CN110672417A - 一种小冲杆试验获取超薄材料弹塑性性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于材料测试技术领域，公开了一种小冲杆试验获取超薄材料弹塑性性能的方法，通过小冲杆试验和标准单轴拉伸试验获取单独邻近材料的载荷‑位移曲线、弹性模量、屈服强度、抗拉强度力学性能、多层复合结构包括超薄材料及临近材料的载荷‑位移曲线；建立小冲杆试验有限元模型，输入相邻材料的弹塑性力学性能，利用逆向求解法求取超薄材料的弹塑性性能；改变超薄材料的厚度，进行小冲杆试验得到载荷‑位移曲线，通过比较试验结果与使用逆向求解法所的参数的模拟结果确定所得超薄材料弹塑性性能的正确性。本发明解决了多层材料结构中单层超薄材料无法直接进行标准常规力学性能试验获得材料力学性能的问题。

Description

一种小冲杆试验获取超薄材料弹塑性性能的方法
技术领域
本发明属于材料测试技术领域，尤其涉及一种小冲杆试验获取超薄材料弹塑性性能的方法。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：化工、核电、燃料电池以及航空航天等领域所使用的诸多设备或机械部件，由于其长期服役在高温、高压或腐蚀的条件下，所用材料的力学性能会发生劣化，降低设备的使用寿命，对其进行安全性的评定具有重要意义。小冲杆试验测试技术是一种近乎无损的一种试验技术，只需要微小的试验样本，直接在在役设备上微损取样，就能在不影响设备正常使用的前提下，较为准确的测量出材料的各种力学性能，如屈服强度、抗拉强度、断裂韧性、韧脆转变温度和蠕变性能等，具有很高的工程应用价值。
小冲杆试验测试技术测试的试样厚度大多为0.2-0.8mm范围内，针对更薄的材料，在取样及试样加工方面存在较大的困难，针对厚度尺寸在0.1mm甚至更小范围的微尺度材料，很难直接通过小冲杆试验和常规标准试验，例如常规拉伸试验，常规夏比冲击试验，常规蠕变试验等，获得其力学性能。但对于服役设备而言，任何部位的材料都可能影响到设备的安全性，尤其是一些结构微小的钎焊焊接接头，因为钎焊焊缝厚度仅为几百甚至几十微米，因此对此类微尺度材料的力学性能研究具有重要的意义。
综上所述，现有技术存在的问题是：
现有多层结构中无法直接做成小冲杆试样和常规标准试样的超薄材料部分的力学性能难以测量。
解决上述技术问题的难度：
由于小冲杆试验中对试样的尺寸精度以及表面粗糙度和平行度等要求较高，且超薄材料进行小冲杆试验时影响因素较多，单独对超薄材料进行取样以及加工存在较大的困难。
解决上述技术问题的意义：
对服役设备而言，任何部位的材料都可能导致设备的失效，对超薄材料力学性能的研究有利于设备的安全评定和寿命评估，因此对微尺度材料的力学性能研究具有重要的意义。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种小冲杆试验获取超薄材料弹塑性性能的方法。
本发明是这样实现的，一种小冲杆试验获取超薄材料弹塑性性能的方法，所述小冲杆试验获取超薄材料弹塑性性能的方法具体包括：
步骤一，通过小冲杆试验和标准单轴拉伸试验获取单独邻近材料的载荷-位移曲线以及弹性模量、屈服强度、抗拉强度力学性能，再通过小冲杆试验得到两层或三层(以下简称多层)复合结构包括超薄材料及临近材料的载荷-位移曲线；
步骤二，建立单纯邻近材料以及多层结构复合材料的小冲杆试验有限元模型，输入相邻材料的弹塑性力学性能，包括弹性模量、屈服强度和抗拉强度，利用逆向求解法求取超薄材料层的弹塑性性能(包括弹性模量、屈服强度、抗拉强度)；
步骤三，改变超薄材料的厚度，再次进行小冲杆试验得到载荷-位移曲线，通过比较所得试验结果与使用逆向求解法所得参数的模拟结果(载荷-位移曲线)的误差确定所得超薄材料弹塑性性能的正确性。
进一步，步骤二中，所述建立单纯邻近材料以及多层结构复合材料的小冲杆试验有限元模型，逆向求解法求取超薄材料的弹塑性性能具体包括：
(1)根据步骤一中单纯邻近材料的小冲杆试验和单轴拉伸试验获得的载荷-位移曲线以及其弹塑性性能，建立单独临近材料的小冲杆试验有限元模型，通过逆向求解法得到临近材料的GTN模型参数以及与小冲杆试验装置之间的摩擦系数；
(2)建立多层结构复合材料的小冲杆试验有限元模型，利用已知临近材料的参数，初设超薄材料参数，通过逆向求解法求出超薄材料的弹塑性性能，所述弹塑性性能包括弹性模量、屈服强度和抗拉强度。
进一步，步骤(2)中，所述利用逆向求解法求出超薄材料的弹塑性性能具体包括：
1)初设超薄材料的弹性模量、泊松比及屈服强度，将模拟获得的载荷-位移曲线与试验获得的载荷-位移曲线进行对比，若误差较大，修正参数重新计算，直至确定屈服强度以及弹性模量和泊松比；
2)根据Hollomon公式，选用多组不同的K、n值进行计算，根据第二阶段参考点的模拟结果与实验结果的差异，试算确定最优解，得到真应力-应变曲线，关系表达式如下：
σ＝Kεn (1)
其中K为硬化参数、n为硬化指数；
3)确定GTN损伤参数，包括q1、q2、q3、f0、fN、εN、SN、fc和fF；根据其影响曲线的各个阶段，初设参数，并根据模拟所得载荷-位移曲线与试验所得载荷-位移曲线的结果差异，调整参数的值直至多层结构的模拟曲线与试验曲线一致，即得到超薄材料最终的性能参数。
4)确定超薄材料的抗拉强度，根据以上所得参数，超薄材料的抗拉强度可用下式确定：
Figure BDA0002255638190000031
其中，S0.2为名义屈服强度，Sb为抗拉强度，n为硬化指数，E为弹性模量。
进一步，步骤二中，所述含有试验曲线与有限元数值模拟曲线结果的对比，具体为：
选定一系列位移点，采用最小二乘法确定最优参数，其表达式如下：
Figure BDA0002255638190000041
其中P为一组参数，
Figure BDA0002255638190000042
和
Figure BDA0002255638190000043
分别为相同为以下模拟和试验得到的载荷值，n为选定参考点的个数。Q(P)越小，证明所设参数越优。
进一步，步骤三中，所述比较所得测试结果与使用逆向求解法所得参数的模拟结果的误差确定超薄材料弹塑性性能的正确性，其确定标准为在同一位移下，对应载荷的最大误差不超过15％。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述小冲杆试验获取超薄材料弹塑性性能的方法的化工设备或机械部件测试系统。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述小冲杆试验获取超薄材料弹塑性性能的方法的核电设备或机械部件测试系统。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述小冲杆试验获取超薄材料弹塑性性能的方法的航空航天设备或机械部件测试系统。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述小冲杆试验获取超薄材料弹塑性性能的方法的清洁能源设备或燃料电池设备或机械部件测试系统。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：
本发明提供了一种通过相邻材料以及多层结构的小冲杆试验，求取多层结构中超薄材料部分的弹塑性性能的逆向求解法，能够计算微尺度延性材料力学性能，特别适用于多层材料结构中超薄材料的力学性能获取，例如钎焊接头中钎料的力学性能。
本发明的小冲杆试验获取超薄材料弹塑性性能的方法，用于测量多层材料结构中无法直接进行小冲杆试验或常规标准试验的超薄材料部分的弹塑性性能，通过小冲杆试验以及逆向求解法可获得所求材料的弹塑性性能。
本发明的小冲杆试验获取超薄材料弹塑性性能的方法，解决了多层材料结构中超薄材料无法直接进行小冲杆试验或常规标准试验测量力学性能的问题，结合计算机辅助技术，可以有效地计算出多层材料结构中超薄材料部分的弹塑性性能，并可以为计算复合结构的断裂、蠕变等性能提供准确的计算参数。
附图说明
图1是本发明实施例提供的小冲杆试验获取超薄材料弹塑性性能的方法流程图。
图2为本发明实施例提供的小冲杆载荷-位移曲线的5个阶段示意图。
图3为本发明实施例提供的多层材料结构的小冲杆有限元模型示意图。
图4为本发明实施例提供的不同屈服强度下的载荷-位移曲线。
图5为本发明实施例提供的超薄材料的真实应力-塑性应变曲线。
图6为本发明实施例提供的使用所得参数的模拟及实验对比结果图。
图7为本发明实施例提供的改变超薄材料厚度后的模拟及实验对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的技术方案与技术效果做详细说明。
如图1所示，本发明实施例提供的小冲杆试验获取超薄材料弹塑性性能的方法具体包括：
S101，通过小冲杆试验和标准单轴拉伸试验获取单独邻近材料的载荷-位移曲线及弹性模量、屈服强度、抗拉强度力学性能，再通过小冲杆试验得到多层结构包括超薄材料及临近材料的载荷-位移曲线。
S102，建立单纯邻近材料以及多层结构复合材料的小冲杆试验有限元模型，输入相邻材料的弹塑性力学性能，利用逆向求解法求取超薄材料的弹塑性性能。
S103，改变超薄材料的厚度，再次进行小冲杆试验得到载荷-位移曲线，通过比较所得试验结果与使用逆向求解法所得参数的模拟结果的误差确定所得超薄材料弹塑性性能的正确性。
步骤S102中，本发明实施例提供的建立单纯邻近材料以及多层结构材料的小冲杆试验有限元模型，输入相邻材料的弹塑性力学性能，利用逆向求解法求取超薄材料的弹塑性性能具体包括：
(1)根据步骤S101中单纯邻近材料的小冲杆试验和单轴拉伸试验获得的载荷-位移曲线以及其弹塑性性能，建立单独临近材料的小冲杆试验有限元模型，通过逆向求解法得到临近材料的GTN模型参数以及与小冲杆试验装置之间的摩擦系数。
(2)建立多层结构复合材料的小冲杆试验有限元模型，利用已知临近材料的参数，初设超薄材料参数，通过逆向求解法求出超薄材料的弹塑性性能，所述弹塑性性能包括弹性模量、屈服强度和抗拉强度。
步骤(2)中，本发明实施例提供的利用逆向求解法求出超薄材料的弹塑性性能具体包括：
1)初设超薄材料的弹性模量、泊松比及屈服强度，将模拟得到的载荷-位移曲线与试验得到的载荷-位移曲线进行对比，若误差较大，再修正参数重新计算，直至确定屈服强度以及弹性模量和泊松比。
2)根据Hollomon公式，选用多组不同的K、n值进行计算，根据第二阶段参考点的模拟结果与实验结果的差异，试算确定最优解，得到真应力-应变曲线，关系表达式如下：
σ＝Kεn(1)
其中K为硬化参数、n为硬化指数。
3)确定GTN损伤参数，包括q1、q2、q3、f0、fN、εN、SN、fc和fF；根据其影响曲线的各个阶段，初设参数，并根据模拟所得载荷-位移曲线与试验所得载荷-位移曲线的结果差异，调整参数的值直至多层结构的模拟曲线与试验曲线一致，即得到超薄材料最终的性能参数。
4)确定超薄材料的抗拉强度，根据以上所得参数，超薄材料的抗拉强度可用下式确定：
Figure BDA0002255638190000071
其中，S0.2为名义屈服强度，Sb为抗拉强度，n为硬化指数，E为弹性模量。
步骤S102中，本发明实施例提供的含有试验曲线与有限元数值模拟曲线结果的对比，具体为：
选定一系列位移点，采用最小二乘法确定最优参数，其表达式如下：
Figure BDA0002255638190000072
其中P为一组参数，
Figure BDA0002255638190000073
和
Figure BDA0002255638190000074
分别为相同为以下模拟和试验得到的载荷值，n为选定参考点的个数。Q(P)越小，证明所设参数越优。
步骤S103中，本发明实施例提供的比较所得测试结果与使用逆向求解法所得参数的模拟结果的误差确定超薄材料弹塑性性能的正确性，其确定标准为在同一位移下，对应载荷的最大误差不超过15％。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案与技术效果做进一步说明。
实施例1：
1.通过小冲杆试验和标准单轴拉伸试验获取单独邻近材料的载荷-位移曲线及弹性模量、屈服强度和抗拉强度力学性能，再通过小冲杆试验得到多层结构材料(包括超薄材料及临近材料)的载荷-位移曲线。本实施例所采用的小冲杆试验装置参数：下夹具d＝4.0mm，内孔倒角为0.2mm×45°；钢球直径为2.5mm；试样直径10mm，厚度为0.48mm和0.44mm，其中上下两层为0.20mm，且为同种材料，中间一层分别为0.08mm和0.04mm，为另一种材料。
2.建立单纯邻近材料以及多层结构复合材料的小冲杆试验有限元模型，输入相邻材料的弹塑性性能，利用逆向求解法求取超薄材料的弹塑性性能，其主要步骤包括：
(1)根据单纯邻近材料的小冲杆试验和单轴拉伸试验获得的载荷-位移曲线以及其弹塑性性能，建立单独临近材料的小冲杆试验有限元模型，根据经验值通过逆向求解法得到临近材料的GTN模型参数以及与小冲杆试验装置之间的摩擦系数。具体包括：初设材料参数、建立损伤原则、加载、修正材料参数至得到正确结果。
(2)建立如图3所示的多层结构复合材料的有限元模型。利用已知临近材料参数，初设超薄材料参数，通过逆向求解法求出超薄材料的弹塑性性能(包括弹性模量、屈服强度和抗拉强度)。具体为：
1)图2给出了材料小冲杆载荷-位移曲线的5个阶段，对材料进行理想弹塑性假设，依据经验值假定超薄材料的弹性模量、泊松比及屈服强度，将模拟得到的载荷-位移曲线与小冲杆试验得到的载荷-位移曲线的前两阶段进行对比，再修正参数重新计算。
图4给出了不同屈服强度对应的载荷-位移曲线前两个阶段对比图，根据模拟结果可较为准确地得到超薄材料的弹性模量、泊松比及屈服强度。
2)图5所示为计算得出的超薄材料的应力-塑性应变曲线。根据Hollomon公式，选用多组不同的K、n值试算，根据第二阶段参考点的模拟结果与实验结果的差异，试算确定最优解，即得到了较为接近的真应力-应变曲线：
σ＝Kεn(1)
其中K为硬化参数、n为硬化指数。
3)GTN形核参数的确定，包括q1、q2、q3、f0、fN、εN、SN、fc和fF；根据其影响曲线的各个阶段，初设参数，并根据模拟所得载荷-位移曲线与试验所得载荷-位移曲线的结果差异，调整参数的值直至多层结构的模拟曲线与试验曲线一致，即得到超薄材料最终的性能参数。
4)确定超薄材料的抗拉强度，根据以上所得参数，超薄材料的抗拉强度可用下式确定：
其中，S0.2为名义屈服强度，Sb为抗拉强度，n为硬化指数，E为弹性模量。
步骤2中，本发明实施例提供的含有试验曲线与有限元数值模拟曲线结果的对比，具体为：
选定一系列位移点，采用最小二乘法确定最优参数，其表达式如下：
其中P为一组参数，
Figure BDA0002255638190000092
和
Figure BDA0002255638190000093
分别为相同为以下模拟和试验得到的载荷值，n为选定参考点的个数。Q(P)越小，证明所设参数越优。
图6为使用以上计算所确定参数所得的模拟结果与试验结果对比，误差较小，即得到了超薄材料最终的性能参数，若对比差异较大，可通过调整参数重新计算。
3.图7为改变超薄材料的厚度为0.04mm对计算结果的验证。改变厚度以后，再次对多层结构复合材料进行小冲杆试验，将试验所得载荷-位移曲线与使用逆向求解法所得参数模拟所得的载荷-位移曲线相比误差很小。证明所得超薄材料弹塑性性能的正确性。在实际应用时，可以不改变试样厚度进行验证，直接使用步骤2所确定的参数即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种小冲杆试验获取超薄材料弹塑性性能的方法，其特征在于，所述小冲杆试验获取超薄材料弹塑性性能的方法包括以下步骤：
步骤一，通过小冲杆试验和标准单轴拉伸试验获取单独邻近材料的载荷-位移曲线以及弹性模量、屈服强度、抗拉强度力学性能，再通过小冲杆试验得到多层复合结构包括超薄材料及临近材料的载荷-位移曲线；
步骤二，建立单纯邻近材料以及多层结构复合材料的小冲杆试验有限元模型，输入相邻单纯材料的弹塑性力学性能，包括弹性模量、屈服强度和抗拉强度，利用逆向求解法求取超薄材料层的弹塑性性能；
步骤三，改变超薄材料的厚度，再次进行小冲杆试验得到载荷-位移曲线，通过比较所得试验结果与使用逆向求解法所得参数的模拟结果的误差确定所得超薄材料弹塑性性能的正确性。
2.如权利要求1所述的小冲杆试验获取超薄材料弹塑性性能的方法，其特征在于，步骤二中，所述建立单纯邻近材料以及多层结构材料的小冲杆试验有限元模型，逆向求解法求取超薄材料的弹塑性性能具体包括：
(1)根据单纯邻近材料的小冲杆试验和单轴拉伸试验获得的载荷-位移曲线以及其弹塑性性能，建立单独临近材料的小冲杆试验有限元模型，通过逆向求解法得到临近材料的GTN模型参数以及与小冲杆试验装置之间的摩擦系数；
(2)建立多层结构复合材料的小冲杆试验有限元模型，利用已知临近材料的参数，初设超薄材料参数，通过逆向求解法求出超薄材料的弹塑性性能，所述弹塑性性能包括弹性模量、屈服强度和抗拉强度等。
3.如权利要求2所述的小冲杆试验获取超薄材料弹塑性性能的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述利用逆向求解法求出超薄材料的弹塑性性能具体包括：
1)初设超薄材料的弹性模量、泊松比及屈服强度，将模拟得到的载荷-位移曲线与试验得到的载荷-位移曲线进行对比，若误差较大，再修正参数重新计算，直至确定屈服强度以及弹性模量和泊松比；
2)根据Hollomon公式，选用多组不同的K、n值进行计算，根据第二阶段参考点的模拟结果与实验结果的差异，试算确定最优解，得到真应力-应变曲线，关系表达式如下：
σ＝Kεn (1)
其中K为硬化参数、n为硬化指数；
3)确定GTN损伤参数，包括q1、q2、q3、f0、fN、εN、SN、fc和fF；根据其影响曲线的各个阶段，初设参数，并根据模拟所得载荷-位移曲线与试验所得载荷-位移曲线的结果差异，调整参数的值直至多层结构的模拟曲线与试验曲线一致，即得到超薄材料最终的性能参数。
4)确定超薄材料的抗拉强度，根据以上所得参数，超薄材料的抗拉强度可用下式确定：
其中，S0.2为名义屈服强度，Sb为抗拉强度，n为硬化指数，E为弹性模量。
4.根据权利1～3所述的方法，其特征在于，适用于两层或者三层且包含一层超薄材料的多层结构复合材料。
5.一种应用权利要求1～3任意一项所述小冲杆试验获取超薄材料弹塑性性能的方法的化工设备或机械部件测试系统。
6.一种应用权利要求1～3任意一项所述小冲杆试验获取超薄材料弹塑性性能的方法的核电设备或机械部件测试系统。
7.一种应用权利要求1～3任意一项所述小冲杆试验获取超薄材料弹塑性性能的方法的航空航天设备或机械部件测试系统。
8.一种应用权利要求1～3任意一项所述小冲杆试验获取超薄材料弹塑性性能的方法的清洁能源或燃料电池设备或机械部件测试系统。
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