[发明专利]圆盘试样压缩获取材料单轴应力-应变关系的方法

说明书

本发明公开了一种圆盘试样压缩获取材料单轴应力‑应变关系的方法，采用硬质合金加工压缩夹具，压缩厚度适中的圆盘试样获取其连续的载荷‑位移曲线，采用幂律拟合载荷‑位移曲线（非线性段），将拟合的特征载荷和位移指数带入式(2)计算即以获取其单轴应力‑应变关系。本发明适用于延性、幂律等向强化材料，能够获取多种类延性材料的应力‑应变关系曲线，可以根据测试材料的实际情况设计试样尺寸，试样可以小到毫米级和微米级，灵活方便，克服了传统单轴拉伸试验受到材料尺寸很大限制等不足，也可用于测试材料高温单轴应力‑应变关系曲线。本方法对于贵重金属、轻质材料、服役构建微创圆片等小试样的本构关系的微力材料测试有较大优势。

技术领域

本发明涉及延性材料的力学性能测试技术，尤其是对轻质、稀有、微尺度材料的力学性能测试领域。

背景技术

单轴应力-应变曲线是材料最基本的物理关系，是对材料与结构进行力学性能测试(如疲劳、断裂)及有限元分析所需的基础力学关系，对结构件的优化设计和安全性评定具有重要意义。传统测试方法主要是从原材料或构件上截取标准单轴拉伸试样，且试样尺寸属于分米、厘米级。随着小型化、轻量化构件及昂贵先进材料得到广泛应用及服役构件微创取样技术的发展，基于毫微试样(毫米、微米级)的材料试验开始得到重视，此外，在航空航天、核电等工程中，存在着大量的焊接结构以及高应力梯度的构件，采用传统的单轴拉伸试验方法难以获取不同区域(热影响区、焊缝区等)的力学性能，因而采用传统的标准试样进行测试变得十分困难。发展毫微尺寸试样的材料测试方法有重要意义。

圆盘试样压缩方法获取材料单轴应力-应变关系曲线要求圆盘具有一定的厚度，保证在压缩的时候不发生失稳弯曲，同时又尽量接近平面应力状态，该方法的试样加工、试验原理和数据处理都较简单，采用本发明可以方便获取材料的单轴应力-应变关系曲线。

发明内容

本发明旨在提供一种基于能量理论的弹塑性公式(由简单有限元分析获取公式参量)的圆盘压缩试验技术方案，可实现材料单轴应力-应变关系的简易精确测量。

本发明目的是通过如下的手段实现的。

圆盘试样压缩获取材料单轴应力-应变关系的方法,用于焊接结构及高应力梯度结构的局部材料及小尺寸试样的本构关系测量以获取材料单轴应力-应变关系；其主要步骤包括：

1)圆盘试样厚度控制在B/r为0.3～0.6；采用硬质合金压缩夹具对压缩圆盘试样获取P-V试验曲线，采用幂律

用于描述P-V关系，其中r为圆盘半径，P*为特征载荷，m为位移指数，可由试验获取的P-V试验数据回归得到；

2)将P*和m值代入如下公式组

即可获取材料屈服强度强度σ_y和应变硬化指数n；式中c＝Eⁿσ_y^1-n/(1+n)，A*＝πrB，B表示圆盘厚度，E为材料弹性模量；k₁～k₅为模型常数；

3)将σ_y和n代入Hollomon方程

即可获取材料的单轴应力-应变关系。