材料力学性能的压入试验方法与应用

论文摘要

材料的弹性模量、应力应变关系、强度、硬度等是对工程结构进行力学分析、优化设计和安全评价的重要基础关系和性能参数,然而,对于焊接结构、在役设备和小尺寸材料,难以通过传统的单轴拉伸试验方法来获取。材料压入方法因可“无样”、“微损”地进行结构局部或小尺寸材料力学性能的试验而受到重视并开展了大量研究。本文基于前人研究工作,借助有限元分析和多种金属材料试验,在球压头压入（球压入）试验方法方面展开研究,完成了以下工作:（1）基于经典Oliver-Pharr模型和宏观球压入试验,提出了获取材料弹性模量E的压头系数β模型,并对11种延性金属材料完成了球压入试验。通过单次压入试验载荷-位移曲线的初始卸载刚度S获得材料弹性模量,并与单轴拉伸试验结果对比具有良好的一致性,表明该模型可简便、精确地获取金属材料弹性模量。（2）基于能量等效假定:受载构元有效变形域内,复杂应力应变状态的代表性体积单元（Representative Volume Element,RVE）的应变能密度与按Von Mises应力应变等效的单轴应力状态RVE的应变能密度相等,且存在一个能量密度中心,该中心的应变能密度与有效变形体积的乘积与外力功相等,提出了关联材料载荷、深度、球压头直径和Hollomon律参数的半解析球压入（Semi-analytical Spherical Indentation,SSI）模型和模型参数的确定方法,进而通过球压入载荷-深度关系可以获得材料的应力应变关系曲线和抗拉强度。针对较大范围的幂律材料,有效通过了SSI模型正确性的数值验证。通过11种延性金属材料球压入试验,结果表明,基于SSI模型的球压入试验方法得到的材料应力应变关系和抗拉强度结果与单轴拉伸试验结果吻合良好。（3）基于SSI模型,提出了与Hollomon律参数相关的布氏、洛氏硬度预测模型,根据材料的Hollomon律参数即可预测其布氏、洛氏硬度。借助有限元分析计算,确定出预测模型参数并对该模型进行较大范围的数值验证,选取8种延性金属材料完成了布氏、洛氏硬度试验。结果表明,采用该预测模型预测硬度值与试验结果吻合良好。基于上述理论模型的球压入试验方法可简便、有效地应用于材料的力学性能试验。

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文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张志杰

导师: 蔡力勋

关键词: 弹性模量,应力应变关系曲线,抗拉强度,硬度,能量等效,球压入试验

来源: 西南交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 力学,材料科学

单位: 西南交通大学

基金: 国家自然科学基金项目(11472228),东方电气集团东方锅炉股份有限公司,中科华核电技术研究院,上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂

分类号: TB301

DOI: 10.27414/d.cnki.gxnju.2019.001141

总页数: 61

文件大小: 5375K

下载量: 46

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