CN108254253A - 材料或构件等效应力-应变关系测定方法 - Google Patents

材料或构件等效应力-应变关系测定方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及材料力学性能测试方法，旨在解决现有技术中的材料或结构等效应力‑应变关系测量在精确或可重复性上存在不足的问题，提供材料或构件等效应力‑应变关系测定方法，其提供一种集两个锥度于一体的单个锥形压头，单次压入加载曲线、简便获取材料等效应力‑应变关系的压入试验技术方案，可实现材料等效应力‑应变关系的简便获取。本发明的有益效果是快速准确、可重复性好的有益效果。

Description

材料或构件等效应力-应变关系测定方法
技术领域
本发明涉及材料或构件力学性能测试方法，具体而言，涉及材料或构件等效应力-应变关系测定方法。
背景技术
材料或构件等效应力-应变关系是对材料或结构进行力学分析、评价与设计的核心基础，在工程构件的完整性和安全评价中起着重要的作用。
一般地，获取材料等效应力-应变关系的传统方法是从工程构件或母材上割取具有一定尺寸的标准拉伸试样后在实验室进行拉伸试验。然而随着结构小型化(如微机电系统等)，传统拉伸方法受构件尺度限制，难以取样并有效地展开试验。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，采用这种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)，传统方法易造成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等效应力-应变关系预测的便捷检测技术。
发明内容
本发明旨在提供材料或构件等效应力-应变关系测定方法，以解决现有技术中的材料或构件等效应力-应变关系测量在精确或可重复性上存在不足的问题。
本发明的实施例是这样实现的：
本发明实施例提供一种材料等效应力-应变关系测定方法，其包括以下步骤：
采用具有两段不同锥角θ1、θ2的单个锥形压头对材料表面进行单次准静态压入加载试验，以获得由带有明显拐折的两个加载段构成的载荷P-深度h曲线；其中，确定形状尺寸的锥形压头对应确定的θ1、θ2取值；
采用幂函数(1)回归载荷P-深度h曲线的两个加载段分别得到两个加载段对应的加载曲率其中C为加载曲率，分别为锥角θ1对应的加载段和锥角θ2对应的加载段下的加载曲率值；其中，幂函数(1)为P＝Ch2；
将锥角θ1、锥角θ2、所得的加载曲率带入方程组(2)：
解方程组(2)得：
其中：C*为特征加载曲率，且E为材料的弹性模量，σy为名义屈服应力，n为应变硬化指数；k1、k2为无量纲常数，且确定形状的锥形压头对应确定的k1、k2取值；
将求得的σy、n的值代入式(3)：
即为被测材料的等效应力σ-应变ε关系；式中，K为应变硬化系数。
在本实施例的一种实施方式中：
锥形压头为圆锥形；
对应的θ1、θ2分别为锥形压头两段圆锥面的半锥角；
对应的k1＝13.06、k2＝0.1471。
在本实施例的一种实施方式中：
锥形压头为正四棱锥形；
对应的θ1、θ2分别为两段棱锥面相对两棱面的半夹角；
对应的k1＝15.98，k2＝0.1502。
在本实施例的一种实施方式中：
被测材料的弹性模量E采用Oliver-Pharr方法测量求得。
在本实施例的一种实施方式中：
被测材料的弹性模量E采用超声方法测量求得。
在本实施例的一种实施方式中：
压入深度h的范围为100μm-200μm。
在本实施例的一种实施方式中：
在进行压入之前，对被测材料宏观表面进行打磨和抛光，使被测材料表面粗糙度低于0.32μm。
在本实施例的一种实施方式中：
对于纳米尺度材料进行测试时，在压入之前，将材料处理至均匀、平滑、深度或载荷测试可以实现，不限制压入深度。
在本实施例的一种实施方式中：
锥形压头采用金刚石材质构成。
本发明实施例还提供一种构件等效应力-应变关系测定方法，其将前述的材料等效应力-应变关系测定方法中对材料的操作换成对宏观构件的操作，用于测量构件的等效应力-应变关系。
综合以上描述，本发明实施例中的材料等效应力-应变关系测定方法和构件等效应力-应变关系测定方法能够提供一种集两个锥度于一体，通过单次压入加载曲线，快速、简便、准确地获取材料或构件等效应力-应变关系的方法，具有快速准确、可重复性好的有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明实施例中的材料等效应力-应变关系测定方法中锥形压头压入待测材料的示意图，其中锥形压头的第一段锥角θ1大于第二段锥角θ2；
图2是本发明实施例中的材料等效应力-应变关系测定方法中锥形压头压入待测材料的示意图，其中锥形压头的第一段锥角θ1小于第二段锥角θ2；
图3为对应于第一段锥角θ1大于第二段锥角θ2的情形下的载荷P-深度h曲线；
图4为对应于第一段锥角θ1小于第二段锥角θ2的情形下的载荷P-深度h曲线；
图5为采用本发明实施例中的材料等效应力-应变关系测定方法采用金刚石的锥形压头对P92钢进行测试下的等效应力-应变曲线。
图标：10-锥形压头；20-待测材料。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，本发明的描述中若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，本发明的描述中若出现术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
实施例
图1是本发明实施例中的材料等效应力-应变关系测定方法中锥形压头10压入待测材料20的示意图，其中锥形压头10的第一段锥角θ1大于第二段锥角θ2；图2是本发明实施例中的材料等效应力-应变关系测定方法中锥形压头10压入待测材料20的示意图，其中锥形压头10的第一段锥角θ1小于第二段锥角θ2。
参见图1或图2，本发明实施例提供一种材料等效应力-应变关系测定方法，其包括以下步骤：
步骤一：
采用具有两段不同锥角θ1、θ2的单个锥形压头10对材料表面进行单次准静态压入加载试验，以获得由带有明显拐折的两个加载段构成的载荷P-深度h曲线。其中，确定形状尺寸的锥形压头10对应确定的θ1、θ2取值：例如：对于锥形压头10为圆锥形时，对应的θ1、θ2分别为锥形压头10两段圆锥面的半锥角；对于锥形压头10为正四棱锥形时，对应的θ1、θ2分别为两段棱锥面相对两棱面的半夹角；可选情况下，θ1、θ2限定在50°到80°之间。锥形压头10可选用金刚石材质构成。
步骤二：
采用幂函数(1)回归载荷P-深度h曲线的两个加载段分别得到两个加载段对应的加载曲率其中C为加载曲率，分别为锥角θ1对应的加载段和锥角θ2对应的加载段下的加载曲率值；其中，幂函数(1)为P＝Ch2；对应于第一段锥角θ1大于第二段锥角θ2的情形下，其载荷P-深度h曲线如图3所示；对应于第一段锥角θ1小于第二段锥角θ2的情形下，其载荷P-深度h曲线如图4所示。
步骤三：
将锥角θ1、锥角θ2、步骤二所得的加载曲率带入方程组(2)：
解方程组(2)得：
其中：C*为特征加载曲率，且E为材料的弹性模量，σy为名义屈服应力，n为应变硬化指数；k1、k2为无量纲常数，且确定形状的锥形压头10对应确定的k1、k2取值；例如，对于锥形压头10为圆锥形时，对应的k1＝13.06、k2＝0.1471；对于锥形压头10为正四棱锥形时，对应的k1＝15.98，k2＝0.1502。
步骤四：
将求得的σy、n的值代入式(3)：
即为获得被测材料的等效应力σ-应变ε关系；式中，K为应变硬化系数。
在本实施例的一种实施方式中，采用Oliver-Pharr方法或超声方法测量求得被测材料的弹性模量E。
在本实施例的一种实施方式中，对于常用宏观压入，为了获取足够的材料变形信息，压入深度范围一般可选用100μm-200μm。且在在进行压入之前，对被测材料宏观表面进行打磨和抛光，使被测材料表面粗糙度低于0.32μm。
在本实施例的一种实施方式中，对于纳米尺度材料进行测试时，在压入之前，将材料处理至均匀、平滑、深度或载荷测试可以实现，不限制压入深度。
本发明实施例还提供一种构件等效应力-应变关系测定方法，其将前述的材料等效应力-应变关系测定方法中对材料的操作换成对宏观构件的操作，用于测量构件的等效应力-应变关系。
在本发明技术方案中，可采用两种不同角度锥形压头10对材料表面进行准静态压入加载，从而获得连续的载荷P-深度h曲线。通过载荷P-深度曲线h加载段数据即可标定出加载曲率C，代入式(3)即可求出被测材料或构件的本构参数σy、n，进而由方程组(2)确定其单轴本构关系。
在一种实际的测量试验中，采用本实施例中的材料等效应力-应变关系测定方法，通过金刚石的锥形压头10对P92钢进行准静态压入试验，并求取其等效应力-应变曲线如图5所示；图5中还示出了传统拉伸试验得到的应力-应变曲线，对比可知通过本方法获得的等效应力-应变曲线与传统拉伸试验得到的基本重合。
综合以上描述，本发明实施例中的材料等效应力-应变关系测定方法和构件等效应力-应变关系测定方法能够提供一种集两个锥度于一体，通过单次压入加载曲线，快速、简便、准确地获取材料或构件等效应力-应变关系的方法，具有快速准确、可重复性好的有益效果。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种材料等效应力-应变关系测定方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用具有两段不同锥角θ1、θ2的单个锥形压头对材料表面进行单次准静态压入加载试验，以获得由带有明显拐折的两个加载段构成的载荷P-深度h曲线；其中，确定形状尺寸的锥形压头对应确定的θ1、θ2取值；
采用幂函数(1)回归载荷P-深度h曲线的两个加载段分别得到两个加载段对应的加载曲率分别为锥角θ1对应的加载段和锥角θ2对应的加载段下的加载曲率值；其中，幂函数(1)为P＝Ch2，其中C为加载曲率；
将锥角θ1、锥角θ2、所得的加载曲率带入方程组(2)：
解方程组(2)得：
其中：C*为特征加载曲率，且E为材料的弹性模量，σy为名义屈服应力，n为应变硬化指数；k1、k2为无量纲常数，且确定形状的锥形压头对应确定的k1、k2取值；
将求得的σy、n的值代入式(3)：
即为被测材料的等效应力σ-应变ε关系；式中，K为应变硬化系数。
2.根据权利要求1所述的材料等效应力-应变关系测定方法，其特征在于：
所述锥形压头为圆锥形；
对应的θ1、θ2分别为锥形压头两段圆锥面的半锥角；
对应的k1＝13.06、k2＝0.1471。
3.根据权利要求1所述的材料等效应力-应变关系测定方法，其特征在于：
所述锥形压头为正四棱锥形；
对应的θ1、θ2分别为两段棱锥面相对两棱面的半夹角；
对应的k1＝15.98，k2＝0.1502。
4.根据权利要求1所述的材料等效应力-应变关系测定方法，其特征在于：
被测材料的弹性模量E采用Oliver-Pharr方法测量求得。
5.根据权利要求4所述的材料等效应力-应变关系测定方法，其特征在于：
被测材料的弹性模量E采用超声方法测量求得。
6.根据权利要求1所述的材料等效应力-应变关系测定方法，其特征在于：
压入深度h的范围为100μm-200μm。
7.根据权利要求1所述的材料等效应力-应变关系测定方法，其特征在于：
在进行压入之前，对被测材料宏观表面进行打磨和抛光，使被测材料表面粗糙度低于0.32μm。
8.根据权利要求1所述的材料等效应力-应变关系测定方法，其特征在于：
对于纳米尺度材料进行测试时，在压入之前，将材料处理至均匀、平滑、深度或载荷测试可以实现，不限制压入深度。
9.根据权利要求1所述的材料等效应力-应变关系测定方法，其特征在于：
所述锥形压头采用金刚石材质构成。
10.一种构件等效应力-应变关系测定方法，其特征在于：
将权利要求1-9任一项所述的材料等效应力-应变关系测定方法中对材料的操作换成对宏观构件的操作，用于测量构件的等效应力-应变关系。
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