[发明专利]双锥形压入预测材料单轴本构关系测定方法

说明书

本发明公开了一种双锥形压入预测材料单轴本构关系测定方法，采用两种不同金刚石锥形压头(圆锥形或正四棱锥形)分别对平滑材料表面进行准静态压入加载，获得连续的载荷P‑深度h曲线后通过该曲线加载段得到加载曲率C，经简单处理预测材料单轴本构关系。本发明方法克服了现有锥形压入技术需大范围有限元计算和依靠多级回归拟合得到复杂数值关系等缺陷，避免了现有技术求解本构关系的苛刻技术要求，可用于蠕变、冲击等加载条件进行材料本构关系和相关因素的力学效应分析。本发明对于微机电系统、航空航天、核电、高铁、油气运输、生物医学工程等关键工程广泛存在的小型结构或焊接结构的材料单轴力学性能获取具有重要意义。

技术领域

本发明涉及材料力学性能测试，尤其是在役先进工程结构材料单轴本构关系的测试领域。

背景技术

单轴本构关系(即单轴应力-应变关系)是联系材料与力学的重要“纽带”，对于工程构件的设计和安全评价起着重要的作用。获取材料单轴本构关系的通常做法是从工程构件或母材上截取具有较大尺寸的标准拉伸试样后在实验室进行拉伸试验。这种方法虽广为接受和采用，但随着小尺寸构元的广泛应用，以及结构完整性评价对服役结构材料性能的现场无损测试需求日益增长，受构件尺度和材料割取限制，难以按照传统的取样方法有效地展开试验。并且，对于在役航空航天、高铁、核电等关键工程广泛存在的焊接结构，采用传统拉伸试验方法难以分别获得不同区域(焊缝区、热影响区等)的力学性能，并且截取试样时势必破坏其服役状态。此外，对于稀有的新兴材料(如纳米颗粒增强材料等)及传统贵重金属材料(如锆合金、单晶铜等)，采用传统拉伸试验方法成本高、易造成较大的材料浪费和回收能耗大、不环保等问题。针对上述情况，目前仍缺乏精确与重复性良好的用于材料或结构单轴本构关系预测的便捷检测技术。

锥形压入试验是一种传统上用于材料硬度测量的试验方法，包括圆锥形压入洛氏硬度和棱锥形压入维氏硬度试验。近年来锥形压入逐渐被用来测试材料的单轴弹塑性力学性能。事实上，锥形压入载荷-深度关系是被测材料弹塑性力学性能的重要体现，通过对该已有试验方法进行理论和技术创新，可实现材料单轴本构关系的简便测量。

现有技术方案1

Bucaille与Dao等人[2]采用60°和70.3°两种圆锥形角度压头来获取材料单轴本构关系。由大量有限元计算得到两种圆锥压头的P-h曲线并拟合得到加载曲率C，通过人工搜索得到不同锥形角度下的表征应变的拟合公式，再基于固定锥形角度下特定的表征应变得到加载曲率C同表征应力σr-60和σr-70.3的关系式：

其中C为加载曲率，E*为材料与压头的联合模量，E*＝1/[(1-v2)/E+(1-vi2)/Ei]，E和v分别为材料的弹性模量和泊松比，Ei和vi分别为压头的弹性模量和泊松比，σr-60与σr-70.3分别为两种锥形角度对应的表征应力。该技术方案主要通过将式(4)得到的表征应力与表征应变代入式(5)求解材料的应变硬化指数n和屈服强度σy。