[發明專利]一種反復加卸載球形壓頭壓入獲取材料單軸應力-應變關系的方法

在審

• 申請號: 201810960092.6
• 申請日: 2018-08-22
• 公開（公告）號: CN109030259A
• 公開（公告）日: 2018-12-18
• 發明（設計）人: 王威強;張泰瑞;王尚
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G01N3/42
• 分類號: G01N3/42
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 薛玉麟

本發明涉及在役工程結構材料單軸應力?應變關系的測試領域，尤其是一種反復加卸載球形壓頭壓入獲取材料單軸應力?應變關系的方法。首先采用硬質材料球形壓頭，以N次準靜態反復加卸載方式，壓入被測材料光滑表面，獲取連續的壓入載荷P?壓入深度h曲線，然后在壓入試驗完成后測量殘余壓痕凹坑周邊的塑性區半徑r_p，并用本發明方法處理數據繪制出與單軸力學性能試驗結果類似的應力σ?應變ε散點圖。本發明克服了現球形壓頭壓入試驗技術依賴于特定本構關系所導致的被測試材料范圍的局的場合限性，及現球形壓頭壓入試驗技術中需要通過大量有限元模擬結果或實驗結果經驗總結，費時費力和擬合結果的不可靠等不足，有利于球形壓頭壓入試驗技術的推廣應用。

一、技術領域

本發明涉及在役工程結構材料單軸應力-應變關系的測試領域，尤其是一種反復加卸載球形壓頭壓入獲取材料單軸應力-應變關系的方法。

二、背景技術

單軸應力-應變關系是確定材料屈服強度、抗拉強度和斷裂韌度的基礎，對于在役工程零構件的結構完整性評估有著至關重要的作用。傳統單軸拉伸或單軸壓縮的單軸力學性能獲取方法需要按照標準尺寸進行破壞性的取樣，因而無法全面適用于在役工程結構。此外，傳統單軸力學性能試驗對于試樣尺寸的要求也限制了它們在諸如焊縫區和熱影響區等局部材料力學性能評估上的應用。

球形壓頭壓入試驗此前被用于材料布氏硬度及B標尺洛氏硬度的測定。1992年，G.Pharr等人在期刊《Journal of materials research》第3期上發表了名為“On thegenerality of the relationship among contact stiffness,contact area,andelastic modulus during indentation”的論文，文中提出了利用球形壓頭壓入試驗的壓入載荷P-壓入深度h曲線卸載斜率獲取材料楊氏模量E的卸載斜率方法。自此，球形壓頭壓入試驗逐漸被應用于材料單軸力學性能的獲取。盡管球形壓頭壓入試驗易于實施，但球形壓頭下方材料卻不像單軸力學性能試驗中那樣處于簡單的單向應力狀態，因此球形壓頭壓入試驗主要通過經驗公式法、基于有限元模擬的數值方法及半解析法獲取材料單軸力學性能。

1997年，T.Byun等人在期刊《International Journal of Pressure Vessels andPiping》第3期上發表了名為“Measurement of through-the-thickness variations ofmechanical properties in SA508Gr.3pressure vessel steels using ballindentation test technique”的基于經驗公式獲取材料單軸應力-應變關系的壓入試驗方法。該方法通過包含反復加卸載的球形壓頭壓入試驗，利用基于退火銅和碳鋼等材料總結的表征應變-表征應力估算公式計算材料的真塑性應變ε_p-真應力σ_t關系，如式(1)和式(2)；

式中，D和d_P分別為球形壓頭直徑和殘余壓痕凹坑的投影直徑，ψ為約束因子，并可以由式(3)計算；

式中，為塑性區發展參數并通過式(4)計算；