连续球压痕法表征幂硬化金属材料拉伸性能的 有限元模拟

应用ABAQUS软件,采用二维和三维建模方法对典型幂硬化金属材料6061铝合金的连续球压痕试验进行了模拟,得到了压痕载荷-深度曲线,并进行了压痕试验验证;基于压痕载荷-深度曲线计算得到不同方法下的拉伸性能参数,并与单轴拉伸试验结果进行对比,分析了试样厚度、相邻球压头距离等压痕试验参数对拉伸性能计算结果的影响。结果表明:采用三维建模方法得到的压痕载荷-深度曲线与球压痕试验得到的更吻合;由三维建模方法得到的表征应力、表征应变数据与拉伸试验得到的应力-应变曲线更吻合,抗拉强度和屈服强度计算值与试验值的相对误差均不超过1%,说明该方法能够准确地表征试验合金的拉伸性能;影响拉伸性能的临界试样厚度和临界相邻和压头距离均为压头半径的4倍。     

球压痕试验法评价金属材料的强度

通过单次压痕试验与有限元模拟相结合的方法,结合反向分析方法与模拟退火粒子群算法,从获得的载荷-深度曲线加载部分提取材料的塑性参数,基于Ludwig硬化模型预测了不同金属材料的强度,并与单轴拉伸试验结果进行对比。结果表明:模拟得到的载荷-深度曲线与试验得到的几乎重合,二者的相对误差小于0.5%,说明模拟退火粒子群算法可有效地从压痕载荷-深度曲线中提取出金属材料的塑性参数;基于Ludwig硬化模型,利用反向分析方法从压痕载荷-深度曲线中提取的真应力-真塑性应变曲线不是唯一的,但从真应力-真塑性应变曲线计算得到的强度具有明显的收敛趋势;采用压痕试验得到不同金属材料的强度均接近于由拉伸试验得到的,屈服强度与抗拉强度的最大相对误差分别为5.9%,4.3%,说明采用压痕试验法可以准确地评价金属材料的强度。     

连续球压痕法评价钢的塑性

对B16、Q345R、A106和2.25Cr1Mo四种钢进行了连续球压痕试验,并按照所提出的方法对试验获得的载荷-位移曲线进行处理,通过引入损伤积累理论获得连续球压痕试验的压痕塑性表征参数;同时对四种钢进行了传统单轴拉伸试验以获得它们的断面收缩率,将连续球压痕试验得到的压痕塑性表征参数与断面收缩率进行比较。结果表明:对于断面收缩率大的钢,其压痕塑性表征参数也较大;在因试验条件限制而无法进行单轴拉伸试验时,压痕塑性表征参数可以作为材料塑性评定的补充参数。     

基于压痕应变的不锈钢材料拉伸性能参数计算方法

建立连续球压痕试验三维有限元模型,通过单一变量法模拟了残余压痕应变与不同材料拉伸性能参数(弹性模量90～210 GPa、屈服强度180～300 MPa、应变硬化指数0.1～0.3)的关系;在125组拉伸性能参数组合下进行连续球压痕试验有限元模拟,得到基于残余压痕应变的材料拉伸性能参数计算公式并进行了试验验证。结果表明：残余压痕应变分别与弹性模量和屈服强度存在对数线性关系,其对数与应变硬化指数之间存在幂律关系;将连续球压痕试验测得的316L不锈钢的残余压痕应变代入材料拉伸性能参数计算公式,反演计算得到的弹性模量、屈服强度和应变硬化指数与拉伸试验结果的相对误差分别为1.50%,1.57%,0.22%,说明基于残余压痕应变的不锈钢材料拉伸性能参数计算方法可以满足工程需要。     

连续球压痕法测试压力容器钢力学性能的研究

为探讨材料力学性能无损测试的新方法,分析研究了连续球压痕试验测试材料力学性能的原理,并以压力容器用钢15CrMoR,Q245R,Q345R等3种钢板为研究对象,采用连续球压痕试验与常规拉伸试验相比较的方法,测试了屈服强度、抗拉强度等力学性能,深入开展了连续球压痕试验与常规拉伸试验所测试力学性能的比对分析工作。比对结果表明了连续球压痕试验在测试压力容器用钢力学性能方面的可行性、可靠性与准确性,证明连续球压痕试验法可以应用于工程中部分材料力学性能的无损检测。     

球压痕法评价材料拉伸性能的有限元分析

球压痕法被广泛应用于设备材料真应力应变曲线、屈服强度和抗拉强度等拉伸性能的无损测试。它有望实现对在役设备材料拉伸性能的连续性监控,用于评估在役设备的结构完整性。建立了带有两种不同刚度压头的球压痕试验有限元模型,用于研究不同刚度压头对压痕载荷深度曲线和拉伸性能结果的影响。为了验证模型的有效性,将模拟16MnR材料获得的加载曲线和试验机获得的加载曲线进行对比,对比结果表明,模型能有效地实现球压痕试验的模拟。最后取16MnR和17-7PH两种材料做球压痕试验的有限元模拟,把模拟获得的结果与在试验机上进行常规室温拉伸试验获得的结果进行对比,对比结果表明,球压痕法可以有效测量材料的拉伸性能。     

超声表面滚压加工纯钛梯度材料的力学性能反演与有限元分析

对TA2纯钛进行超声表面滚压加工,研究了其截面显微组织和残余应力分布;采用纳米压痕试验测定距表面不同距离处的载荷-压入深度曲线并反演得到应力-应变曲线,将该应力-应变关系作为材料属性,采用有限元方法模拟得到载荷-压入深度曲线,通过与试验曲线进行对比对反演方法进行验证,并且研究了初始屈服应力和应变硬化指数对载荷-压入深度曲线的影响.结果表明:试样表层形成晶粒尺寸逐渐增大的梯度结构,残余压应力随着距表面距离的增加先增大后减小;载荷-压入深度模拟曲线与试验曲线基本一致,最大压入深度的相对误差在8％以内,说明反演方法可靠;随着初始屈服应力和应变硬化指数增大,载荷-压入深度曲线加载段曲率增大,塑性功与总功之比减小,初始刚度变化不明显.     

各向同性热解石墨的纳米压痕试验与有限元仿真研究

通过对各向同性热解石墨进行了纳米压痕试验,得到了其材料的载荷-位移曲线.并根据Olive和Pharr理论算出了其硬度与弹性模量值,得到了主要的材料性能.在纳米压痕试验的基础上,通过有限元单元法建立了纳米压痕试验的数值模型,通过比较有限元所拟合的载荷一位移曲线和实际纳米压痕试验所得到的曲线,进行相应的修正,最后得到了该材料的塑性性能,也证明了有限元仿真的可行性.     

采用球压痕法测16MnR钢的拉伸性能

采用球压痕试验和常规拉伸试验两种方法对16MnR钢的拉伸性能进行了测试并进行了对比。结果表明:球压痕法能够准确、基本无损地测出试验钢的拉伸性能,其结果与常规拉伸试验结果比较符合,屈服强度和抗拉强度的最大误差分别为6.8%和1.9%。     

焊核区域材料塑性参数的反演识别

焊核区域材料塑性参数在工程设计中十分重要,受试样尺寸限制,其无法通过简单的拉伸试验确定。针对该问题,提出了一种基于粒子群算法与维氏硬度试验的材料塑性参数反演识别方法。该方法中,使用指数材料模型,通过粒子群算法使维氏硬度试验得到的下压过程的力-深度曲线与优化得到的仿真曲线之间的差异最小化,反演得到材料的塑性参数,算法收敛速度快,结果精度高;并与单轴拉伸试验曲线拟合参数进行对比,验证了该研究方法的有效性。     

球形压痕表征应力应变法测金属材料的力学性能

利用Matlab的优化函数改进了表征应力应变法的优化条件,并优化了表征应力应变法的计算流程,同时利用改进的弹塑性方程对屈服强度σy、应变硬化指数n和弹性模量E三个参数同时进行优化,从而确定了材料的力学性能参数,之后采用球形压痕表征应力应变法对P91钢的力学性能进行测试,并与单轴拉伸试验结果进行对比。结果表明:与单轴拉伸的试验结果相比,采用球形压痕表征应力应变法测得P91钢力学性能的精度较高,最大偏差值为12.11%。     

基于纳米压痕的激光修复层晶体材料常数反演方法

为了研究裂纹激光修复层的细观力学行为,利用纳米压痕试验确定激光修复层晶体塑性材料常数.首先,运用纳米压痕仪获得添加304不锈钢粉末及其质量分数为5％的纳米WC的激光修复层的载荷-位移曲线.然后,运用纳米压痕的常规有限元模型对修复层材料的宏观弹塑性参数进行求解,通过堆积/沉陷参数对试验载荷-位移曲线进行修正.最后运用拉伸...     

Ag-GNSs/SnAgCu钎料纳米压痕变形行为研究

为了研究Ag-GNSs/SnAgCu钎料在微纳米尺度下的变形行为,采用恒加载速率/载荷法在室温下对复合钎料进行纳米压痕试验,通过载荷-压痕深度曲线分析,并结合压痕形貌,研究载荷-压痕深度曲线中出现屈服台阶(pop-in)现象的机制,以及复合钎料在纳米压痕试验中的变形情况。结果表明,载荷-深度曲线中存在的"pop-in"是由于纳米压痕过程发生了弹塑性变形的转变。弹塑性转变与位错的形核与生成有关,并且通过透射电子显微镜在压痕点附近观察到交错的位错网络。通过观察复合钎料的压痕形貌,发现了压痕附近存在明显的凸起现象,这与材料的屈服应力与弹性模量之比有关。凸起现象将导致通过Oliver-Pharr方法计算的接触面积比实际值小,而引起纳米压痕试验方法测量的硬度和弹性模量数值偏大。应用"半椭圆模型"对产生凸起现象的接触面积进行修正,再基于Oliver-Pharr方法求得硬度和弹性模量,修正后的结果与修正前相比,硬度降低了18.3%,弹性模量降低了9.5%。     

连续球压痕测定常用叶轮材料力学性能的研究

分析了连续球压痕法测试材料力学性能的原理,并以不同状态的压缩机叶轮常用钢材FV520B和KMN为对象,采用连续球压痕试验与常规拉伸试验相结合的方法,测定了材料抗拉强度和屈服强度等力学性能。总结出了连续球压痕测量FV520B和KMN屈服强度的拟合方程。论证了连续球压痕试验测定再制造修复后叶轮力学性能的可行性。     

自动球压痕法估测Q235B钢的断裂韧度

自动球压痕法作为一种可以用来测量材料力学性能的新方法,近年来已经得到越来越多的研究。为了探讨自动球压痕法对于估算金属材料断裂韧度的适用性,以常用碳素结构钢板Q235B为试验材料,对其进行自动球压痕试验,并与常规断裂试验测量值对比,结果表明,自动球压痕试验与常规断裂试验测量的断裂韧度值偏差在10%之内,可以用该方法估测Q235B钢的断裂韧度。     

5083铝合金在400℃的超塑性变形行为和硬化特征

为研究5083铝合金在500℃以下的超塑性,在400℃进行了恒应变速率拉伸试验,获得了应变硬化指数n及应变速率敏感性指数m,分析了应变速率.ε对伸长率δ,n和m值的影响。结果表明:在400℃时5083铝合金可获得的最大伸长率为278%,对应的.ε=0.000 26 s-1,n=0.122,m=0.274;n随应变速率增大而减小,δ和m随应变速率增大先增大后减小,其中δ受应变速率影响显著。     

温度及应变速率对TWIP钢拉伸性能的影响

通过拉伸试验研究了温度和应变速率对孪生诱发塑性(TWIP)钢拉伸性能的影响。结果表明:随着温度升高,TWIP钢的强度逐渐下降,断后伸长率逐渐增加,应变硬化指数随真应变增加达到并维持在较高的水平,试验钢的均匀变形能力得到提高,宏观塑性增加;随应变速率增大,试验钢的流变应力升高,断后伸长率下降,抗拉强度基本保持不变,应变硬化率曲线上的平台区长度明显变短,这表明孪生受到抑制,较早达到硬化极值;应变硬化指数峰值随应变速率的增大而减小,TWIP钢的均匀变形能力及宏观塑性下降。     

微载荷连续球压痕法评价金属材料的屈服强度和应变硬化指数

对现有球压痕测试材料力学性能的方法进行改进,采用连续循环加载方法代替多点单次加载方法得到金属材料的载荷深度曲线,通过量纲分析和有限元分析拟合出压头压入金属材料过程中的无量纲函数及对应的表观应变函数,并得到不同金属材料的弹塑性参数和应力-应变曲线,通过试验数据对其进行了验证。结果表明:通过该方法计算得到的金属材料弹塑性参数与试验数据的误差均为5%左右,且两者的应力-应变曲线基本吻合。     

双相不锈钢各组相循环变形行为的纳米压痕试验和有限元表征方法研究

对双相不锈钢的奥氏体相和铁素体相,分别开展了不同加载模式(接触载荷和压入位移)和不同加载波形下的单向、循环纳米压痕试验,对比分析了两相的基本力学性能和压痕循环变形行为的演化规律。基于压痕试验结果和修正ABDEL-KARIM-OHNO非线性随动硬化准则的弹塑性本构模型,提出一套双相不锈钢奥氏体相和铁素体相的塑性和循环塑性行为的本构模型参数表征方法。通过对微结构代表性体积单元整体拉伸和循环变形行为进行模拟,并与宏观试验结果对比,验证了参数表征方法的合理性。研究结果表明,铁素体相的强度、硬度和抗棘轮变形的能力均高于奥氏体相,两相之间通过晶界产生一定的交互作用;在接触载荷控制的循环加载条件下,奥氏体相与铁素体相均产生明显的压痕棘轮现象,且载荷水平越高压痕棘轮变形程度越大;所发展的本构模型参数表征方法可为研究多相材料各组相、小体积材料的循环变形行为提供借鉴和参考。     

微型管拉伸过程的晶体塑性有限元模拟及材料参数拟合

采用晶体塑性有限元模拟微型管件的拉伸试验,通过匹配模拟得到的拉伸曲线和实验得到的拉伸曲线来确定微型管件材料的晶体本构方程的各项参数,为后续的微形管件液压成型工艺的数值模拟提供材料参数,具有重要的工程意义。