CN110455624A - 一种测试金属材料本构关系的方法 - Google Patents

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章骁程
关凯书
王琼琦
钟继如
陈国耀
王武琳
徐彤
王汉奎
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China Special Equipment Inspection and Research Institute
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Abstract

本发明涉及一种测试金属材料本构关系的方法，包括如下步骤：(1)在待测金属材料的表面制备凸起试样；(2)利用压杆载荷加载机构，对所述凸起试样进行压缩试验，获得载荷‑位移曲线；(3)采用有限元反演法，从获得的载荷‑位移曲线中计算得到真应力‑应变曲线。与现有技术相比，本发明通过在待测金属材料的表面制备凸起试样，然后通过压杆载荷加载机构对该凸起试样进行加载，采用这种方式，可以大大节省待测金属材料，提高测试效率。

Description

一种测试金属材料本构关系的方法
技术领域
本发明涉及材料分析测试技术领域，具体涉及一种测试金属材料本构关系的方法。
背景技术
在火电、核电、海洋油气以及石油化工等行业中存在着大量的服役设备，其中近80％的设备是压力容器和管道。这些设备长期服役在高温、高压、低温、中子辐照或腐蚀性介质的恶劣环境下，容易造成材料性能的劣化和损伤。传统评价材料的性能，需要从设备上取下部分金属试样进行测试，这样会破坏设备原有结构，影响设备的安全。在不破坏设备的前提下，如何定量表征在役设备金属材料的力学性能成了国内外研究的热点。
现有技术采用连续压痕法(也称为仪器化压痕法)测试，连续压痕法基于硬度测试的原理发展而来，该方法用一个球形压头在金属试样的同一个部位进行多次加载和卸载(加载载荷逐次递增)，通过每次卸载的曲线求出表征应力和表征应变，再用其求出材料的真应力应变曲线，进而获得材料的屈服强度和抗拉强度，该方法用表征应力和表征应变反推出真应力应变曲线时，需要假设材料符合某一种本构关系，如线性硬化、幂硬化等，而在实际测试中往往无法预知材料的硬化模型，这会导致结果偏差很大，且测试效率低。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种测试金属材料本构关系的方法，该方法可以在金属构件表面直接进行测试，无需切割取样，可快速准确的获得材料的本构关系(真应力-应变曲线)，并由此求出材料的屈服强度和抗拉强度。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种测试金属材料本构关系的方法，包括如下步骤：
(1)在待测金属材料的表面制备凸起试样；
(2)利用压杆载荷加载机构，对所述凸起试样进行压缩试验，获得载荷-位移曲线；
(3)采用有限元反演法，从获得的载荷-位移曲线中计算得到真应力-应变曲线。
进一步地，所述凸起试样是通过在待测金属材料的表面通过切削、磨削或蚀刻方式制备得到。
进一步地，步骤(1)所述凸起试样为柱状结构，高度为1-3mm，截面宽度尺寸为0.5-2mm。
进一步地，所述凸起试样为圆柱或棱柱。
进一步地，所述凸起试样为圆柱，高度为1.5mm，直径为1mm。
进一步地，步骤(2)所述压杆载荷加载机构包括压杆、设于压杆上部的载荷传感器以及下部的位移传感器，所述压杆下端与凸起试样上端接触。
进一步地，所述压杆载荷加载机构的载荷传感器获得加载的载荷量，所述位移传感器获得凸起试样的位移量，以此形成载荷-位移曲线。
进一步地，步骤(3)所述的有限元反演法具体为：
(1)假设一条真应力-应变曲线，用有限元计算得到一条载荷-位移曲线，并计算载荷-位移曲线的有限元结果和试验结果的误差；
(2)根据误差，重新假设一条真应力-应变曲线，用有限元计算得到一条载荷-位移曲线，并计算载荷-位移曲线的有限元结果和试验结果的误差；
(3)重复步骤(2)，直至误差接近0，此时认为所假设的真应力-应变曲线即材料真实结果。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明通过在待测金属材料的表面制备凸起试样，然后通过压杆载荷加载机构对该凸起试样进行加载，采用这种方式，可以大大节省待测金属材料，提高测试效率；常规单轴拉伸试样的直径为10mm，长度为80mm(包括夹持段)，本发明的凸起试样高度为1-3mm，截面宽度尺寸为0.5-2mm，可以极大的减少试样的消耗。
2、本发明凸起试样是通过在待测金属材料的表面通过切削、磨削或蚀刻方式制备得到，凸起试样为柱状结构，这种结构有利于载荷的加持以及位移形变的监测，凸起试样高度为1-3mm，截面宽度尺寸为0.5-2mm，这种尺寸符合测试需求。柱状试样与连续球压痕试验相比，变形均匀，无明显的应力集中现象，试验曲线与常规压缩试验曲线类似，试验结果具有唯一性，即可以获得与载荷-位移曲线对应的唯一真应力-应变曲线。
3、本发明在求真应力-应变曲线时采用有限元反演法，该方法基于成熟的有限元数值分析技术，计算结果稳定可靠。
附图说明
图1为本发明实施例在待测金属材料表面制备凸起试样的主视剖视图；
图2为本发明实施例在待测金属材料表面制备凸起试样的俯视图；
图3为本发明实施例测试过程示意图；
图4为本发明实施例获得的载荷-位移曲线；
图5为经n次假设计算后误差接近0的载荷-位移曲线；
图中：1-待测金属材料；2-凸起试样；3-压杆载荷加载机构；4-压杆；5-位移传感器；6-载荷传感器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
一种测试金属材料本构关系的方法，具体包括如下步骤：
(1)在待测金属材料1的表面通过切削、磨削或蚀刻方式制备得到凸起试样2，参照图1、2，本实施例中，凸起试样2为圆柱，高度为1.5mm，直径为1mm；
(2)利用压杆载荷加载机构3，对凸起试样2进行压缩试验，获得载荷-位移曲线；如图3，压杆载荷加载机构3包括压杆4、设于压杆4上部的载荷传感器5以及下部的位移传感器6，压杆4下端与凸起试样2上端接触，压杆载荷加载机构3的载荷传感器6获得加载的载荷量，位移传感器5获得凸起试样的位移量，以此形成载荷-位移曲线，如图4所示。
(3)采用有限元反演法，从获得的载荷-位移曲线中计算得到真应力-应变曲线，具体为：假设一条真应力-应变曲线，用有限元计算得到一条载荷-位移曲线，计算载荷-位移曲线的有限元结果和试验结果的误差；根据误差重新假设一条真应力-应变曲线，用有限元计算得到一条载荷-位移曲线，计算载荷-位移曲线的有限元结果和试验结果的误差……如此反复，经过n次假设计算后，误差接近0，如图5所示，此时认为假设的真应力-应变曲线就是材料真实结果。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种测试金属材料本构关系的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在待测金属材料的表面制备凸起试样；
(2)利用压杆载荷加载机构，对所述凸起试样进行压缩试验，获得载荷-位移曲线；
(3)采用有限元反演法，从获得的载荷-位移曲线中计算得到真应力-应变曲线。
2.根据权利要求1所述的一种测试金属材料本构关系的方法，其特征在于，步骤(1)所述凸起试样是通过在待测金属材料的表面通过切削、磨削或蚀刻方式制备得到。
3.根据权利要求1所述的一种测试金属材料本构关系的方法，其特征在于，步骤(1)所述凸起试样为柱状结构，高度为1-3mm，截面宽度尺寸为0.5-2mm。
4.根据权利要求3所述的一种测试金属材料本构关系的方法，其特征在于，所述凸起试样为圆柱或棱柱。
5.根据权利要求4所述的一种测试金属材料本构关系的方法，其特征在于，所述凸起试样为圆柱，高度为1.5mm，直径为1mm。
6.根据权利要求1所述的一种测试金属材料本构关系的方法，其特征在于，步骤(2)所述压杆载荷加载机构包括压杆、设于压杆上部的载荷传感器以及下部的位移传感器，所述压杆下端与凸起试样上端接触。
7.根据权利要求6所述的一种测试金属材料本构关系的方法，其特征在于，所述压杆载荷加载机构的载荷传感器获得加载的载荷量，所述位移传感器获得凸起试样的位移量，以此形成载荷-位移曲线。
8.根据权利要求1所述的一种测试金属材料本构关系的方法，其特征在于，步骤(3)所述的有限元反演法具体为：
(1)假设一条真应力-应变曲线，用有限元计算得到一条载荷-位移曲线，并计算载荷-位移曲线的有限元结果和试验结果的误差；
(2)根据误差，重新假设一条真应力-应变曲线，用有限元计算得到一条载荷-位移曲线，并计算载荷-位移曲线的有限元结果和试验结果的误差；
(3)重复步骤(2)，直至误差接近0，此时认为所假设的真应力-应变曲线即材料真实结果。
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