[发明专利]圆柱形平头压入预测材料单轴本构关系的测定方法

说明书

本发明公开了一种圆柱形平头压入预测材料单轴本构关系的测定方法，采用硬质合金圆柱形平直压头对光洁材料表面进行准静态压入加载，获得连续的载荷P‑深度h曲线后通过载荷‑位移曲线简单处理得到弹性压入刚度S、弹塑性加载曲率C和加载指数m，经后期处理预测材料单轴本构关系。本发明克服了现有圆柱形压入技术只能近似估算材料弹性模量E和屈服强度σ_y，难以获得材料的硬化规律等不足，可简便有效地实现材料单轴本构关系预测，适用于轻质材料、软材料等的性能测试。本发明测试效果良好且具有普适性，因而也可用于蠕变、冲击等复杂加载条件进行材料本构关系和多因素的力学效应分析。特别是对于航空航天、高铁、船舶、汽车等运输工程中广泛使用的轻质材料以及生物医学工程软材料等的单轴力学性能获取具有重要意义。

技术领域

本发明涉及材料力学性能测试新理论与新方法，尤其是在役先进工程结构轻质材料单轴本构关系的测试领域。

背景技术

单轴应力-应变曲线(即本构关系)是材料与力学建立关系的关键环节，对于工程构件的安全设计和服役起着重要的作用。获取材料单轴本构关系的通常做法是选取原材料加工或从工程构件上截取标准拉伸试样后在实验室进行拉伸试验。随着工程结构发展的小型化和轻量化，受构件尺度限制，难以按照传统的取样方法获得有效地试样展开试验。然而，对于在役航空、高铁、船舶、汽车等运输工程广泛存在的轻质结构材料，采用传统拉伸试验方法在截取试样时势必破坏其服役状态，而具有原位、微损等特点的圆柱形压入测试则可以满足需求。此外，对于价格昂贵的新兴材料(如纳米颗粒增强材料，特殊功能涂层材料等)及传统贵重金属材料(如镁合金、钛合金等)，采用传统拉伸试验方法成本高、易造成较大的材料浪费和回收能耗大、不环保等问题。针对上述情况，目前仍缺乏便捷、有效且稳定的方法用于材料或结构单轴本构关系预测的检测技术。

圆柱形平头压入试验是一种常用于材料蠕变性能获取的试验方法^[3]，但较少被用来测试材料的单轴力学性能。事实上，圆柱形平头压入试验过程可类比于带有周边材料约束的局部单向压缩试验。虽然该加载方式下的变形材料所处应力状态不满足简单的单轴(压缩)应力状态，但其载荷-变形行为包含了足够且十分有效的材料弹塑性力学性能表征信息，通过对该已有试验方法进行技术创新，可实现材料单轴本构关系的简便有效测量。

现有技术方案

2013-2015年，Hu Zhong等.^[4_,^5]基于微纳米圆柱形平头压入试验，通过连续采集压入试验加载过程中的载荷P-深度h曲线，提出了基于半球形空腔模型与有限元模拟的近似预测公式。该技术方案通过式 (1)估算材料的弹性模量E和屈服强度σ_y。

其中，A为圆柱形平头横截面面积，A＝πD²/4，D为圆柱形平头直径， E为弹性模量，σ_y为屈服应力，a为接触半径，c₀为与摩擦系数μ及泊松比ν有关的系数，k为需要试验标定的修正系数，k＝[2/3+2ln(c/a)]， P_e为弹性极限载荷。

现有技术方案中，基于半球形空腔模型与有限元模拟的近似公式只能估算弹性模量E和屈服强度σ_y，无法预测材料的硬化规律因而得不到连续的应力-应变曲线；其次，该方法在压入试验加载后还需要卸载，卸载的有效测量往往对实验设备和样品表面处理的精度要求较高；并且，在获取屈服强度时，需要采用试验标定出适当的k，存在调试的麻烦；此外，该方法的近似公式屈服载荷定义P/Pe＝0.839对文中的三种材料近似满足，但是否具备普适性仍未可知。

参考文献：

[1]Hollomon J H.Tensile deformation[J].AIME TRANS,1945,12(4):1-22.