CN110455658A - 一种用于金属材料的动态载荷压痕测试方法 - Google Patents

一种用于金属材料的动态载荷压痕测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于金属材料的动态载荷压痕测试方法，包括如下步骤：(1)利用内部设有加速度传感器的冲击压头机构，垂直冲击待测金属材料的表面，加速度传感器记录加速度‑时间曲线；(2)将得到的加速度‑时间曲线转换成冲击力‑压入深度曲线；(3)进行多次不同冲击力的动态压痕测试，获得一系列冲击力‑压入深度曲线；(4)将获得的冲击力‑压入深度曲线转换成表征应力和表征应变，并据此拟合出真应力‑应变曲线；(5)根据真应力‑应变曲线求出金属材料的屈服强度和抗拉强度。本发明通过利用加速度传感器获取的加速度‑时间曲线，通过一步步计算得到金属材料的屈服强度和抗拉强度，该方法大大提高金属材料的检测效率。

Description

一种用于金属材料的动态载荷压痕测试方法
技术领域
本发明涉及材料分析测试技术领域，具体涉及一种用于金属材料的动态载荷压痕测试方法。
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。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。
另外还有一种里氏硬度法，里氏硬度计基于动载荷，该仪器不需要专门的固定装置，具有体积小、重量轻、测试简单、可以手持测试的优点，非常适合现场测试。里氏硬度的基本原理为：利用硬质球体冲击试样表面，球体冲击后发生回弹，回弹速度低于冲击速度，利用冲击和回弹直接的速度差异来表征材料的硬度。球体冲击试样的过程中，一部分动能转变为材料塑性变形内能，另一部分动能以回弹速度的形式体现。若材料的弹性极限越高，塑性变形吸收的动能就越少，球体回弹的速度就越大，表明材料的硬度越高，但该方法只能测试金属材料的硬度，不能测试其他力学，如屈服强度、抗拉强度等力学性能指标。
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用于金属材料的动态载荷压痕测试方法，可以快速测试金属材料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：
一种用于金属材料的动态载荷压痕测试方法，包括如下步骤：
(1)利用内部设有加速度传感器的冲击压头机构，以预设的动能垂直冲击待测金属材料的表面，所述加速度传感器记录冲击过程中的加速度-时间曲线；
(2)将步骤(1)得到的加速度-时间曲线转换成冲击力-压入深度曲线；
(3)重复步骤(1)、(2)，用不同动能的冲击压头机构在金属材料的不同位置进行多次动态压痕测试，获得一系列冲击力-压入深度曲线；
(4)将获得的冲击力-压入深度曲线转换成表征应力和表征应变，再用表征应力和表征应变拟合出真应力-应变曲线；
(5)根据真应力-应变曲线求出金属材料的屈服强度和抗拉强度。
进一步地，步骤(1)所述的冲击压头机构下端设有一球状硬质合金。
进一步地，所述球状硬质合金的直径为0.5-2mm。
进一步地，步骤(2)所述加速度-时间曲线转换成冲击力-压入深度曲线的方法为：
(1)将加速度对时间进行一次积分，得到速度-时间曲线；
(2)将速度对时间进行一次积分，得到压入深度-时间曲线；
(3)将加速度乘以冲击压头的质量，得到冲击力-时间曲线；
(4)将冲击力-时间曲线和压入深度-时间曲线中的时间消去，即得到冲击力-压入深度曲线。
进一步地，步骤(4)所述的冲击力-压入深度曲线转换成表征应力和表征应变的方法为：采用美国橡树岭国家实验室Haggag提出的表征应力应变方法，表征应变和表征应力可以表示为：
式中：
εR为表征应变；
σR为表征应力；
dp为压痕的塑性直径(可以根据冲击力-压入深度曲线迭代计算得到)；
D为球形压头直径；
P为压痕载荷；
δ为约束因子。
进一步地，步骤(4)所述表征应力和表征应变拟合出真应力-应变曲线的方法为：根据获得的表征应力-应变曲线，采用Holloman方程对应力和应变进行拟合，拟合公式为：
σ＝Kεn
式中：σ为应力；ε为应变；K,n为拟合系数。
进一步地，步骤(5)通过真应力-应变曲线求出金属材料的屈服强度和抗拉强度的方法为：将步骤(4)获得的真应力-应变曲线输入到有限元单轴拉伸模型中，模拟材料的单轴拉伸试验，并从试验曲线中求得材料的屈服强度和抗拉强度。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明采用单一的加速度传感器，传感器设置在冲击头内，通过换算可以得到冲击力-压入深度曲线，测试装置结构简单；传统方式需要采用力传感器和位移传感器对整个试验过程进行数据采集，测试装置的结构比较复杂。
2、本发明采用冲击头撞击试样表面的加载方案，冲击头的动力来源可以重力或者弹簧等蓄力装置，可以在实验室以外的地点进行测试；传统方式需要借助于试验机的伺服电机或者液压机构加载，只能在实验室内进行测试。
3、本发明采用冲击头撞击试样表面的加载方案，冲击头可以从任何角度对试样表面进行冲击，因此试样表面的朝向不受限制；传统方式受到试验机的限制，试样表面的朝向只能竖直向上。
4、本发明采用冲击头撞击试样表面的加载方案，冲击头可以从任何角度对试样表面进行冲击，因此试样表面的朝向不受限制；传统方式受到试验机的限制，试样表面的朝向只能竖直向上。
5、本发明采用冲击头撞击试样表面的加载方案，在冲击压头机构和球状硬质合金之间可以设置弹簧缓冲装置，通过调整弹簧的刚度，可以实现不同加载速率的冲击试验，可以用于多种对加载速率要求不同的场合。
6、本发明采用美国橡树岭国家实验室Haggag提出的表征应力应变方法和有限元数值模拟方法从试验结果中计算得到材料的屈服强度和抗拉强度，测试过程简单，计算过程可靠，检测效率高。
附图说明
图1为本发明实施例动态压痕测试方法原理图；
图2为本发明实施例的冲击力-压入深度曲线；
图3为本发明实施例的多次不同动能的冲击力-压入深度曲线；
图4为本发明实施例的用表征应力应变点拟合出真应力-应变曲线；
图5为本发明实施例的用有限元计算得到的工程应力-应变曲线；
图中：1-待测金属材料；2-冲击压头机构；3-加速度传感器；4-球状硬质合金；5-缓冲弹簧。
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
如图1，一种用于金属材料的动态载荷压痕测试方法，包括如下步骤：
(1)利用内部设有加速度传感器3的冲击压头机构2，冲击压头机构2下端设有一球状硬质合金4，垂直冲击待测金属材料1的表面，冲击过程，加速度传感器3记录加速度-时间曲线，也可根据需要在加速度传感器3与球状硬质合金4之间设置一缓冲弹簧5，不设置弹簧时，冲击过程持续时间最短；设置弹簧时，弹簧刚度越小，冲击过程持续时间越长；
(2)将得到的加速度-时间曲线转换成冲击力-压入深度曲线，如图2所示；
(3)重复步骤(1)、(2)，用不同动能的冲击压头机构在金属材料的不同位置进行多次动态压痕测试，获得一系列冲击力-压入深度曲线，如图3所示；
(4)将获得的冲击力-压入深度曲线转换成表征应力和表征应变，再用表征应力和表征应变拟合出真应力-应变曲线，如图4；
(5)根据真应力-应变曲线求出金属材料的屈服强度和抗拉强度，如图5。
进一步地，步骤(1)所述的冲击压头机构下端设有一球状硬质合金。
进一步地，所述球状硬质合金的直径为0.5-2mm。
进一步地，步骤(2)所述加速度-时间曲线转换成冲击力-压入深度曲线的方法为：1.将加速度对时间进行一次积分，得到速度-时间曲线。2.将速度对时间进行一次积分，得到压入深度-时间曲线。3.将加速度乘以冲击压头的质量，得到冲击力-时间曲线。4.将冲击力-时间曲线和压入深度-时间曲线中的时间消去，得到冲击力-压入深度曲线。
进一步地，步骤(4)所述的冲击力-压入深度曲线转换成表征应力和表征应变的方法为：采用美国橡树岭国家实验室Haggag提出的表征应力应变方法，表征应变和表征应力可以表示为：
式中：εR为表征应变；σR为表征应力；dp为压痕的塑性直径(可以根据冲击力-压入深度曲线迭代计算得到)；D为球形压头直径；P为压痕载荷；δ为约束因子。
进一步地，步骤(4)所述表征应力和表征应变拟合出真应力-应变曲线的方法为：根据获得的表征应力-应变曲线，采用Holloman方程对应力和应变进行拟合，拟合公式为：
σ＝Kεn
式中：σ为应力；ε为应变；K,n为拟合系数。
进一步地，步骤(5)通过真应力-应变曲线求出金属材料的屈服强度和抗拉强度的方法为：将步骤(4)获得的真应力-应变曲线输入到有限元单轴拉伸模型中，模拟材料的单轴拉伸试验，并从试验曲线中求得材料的屈服强度和抗拉强度。
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)

1.一种用于金属材料的动态载荷压痕测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)利用内部设有加速度传感器的冲击压头机构，以预设的动能垂直冲击待测金属材料的表面，所述加速度传感器记录冲击过程中的加速度-时间曲线；
(2)将步骤(1)得到的加速度-时间曲线转换成冲击力-压入深度曲线；
(3)重复步骤(1)、(2)，用不同动能的冲击压头机构在金属材料的不同位置进行多次动态压痕测试，获得一系列冲击力-压入深度曲线；
(4)将获得的冲击力-压入深度曲线转换成表征应力和表征应变，再用表征应力和表征应变拟合出真应力-应变曲线；
(5)根据真应力-应变曲线求出金属材料的屈服强度和抗拉强度。
2.根据权利要求1所述的一种用于金属材料的动态载荷压痕测试方法，其特征在于，步骤(1)所述的冲击压头机构下端设有一球状硬质合金。
3.根据权利要求2所述的一种用于金属材料的动态载荷压痕测试方法，其特征在于，所述球状硬质合金的直径为0.5-2mm。
4.根据权利要求1所述的一种用于金属材料的动态载荷压痕测试方法，其特征在于，步骤(2)所述加速度-时间曲线转换成冲击力-压入深度曲线的方法为：
(1)将加速度对时间进行一次积分，得到速度-时间曲线；
(2)将速度对时间进行一次积分，得到压入深度-时间曲线；
(3)将加速度乘以冲击压头的质量，得到冲击力-时间曲线；
(4)将冲击力-时间曲线和压入深度-时间曲线中的时间消去，即得到冲击力-压入深度曲线。
5.根据权利要求1所述的一种用于金属材料的动态载荷压痕测试方法，其特征在于，步骤(4)所述的冲击力-压入深度曲线转换成表征应力和表征应变的方法为：采用表征应力应变方法，即：
式中：
εR为表征应变；
σR为表征应力；
dp为压痕的塑性直径，根据冲击力-压入深度曲线迭代计算得到；
D为球形压头直径；
P为压痕载荷；
δ为约束因子。
6.根据权利要求1所述的一种用于金属材料的动态载荷压痕测试方法，其特征在于，所采用的表征应力应变方法为美国橡树岭国家实验室Haggag提出的表征应力应变方法。
7.根据权利要求5所述的一种用于金属材料的动态载荷压痕测试方法，其特征在于，步骤(4)所述表征应力和表征应变拟合出真应力-应变曲线的方法为：根据获得的表征应力和表征应变，采用Holloman方程对应力和应变进行拟合，拟合公式为：
σ＝Kεn，
式中：σ为应力；ε为应变；K，n为拟合系数。
8.根据权利要求1所述的一种用于金属材料的动态载荷压痕测试方法，其特征在于，通过真应力-应变曲线求出金属材料的屈服强度和抗拉强度的方法为：将步骤(4)获得的真应力-应变曲线输入到有限元单轴拉伸模型中，模拟材料的单轴拉伸试验，并从试验曲线中求得材料的屈服强度和抗拉强度。
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