任公司 51200
• 代理人: 張澎

本發明公開了一種雙錐形壓入預測材料單軸本構關系測定方法，采用兩種不同金剛石錐形壓頭(圓錐形或正四棱錐形)分別對平滑材料表面進行準靜態壓入加載，獲得連續的載荷P?深度h曲線后通過該曲線加載段得到加載曲率C，經簡單處理預測材料單軸本構關系。本發明方法克服了現有錐形壓入技術需大范圍有限元計算和依靠多級回歸擬合得到復雜數值關系等缺陷，避免了現有技術求解本構關系的苛刻技術要求，可用于蠕變、沖擊等加載條件進行材料本構關系和相關因素的力學效應分析。本發明對于微機電系統、航空航天、核電、高鐵、油氣運輸、生物醫學工程等關鍵工程廣泛存在的小型結構或焊接結構的材料單軸力學性能獲取具有重要意義。

技術領域

本發明涉及材料力學性能測試，尤其是在役先進工程結構材料單軸本構關系的測試領域。

背景技術

單軸本構關系(即單軸應力-應變關系)是聯系材料與力學的重要“紐帶”，對于工程構件的設計和安全評價起著重要的作用。獲取材料單軸本構關系的通常做法是從工程構件或母材上截取具有較大尺寸的標準拉伸試樣后在實驗室進行拉伸試驗。這種方法雖廣為接受和采用，但隨著小尺寸構元的廣泛應用，以及結構完整性評價對服役結構材料性能的現場無損測試需求日益增長，受構件尺度和材料割取限制，難以按照傳統的取樣方法有效地展開試驗。并且，對于在役航空航天、高鐵、核電等關鍵工程廣泛存在的焊接結構，采用傳統拉伸試驗方法難以分別獲得不同區域(焊縫區、熱影響區等)的力學性能，并且截取試樣時勢必破壞其服役狀態。此外，對于稀有的新興材料(如納米顆粒增強材料等)及傳統貴重金屬材料(如鋯合金、單晶銅等)，采用傳統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、不環保等問題。針對上述情況，目前仍缺乏精確與重復性良好的用于材料或結構單軸本構關系預測的便捷檢測技術。

錐形壓入試驗是一種傳統上用于材料硬度測量的試驗方法，包括圓錐形壓入洛氏硬度和棱錐形壓入維氏硬度試驗。近年來錐形壓入逐漸被用來測試材料的單軸彈塑性力學性能。事實上，錐形壓入載荷-深度關系是被測材料彈塑性力學性能的重要體現，通過對該已有試驗方法進行理論和技術創新，可實現材料單軸本構關系的簡便測量。

現有技術方案1

Bucaille與Dao等人[2]采用60°和70.3°兩種圓錐形角度壓頭來獲取材料單軸本構關系。由大量有限元計算得到兩種圓錐壓頭的P-h曲線并擬合得到加載曲率C，通過人工搜索得到不同錐形角度下的表征應變的擬合公式，再基于固定錐形角度下特定的表征應變得到加載曲率C同表征應力σr-60和σr-70.3的關系式：

其中C為加載曲率，E*為材料與壓頭的聯合模量，E*＝1/[(1-v2)/E+(1-vi2)/Ei]，E和v分別為材料的彈性模量和泊松比，Ei和vi分別為壓頭的彈性模量和泊松比，σr-60與σr-70.3分別為兩種錐形角度對應的表征應力。該技術方案主要通過將式(4)得到的表征應力與表征應變代入式(5)求解材料的應變硬化指數n和屈服強度σy。