CN105784481B - 圆盘试样压缩获取材料单轴应力-应变关系的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种圆盘试样压缩获取材料单轴应力‑应变关系的方法，采用硬质合金加工压缩夹具，压缩厚度适中的圆盘试样获取其连续的载荷‑位移曲线，采用幂律拟合载荷‑位移曲线（非线性段），将拟合的特征载荷和位移指数带入式(2)计算即以获取其单轴应力‑应变关系。本发明适用于延性、幂律等向强化材料，能够获取多种类延性材料的应力‑应变关系曲线，可以根据测试材料的实际情况设计试样尺寸，试样可以小到毫米级和微米级，灵活方便，克服了传统单轴拉伸试验受到材料尺寸很大限制等不足，也可用于测试材料高温单轴应力‑应变关系曲线。本方法对于贵重金属、轻质材料、服役构建微创圆片等小试样的本构关系的微力材料测试有较大优势。

Description

圆盘试样压缩获取材料单轴应力-应变关系的方法
技术领域
本发明涉及延性材料的力学性能测试技术，尤其是对轻质、稀有、微尺度材料的力学性能测试领域。
背景技术
单轴应力-应变曲线是材料最基本的物理关系，是对材料与结构进行力学性能测试(如疲劳、断裂)及有限元分析所需的基础力学关系，对结构件的优化设计和安全性评定具有重要意义。传统测试方法主要是从原材料或构件上截取标准单轴拉伸试样，且试样尺寸属于分米、厘米级。随着小型化、轻量化构件及昂贵先进材料得到广泛应用及服役构件微创取样技术的发展，基于毫微试样(毫米、微米级)的材料试验开始得到重视，此外，在航空航天、核电等工程中，存在着大量的焊接结构以及高应力梯度的构件，采用传统的单轴拉伸试验方法难以获取不同区域(热影响区、焊缝区等)的力学性能，因而采用传统的标准试样进行测试变得十分困难。发展毫微尺寸试样的材料测试方法有重要意义。
圆盘试样压缩方法获取材料单轴应力-应变关系曲线要求圆盘具有一定的厚度，保证在压缩的时候不发生失稳弯曲，同时又尽量接近平面应力状态，该方法的试样加工、试验原理和数据处理都较简单，采用本发明可以方便获取材料的单轴应力-应变关系曲线。
发明内容
本发明旨在提供一种基于能量理论的弹塑性公式(由简单有限元分析获取公式参量)的圆盘压缩试验技术方案，可实现材料单轴应力-应变关系的简易精确测量。
本发明目的是通过如下的手段实现的。
圆盘试样压缩获取材料单轴应力-应变关系的方法,用于焊接结构及高应力梯度结构的局部材料及小尺寸试样的本构关系测量以获取材料单轴应力-应变关系；其主要步骤包括：
1)圆盘试样厚度控制在B/r为0.3～0.6；采用硬质合金压缩夹具对压缩圆盘试样获取P-V试验曲线，采用幂律
用于描述P-V关系，其中r为圆盘半径，P*为特征载荷，m为位移指数，可由试验获取的P-V试验数据回归得到；
2)将P*和m值代入如下公式组
即可获取材料屈服强度强度σy和应变硬化指数n；式中c＝Enσy 1-n/(1+n)，A*＝πrB，B表示圆盘厚度，E为材料弹性模量；k1～k5为模型常数；
3)将σy和n代入Hollomon方程
即可获取材料的单轴应力-应变关系。
本发明适用于延性、幂律等向强化材料，能够获取多种类延性材料的应力-应变关系曲线，可以根据测试材料的实际情况设计试样尺寸，试样可以小到毫米级和微米级，灵活方便，克服了传统单轴拉伸试验受到材料尺寸很大限制等不足，也可用于测试材料高温单轴应力-应变关系曲线。本方法对于贵重金属、轻质材料、服役构建微创圆片等小试样的本构关系的微力材料测试有较大优势。采用本方法，试样加工、试验原理以及数据处理都较简单，学者只需掌握简单的理论和基本的试验技能即可通过本发明轻松获取材料的单轴应力-应变关系曲线。该方法理论基础扎实，公式简洁，便于普及和应用，克服了传统方法对试样尺寸的限制，节约材料，能够测量焊接结构及高应力梯度结构的局部材料服役后的本构关系，也适用于对贵重金属材料及小尺寸试样的本构关系测量，优势明显。
附图说明
图1为本发明的圆盘压缩过程示意图。
图2典型的圆盘压缩获取的载荷-位移示意图。
图3DP600双相钢圆盘压缩获取的载荷-位移曲线图。
图4基于等效能量法反求获取的DP600双相钢真应力-应变曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明方法做进一步的详述。
本发明所采用的技术方案包括两个部分：圆盘压缩试验、圆盘压缩理论-有限元模型。
(1)圆盘压缩试验
对延性材料圆盘试样进行压缩试验，为减少压头自身变形对实验的影响，可采用硬质合金压缩夹具；为保证压缩时既不发生失稳弯曲，又能接近平面应力状态，精确获取其连续的载荷P-位移V曲线，圆盘试样厚度应满足一定要求；为充分了解包含材料性能的压缩变形行为，圆盘压缩位移应不小于r/4，压缩试验示意如图1所示。
(2)圆盘压缩等效能量理论-有限元模型
图2给出了典型的圆盘压缩试验载荷-位移关系曲线，通过理论推导和有限元数值模拟可以发现，圆盘压缩获取的载荷-位移曲线包含大量的材料信息，且具有一定的规律，将非线性段载荷-位移曲线用式(1)所示的幂律公式拟合，获取的特征载荷P*以及位移指数m代入式(2)
即可获取材料屈服强度强度σy和应变硬化指数n。式中c＝Enσy 1-n/(1+n)，A*＝πrB，B表示圆盘厚度，E为材料弹性模量(可通过振动法、超声法等经典方式测量)，k1～k5为模型常数，其值依次为0.4969；0.5719；0.5337；1.129；0.2996。
在本发明技术方案中，可根据被测材料或结构尺寸加工合适的圆盘进行准静态压缩试验，进而获取其相应的载荷-位移曲线，试样的尺寸可小至毫米、甚至微米尺度，试验方法简单，利用式(2)简单推导，即可获取材料的性能参数σy、n，进而确定其单轴应力-应变关系。
实施例
在本发明技术方案中，基于等效能量理论推导和少量有限元模拟提出了采用圆盘压缩获取材料单轴应力-应变关系的技术理论体系。
利用MTS809 25KN电液伺服材料试验机对DP600双相钢毫小圆盘试样(半径2.5mm厚度1mm)进行了压缩测试，如图4所示，对试验数据进行零点修正，用幂律拟合非线性段，将拟合得到的指数和系数带入式(2)进行联立方程求解，即可获得材料或构件的力学性能参数σy与n，带入式(3)即可得到材料的本构关系曲线。即为本发明技术方案获得的DP600双相钢单轴真应力-应变曲线与传统单轴拉伸试验获取的真应力-应变曲线对比结果，从图中可以看出本发明具有较高的精度，利用毫米级小圆盘压缩试验即可获取延性材料的应力-应变曲线，对于稀有、贵重的小尺寸结构件应力-应变关系测量具有重要意义。
在实际使用时，依据情况，其使用范围可作适当修正扩宽。例如，对于厚度较大甚至满足平面应变条件的圆盘侧压模型，本方法同样适用，只需将式(2)中参数k1～k5重新标定。

Claims (2)

1.圆盘试样压缩获取材料单轴应力-应变关系的方法,用于焊接结构及高应力梯度结构的局部材料及小尺寸试样的本构关系测量以获取材料单轴应力-应变关系；其主要步骤包括：
1)圆盘试样厚度控制在B/r为0.3～0.6；采用硬质合金压缩夹具对压缩圆盘试样获取P-V试验曲线，采用幂律
用于描述P-V关系，其中r为圆盘半径，B 表示圆盘厚度， P*为特征载荷，m为位移指数，可由试验获取的P-V试验数据回归得到；
2)将P*和m值代入如下公式组
即可获取材料屈服强度σy和应变硬化指数n；式中c＝Enσy 1-n/(1+n)，A*＝πrB， E为材料弹性模量；k1～k5为模型常数；
3)将σy和n代入Hollomon方程
即可获取材料的单轴应力-应变关系。
2.根据权利要求1所述的圆盘试样压缩获取材料单轴应力-应变关系的方法，其特征在于，所述模型常数k1～k5依次为：0.4969；0.5719；0.5337；1.129；0.2996。
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