延性金属材料准静态力学性能的球压头压入测算方法研究

1、延性金属材料准静态力学性能的球压头压入测算方法研究 以单轴拉伸性能和断裂韧度为代表的准静态力学性能是材料最为常用和基 本的力学性能指标 , 它们的准确测算对于在役设备的结构完整性评估及服役寿命 延长具有重要意义。然而 , 传统的单轴拉伸试验和断裂韧度试验均需要破坏性取 样, 无法应用于在役设备之上。研究无需取样的准静态力学性能测试技术 , 是在役设备结构完整性评估及服 役寿命延长的试验根底。因此 , 作者以得到广泛关注的球压头压入试验为测试手 段, 修正了广泛应用于有效弹性模量计算的 Pharr-Oliver 模型, 研究了试样材料 的弹塑性变形行为与损伤机理 , 验证了有效弹性模量表征压入损

2、伤的有效性。建立起非预设本构方程的室温单轴力学性能测算模型 , 提出了确定材料高温 软化指数的单调加载球压头压入试验方法。 探讨了压入损伤与断裂试验试样材料 损伤机理的相似性 ,建立起符合材料损伤机理的断裂韧度能量释放率模型 , 为延 性金属材料准静态力学性能的球压头压入测试提供了理论支撑。在考虑试样材料塑性变形的根底上对广泛应用于有效弹性模量计算的 Pharr-Oliver 模型进行了修正 , 使其更加符合延性金属材料的实际压入过程。 通 过三维轮廓扫描 ,观察了剩余压痕边缘的堆积、 沉陷现象 , 探讨了堆积、沉陷现象 对有效弹性模量计算结果的影响并提出了确定堆积 /沉陷系数的方法 ,进一步

3、提 高了有效弹性模量的计算精度 , 为单轴力学性能及断裂韧度的球压头压入测试奠 定了根底。基于有限元模拟结果 , 确定了摩擦导致的剪应力集中分布是损伤集中于“翅 状区域的原因。利用卸载曲线不同阶段的卸载斜率 , 分析了有效弹性模量缩减 与损伤出现位置的关联 , 验证了通过有效弹性模量缩减表征试样材料压入损伤的 有效性。通过将塑性区与核心区视为整体对膨胀孔洞模型做出简化 , 防止了因关联平 均接触压力pm与核心区均布内压Pi而导致的计算误差。引入数字图像相关DIC 方法测试了压痕塑性区半径rp以确定试样材料比例极限c 0,建立起弹、塑性应 变能增量到等效应力 -等效应变增量间的映射函数 ,提出了

4、不依赖于特定本构方 程的单轴应力 - 应变球压头压入测算模型。比照显微镜及远心镜头不同应变阈值下的c 0计算结果发现，对于显微镜获取的图像,应变阈值的设置需要考虑镜头畸变和离面位移 ,必须根据堆积、沉陷情 况设置不同的应变阈值 ;而对于远心镜头获取的图像 ,应变阈值的设置仅需要考 虑镜头畸变 , 因此可以将不同材料的应变阈值视为定值。与室温单轴拉伸试验结 果相比,屈服强度Rp0.2和抗拉强度Rm勺室温球压头压入试验误差均小于 5%具 有可靠的室温单轴力学性能测试精度。基于膨胀孔洞模型及 Johnson-Cook 本构方程 , 研究了高温情况下试样材料 的弹塑性变形行为 , 建立起通过单调加载球

5、压头压入试验确定材料参数和高温软 化指数的压痕控制方程。 通过分析位移传感器置于环境箱内、 外时卸载斜率的差 异,得到了室温下的机架柔度 ,并结合高温下机架材料弹性模量缩减 ,进一步确定 了高温下的机架柔度。比照了第四章所述增量模型与第五章所述压痕控制方程在室温单轴应力-应变关系确定中的精度差异 ,分析了基于膨胀孔洞模型及 Johnson-Cook 本构方程 推导的压痕控制方程在材料室温单轴应力 - 应变计算中的误差来源。与高温单轴 拉伸试验结果相比 , 通过高温球压头压入试验测算的高温软化指数最大误差仅约10%,屈服强度和抗拉强度计算结果的最大误差均不超过20%,且测试结果具有良 好的可重复

6、性 , 可以满足工程应用需求基于有限元模拟及理论分析对不同试样的应力三轴度进行分析 , 分析结果表 明:I型断裂试样紧凑拉伸试样裂纹尖端始终处于高应力三轴度，11型断裂试 样Arean试样裂纹尖端、单轴压缩试样和压入试样翅状区域始终处于低应 力三轴度 ， 单轴拉伸试样中心区域存在由过渡应力三轴度向高应力三轴度的转变。 配合扫描电镜观察结果发现 ， 高应力三轴度与低应力三轴度下材料损伤及断裂机 理表现出明显的差异性 ， 但在应力三轴度相似情况下 ，预制裂纹试样与非预制裂 纹试样的损伤机理存在相似性 ， 揭示了通过非预制裂纹试样测算材料断裂韧度的 合理性。基于损伤力学方法 ， 提出了非预制裂纹试样

7、测试中等效裂纹面积和势能释放 确实定方法 ， 拟合了球压头压入试验中的能量释放率 ， 并与单轴拉伸及单轴压缩 试验中的能量释放率拟合结果进行比照 ， 比照结果说明有着相同损伤机理的球压 头压入试验和单轴压缩试验表现出几乎相同的能量释放率 ， 而单轴拉伸试验那么表 现出完全不同的能量释放率。 基于能量释放率的断裂韧度测算模型具有明确的物 理意义以及很高的可重复性 ， 且测算出的断裂韧度与传统紧凑拉伸试验结果相比 最大误差不超过 10%，可以满足工程应用的稳定性和精度需求。综上所述， 在考虑卸载前试样材料塑性变形的根底上对广泛应用于有效弹性 模量计算的 Pharr-Oliver 模型进行了修正 ， 分析了球压头压入试验中试样材料 的损伤来源及其与有效弹性模量缩减间的关联 ， 验证了利用有效弹性模量缩减表 征试样材料损伤的有效性。研究了试样材料的弹塑性变形行为 ， 在考虑室温与高 温球压头压入测试特征的根底上 ， 建立起非预设本构方程的材料室温单轴力学性 能测算模型 ， 并提出了确定材料高温软化指数的单调加载球压头压入试验方法。探讨了含预制裂纹试样裂纹尖端材料与非预制裂纹试样材料损伤机理的相 似性, 揭示了利用非预制裂纹试样测算材料断裂韧度的合