[发明专利]基于纳米压痕试验的焊接接头本构模型反推方法

说明书

本发明提供了基于纳米压痕试验的焊接接头本构模型反推方法，包括以下步骤：步骤1：构建焊接接头本构模型；步骤2：进行量纲分析，得出应力和应变之间的无量纲函数；步骤3：选取满足步骤1本构关系的材料，对压头压入材料的过程进行有限元模拟；步骤4：确定选取的材料及对应的应力和应变，代入无量纲函数，确定与每个材料对应的函数数值；步骤5：对得到的力学性能参数与函数数值进行拟合，得到无量纲函数的表达式；步骤6：对焊接接头进行纳米压痕试验，求解焊接接头的力学性能参数；步骤7：利用力学性能参数反推焊接接头的本构模型。本发明提供的基于纳米压痕试验的焊接接头本构模型反推方法的优点在于：适用性广、降低成本、准确度高。

技术领域

本发明涉及金属材料力学性能的测试方法技术领域，尤其涉及一种基于纳米压痕试验的焊接接头本构模型反推方法。

背景技术

金属焊接成形的工艺特点决定了焊接接头不同区域的材料力学性能具有非均匀性，获取非均质材料各区域的本构关系是分析其破坏行为的重要先决条件之一。

目前针对焊接接头的本构模型的研究绝大部分是按照国标在垂直于焊接方向取标准试样进行。常规方法能够获得“平均”意义下的焊接接头的弹性模量、屈服强度、抗拉强度等相关参数，却无法反应焊接接头不同区域的材料力学性能，对焊接结构优化设计的帮助十分有限。

为了获取焊接接头的微区力学性能，深入研究接头的可靠性，还可以采用其他途径的传统试验手段，如微拉伸试验。

微拉伸试验通过在焊接接头不同区域取小试样进行拉伸，通过高分辨率的应变和应力测量，可以得到材料在任意方向上的力学性能参数。但其仍存在以下不足：

1.对于某些微区尺寸较小的焊接接头，在接头微区取样仍然十分困难；

2.试验成本较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种通过纳米压痕试验反推焊接接头本构模型的方法。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：

基于纳米压痕试验的焊接接头本构模型反推方法，包括以下步骤：

步骤1：确定焊接接头符合的本构模型，并构建由材料力学性能参数表达的本构模型数学表达式；

步骤2：使用π定理对压头压入焊接接头表面的过程进行量纲分析，得出加载/卸荷过程中材料基本力学性能参数与压头压入过程参数之间的无量纲π函数关系；

步骤3：选取多个符合步骤1所述的本构关系的材料，对压头压入这些材料的过程进行有限元模拟，得到载荷-位移响应曲线；

步骤4：由步骤3选取的材料的力学性能参数，在载荷-位移响应曲线上确定对应的压入过程参数，代入步骤2得到的无量纲π函数公式，针对每组力学性能参数确定与之对应的无量纲π函数数值；

步骤5：利用步骤4得到的力学性能参数与无量纲π函数数值对无量纲π函数进行拟合，得到由力学性能参数表达的无量纲π函数的二次多项表达式；

步骤6：对焊接接头进行纳米压痕试验，确定无量纲函数的数值，代入步骤5得到的二次多项表达式中求解焊接接头的力学性能参数；

步骤7：将步骤6的力学性能参数结果代入步骤1中的数学表达式中，从而反推得到焊接接头的本构模型。

优选地，所述焊接接头为TC4钛合金扩散焊接头，其本构关系符合Hollomon本构模型，简化后的数学表达式为，

其中，σ为应力，ε为应变，E为弹性模量，n为加工硬化指数，σ_y为屈服强度。

优选地，步骤2所述的无量纲π函数表达式为