外文翻译韦洋

1、 本 科 毕 业 论 文外 文 翻 译题目：球形压痕试验预测应力-应变曲线的新方法学生姓名：韦洋学 号：11032420专业班级：过程装备与控制工程11-4班指导教师：徐 书 根2015年06月20日1球形压痕试验预测应力应变曲线的新方法摘 要本论文涉及到使用压痕检测技术预测材料应力-应变行为的新方法，主要分析采用不同热处理的低合金高强度钢，不同的热处理使钢获得不同的力学性能。机械性能的评估是通过有限元分析技术实现的。结果面临着用传统的测试参数和预测过程定义此类自动化球压痕技术（ABIT）。曲线通过和拉伸断裂试验曲线的对比显示了很好的一致性，使得这种无损检验方法更加适合于工业的应用。引言球压痕

2、试验，又称为布氏硬度测试，作为估算硬度的标准测试方法广泛应用于全球，它的基本功能是通过对压痕深度或者压痕宽度的测量来实现的。压痕试验不仅能测量压痕深度和宽度，同时也能实现对于应力的测量。载荷-压痕深度测量的试验技术有明显的发展，一些论文中也呈现了弹塑性材料的属性和压痕曲线形状之间的联系。压痕试验已经成为估算材料力学性能的强有力工具，比如未知属性材料的屈服强度以及应力-应变曲线。当使用拉伸或者弯曲试验等常规实验方法很难获得足够量的试验标本时，这种压痕试验方法尤为适用。最近，基于压痕试验的测量材料机械性能的试验方法取得了很大的进步，它们中的一些已经标准化。源于D.Tabor的工作方法已经被一些作者

3、广泛传播，这种方法叫做自动球压痕技术(ABIT),通过一个球形压头反复的压材料表面的同一个地方。足够的压痕深度对于获得正确结果来说是必须的，深度要求是压头直径的三分之一。本论文的研究在于建立一个数学模型，利用球压痕实验和有限元分析方法能够很好的评估机械性能，并且在工作中对比试验的结果。有限元数值模拟的发展为材料科学提供了一种新的研究方法，压痕试验结构性问题的数值模型在上学期已经实施，也观察到了载荷-位移曲线和压痕试验有着很好的一致性。结构材料的宽泛性已经由试验测得，并且基于已知的材料模型已经建好压痕试验的模型。这揭示了预测材料属性的新的可能性。主要问题是找到一个可靠的搜索多维材料模型的数学方法

4、，材料模型的复杂性使得材料参数的计算量大大增加。为了通过FEM使用有限元分析法确定材料属性，有必要减小压痕试验曲线和数值模拟的压痕曲线之间的差异，这种方法叫做反演分析，主要用于估算屈服应力和应力-应变曲线参数，这项工作的目的是建立是适用于遗传的算法的数学方法。球形压痕试验原理该自动球压痕试验的检测方法类似于布氏硬度试验，典型的球形压头产生的压痕如图1所示，P为载荷，ht是总压痕深度，hp是残余压痕深度，he是弹性影响深度，hs是接触深度。图1 自动球压痕试验的压痕示意图在压痕试验中记录载荷-位移的关系曲线（P-h），测试数据应用于该模型。压痕曲线的典型级数是加载卸载的结合，如图二所示。分析材料

5、的弹性模量根据卸载曲线的形状估计出。压痕的减少量Er和卸载曲线上接近最大加载点的斜率有关，Er由下式得出（1）弹性模量的减少量由以下式子表示 （2）式子中，Em和Ei分别是试验材料和压头尖端的弹性模量，弹性模量和压痕曲线卸载阶段的一阶导数有关，一阶导数由S=dP/dh表示。材料的硬度H由下式计算可得，（3）式子中，Pmax是载荷的最大值，Aipm是和卸载后的残余压痕深度有关的投影面积。图2 压痕曲线的载荷-位移示意图14数学建模方法非线性的准静态轴对称压痕问题由ANSYS求解。有限元的几何模型如图3所示图3 有限元分析网格图4显示了压痕试验的数值模拟模型。数值模型假定刚性球形压头被加载大小为P

6、的法向力并且被压入轴对称均质式样，压入范围0,2。单轴准静态过程是模拟了单调递增的压入深度。在压入过程中不考虑压入时间和摩擦。压痕试验通过找到位移场u(x,y)=(u1(x,y),u2(x,y)的联系建模，其中u1是x轴方向的位移，u2是y轴方向的位移。单方面问题的解决方案是（4）接触条件由下式得出（5）边界条件定义为（6） （7）（8） 其中 是压痕表面和球的半径。图4 压痕问题的几何模型非线性本构关系如图5所示，在分析中的各项同性硬化模型由下式可得 （9）其中y是屈服强度，C1 C2是硬度规律中的参数。图5 材料非线性本构模型优化算法为了评估材料如图五所示的曲线，分析中考虑基于遗传算法的优

7、化技术。适应度函数决定了试验的P-h曲线和有限元模型中P-h曲线之间的距离，对于最小化问题来说，适应度函数遵从下面的等式（10）其中F是适应度函数，X是向量参数，C1，C2 是材料模型参数，Yi是循环加载中的压痕深度，Yj是用FEM分析评估的压痕深度。图6 适应度函数遗传算法开始于从搜索空间到创造人体的随机选择父母的染色体，他们依靠染色体基因型工作。遗传过程中发生性质选择、基因重组和变异，通过把这种遗传过程利用遗传算子建模，人类朝着更好的染色体进化。选择比较人口染色体旨在选择那些将参与在生殖过程中的染色体，在适应度函数的基础上，所选的内容是有给定概率的。在区分好的和坏的解决方案的情况下，适应度

8、函数具有十分重要的作用，甄选过程结束后，要进行重组，把预定义的概率以及两个所选的父母的染色体特点结合起来，形成类似儿童。在重新结合后，后代经历突变。一般来说，突变是指在预定义的概率下，从一个且只有一个个体上创造新的染色体。当以上这三个因素满足后，后代被融入到人口中，取代来自父母的染色体，同时也是来源于父母染色体，产生新的一代，图七所示的序列循环周期一直重复知道满足优化准则。图7 材料测试程序材料测试程序试验中所用的材料为34CrMo4，是一种低合金高强度钢，常用于高压油罐的生产。拉伸试验的平板试件取自于圆筒壁，拉伸试样的几何形状如图八所示。试样的厚度、宽度与厚度长度分别为5毫米，12毫米和60

9、毫米。试样的总长度为145毫米。钢的化学成分被载列于表1。图8 拉伸几何试样为了获得尽量多的拉伸试验的数据并且对该方法进行验证，标本经历了范围广泛的不同回火温度的热处理。淬火处理工艺是整个流程的统一，淬火加热温度Tq=850°c。拉伸试验是在室温下并且以恒定加载速率下进行的。表1 34CrMo4钢的化学组分（质量分数）CMnSiPSCr0.370.840.260.0120.0041.15AlSnVNH*B0.020.0020.0740.020.0020.074NiCuMoPbNbZr0.030.020.2080.01131.30.0003压痕试验和结果试样表面进行抛光处理直至镜像，压

10、痕试验由球形压头尖端实施，压头的曲率半径为R=0.5mm。试验中测得的T16的P-h压痕曲线绘制在图9中，并且和由有限元分析得到的压痕曲线进行对比，有限元分析结果与试验数据吻合良好。图9 试验和数值模拟压痕曲线的对比（标本号：T16）屈服应力y,IT和拉伸试验的屈服应力y,tens,test的比较分析结果列于表2中，可以看到的是y,IT和y,tens,test吻合良好。表2 34CrMo4钢的有限元分析结果SpecimenTTEMPy,ITClC2y,tens,testT1074001390260110081430T105101220210800101220T13580108619069013

11、.21110T1664098616624016.2934注意：TTEMP=回火温度 y,IT=通过有限元技术分析得到的屈服强度 C1，C2=规定硬度参数 y,tens,test=拉伸试验测得的屈服强度自动球压痕试验技术验应用于对通过有限元分析和试验得到的数据进行比较。自动球压痕试验的基础自动球压痕实是使用迈耶法建立的数学模型，迈耶法给出： （11）其中，A是材料参数，m是迈尔指数，dt是从中的压痕深度得到的压痕直径，可以由下面的式子得到： （12）其中，D是球形压头尖端的直径。迈耶法是拟合P/dt2-dt/D数据的集合，其中图十为P/dt2-dt/D的关系以及拟合曲线。屈服强度用以下式子计算可

12、得 （13）其中，m是一类材料常数，对于低合金钢来说m=0,34.由自动球压痕试验测得的并且和拉伸试验对比的结果记录于表3中。结果表明自动球压痕试验测得的屈服强度y,IT和拉伸试验测得y,tens,test的很接近。表3 自动球压痕试验测得的结果以及屈服强度SpecimenTTEMPAmy,ABITy,tens,testT1074001.47×1092.4314691430T105101.25×1092.3712481220T135801.09×1092.4010871110T166409.31×1082.40930934注意：y,ABIT=由自动球压痕

13、试验得到的屈服强度真应力=应变的曲线符合以下规律 （13）其中，k是强度系数，n是应变硬化指数。是真应力是塑性应变。要获得自动球压痕试验技术的应力-应变曲线的参数载于表4，应力应变曲线结果将在下一节讨论。表4 通过自动球压痕技术测得的应力应变曲线参数Specimen No.TTEMP knT074002.010.068T105101.710.054T135801.420.063T166401.230.058结果与讨论实验中，比较了有限元算法和自动球压痕试验得到的应力-应变曲线。图11显示了标本号为T07和T10的应力-应变曲线，在极限拉伸强度后的曲线下降，也就是局部颈缩阶段。在均匀塑性应变前，有限元算法和自动球压痕技术的应力应变曲线都和实验结果相符合。标号为T10的样品结果给出了较高的真应力值。标号为T13和T16的应力-应变曲线记录于图12中。同一个应变下，有限元反演计算的曲线和实验数据几乎完全一致。可以得出结论，有限元反演计算的数学模型是估计屈服应力和应力-应变曲线的最好的方法。新算法的数学模型结合了有限元分析发和球压痕实验的结果，现在