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力学学报 2019年第1期51卷 159-169页

作者：张志杰蔡力勋陈辉包陈刘晓坤西南交通大学力学与工程学院应用力学与结构安全四川省重点实验室成都610031

压入法获取材料单轴应力–应变关系和抗拉强度对服役结构完整性评价有重要的基础意义.假定材料均匀连续、各向同性、应力应变关系符合Hollomon律,基于能量等效假定,即代表性体积单元(representative volume element, RVE)的von Mises等... 详细信息

压入法获取材料单轴应力–应变关系和抗拉强度对服役结构完整性评价有重要的基础意义.假定材料均匀连续、各向同性、应力应变关系符合Hollomon律,基于能量等效假定,即代表性体积单元(representative volume element, RVE)的von Mises等效和有效变形域内能量中值等效假定,本文提出了关联材料载荷、深度、球压头直径和Hollomon律的四参数半解析球压入(semi-analytical spherical indentation, SSI)模型.通过球压入载荷–深度试验关系获得材料的应力–应变关系和抗拉强度.考虑压入过程中的损伤效应,针对金属材料提出了用于球压入测试的材料弹性模量修正模型.对11种延性金属材料完成了球压入试验,采用本文提出的球压入试验方法测到的弹性模量、应力–应变关系和抗拉强度与单轴拉伸试验结果吻合良好.

关键词：应力–应变关系抗拉强度能量等效代表性体积单元 Hollomon律球压入试验半解析球压入

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材料力学性能的压入试验方法与应用

材料力学性能的压入试验方法与应用

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作者：张志杰西南交通大学

学位级别：硕士

材料的弹性模量、应力应变关系、强度、硬度等是对工程结构进行力学分析、优化设计和安全评价的重要基础关系和性能参数,然而,对于焊接结构、在役设备和小尺寸材料,难以通过传统的单轴拉伸试验方法来获取。材料压入方法因可“无样”、... 详细信息

材料的弹性模量、应力应变关系、强度、硬度等是对工程结构进行力学分析、优化设计和安全评价的重要基础关系和性能参数,然而,对于焊接结构、在役设备和小尺寸材料,难以通过传统的单轴拉伸试验方法来获取。材料压入方法因可“无样”、“微损”地进行结构局部或小尺寸材料力学性能的试验而受到重视并开展了大量研究。本文基于前人研究工作,借助有限元分析和多种金属材料试验,在球压头压入(球压入)试验方法方面展开研究,完成了以下工作:(1)基于经典Oliver-Pharr模型和宏观球压入试验,提出了获取材料弹性模量E的压头系数β模型,并对11种延性金属材料完成了球压入试验。通过单次压入试验载荷-位移曲线的初始卸载刚度S获得材料弹性模量,并与单轴拉伸试验结果对比具有良好的一致性,表明该模型可简便、精确地获取金属材料弹性模量。(2)基于能量等效假定:受载构元有效变形域内,复杂应力应变状态的代表性体积单元(Representative Volume Element,RVE)的应变能密度与按Von Mises应力应变等效的单轴应力状态RVE的应变能密度相等,且存在一个能量密度中心,该中心的应变能密度与有效变形体积的乘积与外力功相等,提出了关联材料载荷、深度、球压头直径和Hollomon律参数的半解析球压入(Semi-analytical Spherical Indentation,SSI)模型和模型参数的确定方法,进而通过球压入载荷-深度关系可以获得材料的应力应变关系曲线和抗拉强度。针对较大范围的幂律材料,有效通过了SSI模型正确性的数值验证。通过11种延性金属材料球压入试验,结果表明,基于SSI模型的球压入试验方法得到的材料应力应变关系和抗拉强度结果与单轴拉伸试验结果吻合良好。(3)基于SSI模型,提出了与Hollomon律参数相关的布氏、洛氏硬度预测模型,根据材料的Hollomon律参数即可预测其布氏、洛氏硬度。借助有限元分析计算,确定出预测模型参数并对该模型进行较大范围的数值验证,选取8种延性金属材料完成了布氏、洛氏硬度试验。结果表明,采用该预测模型预测硬度值与试验结果吻合良好。基于上述理论模型的球压入试验方法可简便、有效地应用于材料的力学性能试验。

关键词：弹性模量应力应变关系曲线抗拉强度硬度能量等效球压入试验

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