自动球压痕技术测定钢材力学性能的数值模拟 - 图文(2)

第1章 引言

第1章 引言

1.1 选题背景

钢材的力学性能、制造工艺性能等是选材的主要依据。在设备服役过程中，所有的零部件都会承受着温度、循环载荷和介质的作用，使得钢材的材料性能不断恶化，致使安全事故的发生[2]。随着科学技术和社会经济的持续发展，人们越来越重视工业生产中的安全问题，因此对在服役中的设备的检验以及寿命评估尤为重要。材料的力学性能检测是多种性能测试的代表，包括金属强度、硬度、塑性和韧性等等。早在欧洲工业革命时期，人们就开始了对材料的力学性能的钻研，两次世界大战促进了材料测试与评价技术的发展[3]。对材料进行测试评估是材料性能得以保证的前提，因此，材料的测试和材料的质量息息相关。另一方面，材料的测试评估在计算机开展模拟工作、有限元分析和创建大规模的材料数据库等方面都有很大的影响。因此，新材料是随着材料评价技术的发展而发展的，材料的测试评估在国民经济中，以及在整个材料领域中有着至关重要的地位[3]。

在工业生产过程中，设备一旦进入服役过程，就仅能进行定期的检修和维护，对于材料力学性能等的检测，常规性的试验方法有拉伸断裂试验和冲击试验等，这些试验方法的取样大都是破坏性的，并不适用于在服役的设备，只能使用材料性能的经验值对设备进行不准确的寿命评估。常规性试验的局限性使得工业生产中的一些设备“带病服役”，安全隐患大大增加[4]。自动球压痕技术能很好的解决常规性试验过程中的破坏性取样问题。自动球压痕试验只需要在被测设备的表面进行试验，不需要进行专门的取样，并且试验完成后只会留下几百微米的压痕，不影响设备的后期运行。该技术操作简单，并且压头能够进行持续的压入，即对材料反复加载卸载，施加循环载荷，实验过程中记载压入载荷和压痕深度，得到比常规性试验更全面的数据，自动球压痕技术的此优点使其广泛应用于检测钢材的力学性能[5]。

虽然利用自动球压痕试验可以对设备进行无破坏性的力学检测，但是压头周围的受力情况非常复杂，分析起来相当困难。对此人们往往借助于有限元建模，

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对自动球压痕试验进行数值模拟，再结合一些试验数据，对模型进行分析。得到相应的载荷-位移曲线，由关联式推出材料的力学评判标准，如材料的真应力-真塑性应变曲线、屈服强度、极限拉伸强度等。

1.2 研究现状及进展

1.2.1 材料性能常规性试验方法

测试材料的性能就是提取反应材料内在特性的过程。伴随科学技术和材料领域的进程，材料力学性能的测试也随之不断发展[1]。经过材料力学性能测试工作者多年来的研究，以及和试验机设计生产部门的积极合作，该领域的相关科学技术已经相当成熟。当今大部分的材料力学性能指标的数据都是通过常规性试验方法得到的，如拉伸断裂试验和冲击性试验等。但是由于常规性试验过程的取样是破坏性的，不能测定在役设备。基于该情况，工作者越来越重视非破坏性试验的研究。

1.2.2 自动球压痕技术的发展与现状

压痕技术的产生和发展是为了测定材料的薄膜等某些微小成分，这些成分利用常规测试方法通常难以测到。压痕技术萌芽于1881年的德国，Hertz首次提出了使用压痕试验测定材料的硬度，利用压头压入被测材料表面，最后通过试件的变形量来表征被测材料的各种性能。近百年来人们对于压痕技术不断地研究和完善，已经可以利用压痕技术测定材料的其他性能。Doerner和Nix最早利用压痕仪器获得载荷和压痕深度的曲线，并且通过对数据的处理获得材料性能的表征量。1992年Pharr和Oliver在前人研究内容的基础上对压痕技术进一步完善，为纳米压痕技术奠定了基础，并且这种技术迅速发展。但是纳米压痕技术在温度或者振动上面都会有局限性，并且不适用于对在役设备进行测试[6]。

与圆锥和凌锥形的压头相比，应用球形压头的压痕试验压头周围的受力情况更好，更容易关联得到材料的力学性能表征量。自1970年以来，H.A.Francis、P.Au等人对球形压头的压痕试验开展了研究。F.M.Haggag对前人的研究进行了总结，提出了在一次试验中进行连续压入，获得不同载荷下的数据。该技术获得授权后，F.M.Haggag进一步委托自己的公司生产并且推广了球形压痕试验机。

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第1章 引言

试验过程中，球形压头压入被测材料的表面，在同一个位置上连续压入，载荷是加载、部分卸载、再加载的反复循环。与此同时位移和载荷传感器实时的记录实验过程中的位移和载荷，得到相关曲线，再通过关联式得到材料力学性能的表征量。

早先的球形压痕试验技术是以持续观察和塑性变形理论为基础创建的，使用的时候有限制并且得到的结果精确度不高。随着塑性变形理论的进程以及和有限元技术的联系，自动球压痕试验方法也不断地发展[5]。通过有限元模拟和自动球压痕试验的结合，一方面可以有效地评估材料的力学性能，另一方面可以节省大量的试验经费。通过有限元建模的方法模拟压痕试验过程，建立相关模型，进行模拟计算，观察模拟结果，提取模拟过程中的载荷和位移数据，合成载荷-压痕深度曲线，进一步根据关联式得到模拟材料的力学性能表征量，如真应力-真塑性应变曲线、屈服强度、工程极限断裂强度等等。

1.3 研究内容

随着科学技术和社会经济的持续发展，人们越来越重视工业生产中的安全问题，因此对在服役中的设备的检验以及寿命评估尤为重要。常规性试验方法的取样大多是破坏性的，为了克服该困难，利用自动球压痕技术测量材料的力学性能。试验过程中压头周围的受力情况很复杂，难以分析，因此采用有限元建模的方法，模拟自动球压痕试验过程，记录载荷和压痕深度的数据，合成相关曲线，进一步得到材料的力学性能表征量。

本课题主要研究内容为：

（1）自动球压痕加载过程中试样的应力及变形规律

建立自动球压痕测定材料力学性能的数值模型，研究加载过程中，试样的应力及变形规律。讨论材料力学性能对压痕周围“凹陷”或“堆积”现象的影响。

（2）自动球压痕测试中材料本构模型与材料力学性能的关联性

根据载荷-压痕曲线判断材料的力学性能，并与实际输入的材料本构关系模型进行对比，讨论材料本构模型与力学性能的关联性。讨论利用球形压痕技术测

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第1章 引言

定力学性能的普适性和有效性。

（3）数值模拟和常规性试验比对研究

从屈服强度、极限拉伸强度两方面入手，将数值模拟的结果和常规性试验结果进行比对研究，验证自动球压痕试验测定材料力学性能数值模拟的有效性。

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第2章 自动球压痕技术原理

第2章 自动球压痕技术原理

球形压痕法已经成为估算材料力学性能的强有力工具[7]。球形压头压入被测材料的表面，在同一个位置上连续压入，载荷是加载、部分卸载、再加载的反复循环，与此同时位移和载荷传感器实时的记载实验进程中的位移和载荷，并且由以下的关联式得到钢材的力学性能表征量。

2.1 真应力-真塑性应变的关联

在球形压头连续压入的过程中，同步测量压头的压痕深度以及载荷，并且合成载荷-位移曲线，如图2-1所示，图中给出了三个加载卸载循环周期，横坐标为总压痕深度ht，纵坐标是载荷，卸载曲线与横坐标的交点是残余压痕深度hp。球形压痕试验的压痕示意图如图2-2所示[8]。

图2-1 自动球压痕实验的载荷-位移曲线示意图

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