[发明专利]一种采用球形压痕形貌识别金属材料塑性力学参数的方法

说明书

本发明公开了一种采用球形压痕形貌识别金属材料塑性力学参数的方法，包括获取残留在试件表面的压痕实验轮廓快照，建立压痕轮廓快照矩阵，采用正交分解算法建立压痕轮廓快照的子空间，并在子空间中实现材料塑性力学参数与压痕轮廓快照子空间坐标的直接关联；通过在子空间中定义压痕实验轮廓快照与一系列仿真轮廓快照之间的差异容许值，依据差异容许值在材料参数区间的分布特征来获取被测试材料力学性能参数的识别结果。在材料参数识别时，使用了一系列预测所得压痕轮廓数据与压痕实验轮廓数据的直接对比，达到材料参数识别的目的，避免了大规模的数值迭代过程中可能的参数识别局部最优问题，方法效率更高，更可靠。

技术领域

本发明属于材料塑性力学性能测试方法技术领域，具体涉及到一种采用球形压痕形貌来识别金属材料塑性力学参数的方法。

背景技术

深入了解材料的基本力学性能是进行材料力学建模、结构设计和材料成形工艺分析的前提。因此，如何准确获取材料的各项基本力学性能指标一直是材料性能测试领域所关注的热点问题。针对材料塑性力学性能的检测，现有常规力学实验方法多采用单轴拉伸/压缩测试。该种测试方法需要将试件按照一定的几何标准进行切割，而后采用破坏性拉伸或压缩过程来得到被测试材料的塑性性能参数。然而，这种常规实验方法的试件准备过程非常繁琐，且对材料的破坏性大，极易造成材料的浪费。此外，在航空航天制造领域，通常存在着一些几何形状异常复杂的结构件。对于这些材料而言，通常难以制备拉伸测试的标准试件，并且难以实现材料力学性能的在役检测。更为重要的是，现有单轴拉伸实验测试方法不便应用于役件材料的性能检测，也难以用于材料局部力学性能的测量。因此，常规的单轴拉伸力学测试方法存在很大的使用局限性，这通常导致材料塑性力学性能测试数据的不准确、不全面。

近些年，压痕测试方法由于其实验过程简便，实验方法灵活性强等优点，得到了材料性能检测领域的着重关注。在压痕测试中，通过将刚性压头压入被测试材料表面，获取在压痕作用下的材料变形力学响应特征，如：载荷-位移关系曲线和卸载残留压痕轮廓形貌。基于压痕实验中材料力学响应的测量，并结合一定的数学分析方法，能够得到被测试材料的力学性能参数。相比于单轴拉伸实验而言，压痕测试方法具有很多优点。一方面，压痕测试过程的试样准备简单，对试件破坏性小，且能够用于材料局部力学性能的检测。另一方面，压痕测试方法还可以用于获取材料在加工过程中力学性能演化的测量，也常常被用于评估服役状态下材料的力学性能。因此，压痕测试方法极大地拓展了常规力学测试技术的适用范围，具有重要研究意义。

2017年，A.R.Hosseinzadeh等(Determination of mechanical propertiesusing sharp macro-indentation method and genetic algorithm,Mechanics ofMaterials,114(2017)57-68)建立了一种仅依靠维氏压头加载获取的载荷-位移关系曲线来识别材料的弹塑性力学性能参数。该方法借助量纲分析来建立载荷-位移曲线特征参数与材料力学性能参数之间的关联，同时采用基因算法来优化求解被测试材料的力学性能。基于所建立的数值方法并结合Vickers压痕实验，A.R.Hosseinzadeh等成功识别出了几种不锈钢材料的弹塑性力学性能参数。

2019年，O.Iracheta等(A holistic inverse approach based on a multi-objective function optimisation model to recover elastic-plastic propertiesof materials from the depth-sensing indentation test,Journal of the Mechanicsand Physics of Solids,128(2019)1-20)在同时考虑Berkovich压痕轮廓形貌和载荷-位移关系曲线的情况下，建立了一种基于多目标迭代优化的材料弹塑性参数识别方法。在该方法中，仅当压痕载荷-位移关系曲线和残留压痕形貌均被考虑进参数识别的数值模型中时，才能够得到材料参数的唯一识别结果。并且，通过该方法识别所得材料性能参数与单轴测试结果吻合比较好。