延性金属材料准静态力学性能的球压头压入测算方法研究

摘要

以单轴拉伸性能和断裂韧度为代表的准静态力学性能是材料最为常用和基本的力学性能指标，它们的准确测算对于在役设备的结构完整性评估及服役寿命延长具有重要意义。然而，传统的单轴拉伸试验和断裂韧度试验均需要破坏性取样，无法应用于在役设备之上。研究无需取样的准静态力学性能测试技术，是在役设备结构完整性评估及服役寿命延长的试验基础。因此，作者以得到广泛关注的球压头压入试验为测试手段，修正了广泛应用于有效弹性模量计算的Pharr-Oliver模型，研究了试样材料的弹塑性变形行为与损伤机理，验证了有效弹性模量表征压入损伤的有效性。建立起非预设本构方程的室温单轴力学性能测算模型，提出了确定材料高温软化指数的单调加载球压头压入试验方法。探讨了压入损伤与断裂试验试样材料损伤机理的相似性，建立起符合材料损伤机理的断裂韧度能量释放率模型，为延性金属材料准静态力学性能的球压头压入测试提供了理论支撑。 在考虑试样材料塑性变形的基础上对广泛应用于有效弹性模量计算的Pharr-Oliver模型进行了修正，使其更加符合延性金属材料的实际压入过程。通过三维轮廓扫描，观察了残余压痕边缘的堆积、沉陷现象，探讨了堆积、沉陷现象对有效弹性模量计算结果的影响并提出了确定堆积/沉陷系数的方法，进一步提高了有效弹性模量的计算精度，为单轴力学性能及断裂韧度的球压头压入测试奠定了基础。基于有限元模拟结果，确定了摩擦导致的剪应力集中分布是损伤集中于“翅状”区域的原因。利用卸载曲线不同阶段的卸载斜率，分析了有效弹性模量缩减与损伤出现位置的关联，验证了通过有效弹性模量缩减表征试样材料压入损伤的有效性。 通过将塑性区与核心区视为整体对膨胀孔洞模型做出简化，避免了因关联平均接触压力pm与核心区均布内压pi而导致的计算误差。引入数字图像相关(DIC)方法测试了压痕塑性区半径rp以确定试样材料比例极限σ0，建立起弹、塑性应变能增量到等效应力-等效应变增量间的映射函数，提出了不依赖于特定本构方程的单轴应力-应变球压头压入测算模型。对比显微镜及远心镜头不同应变阈值下的σ0计算结果发现，对于显微镜获取的图像，应变阈值的设置需要考虑镜头畸变和离面位移，必须根据堆积、沉陷情况设置不同的应变阈值;而对于远心镜头获取的图像，应变阈值的设置仅需要考虑镜头畸变，因此可以将不同材料的应变阈值视为定值。与室温单轴拉伸试验结果相比，屈服强度Rp0.2和抗拉强度Rm的室温球压头压入试验误差均小于5％，具有可靠的室温单轴力学性能测试精度。 基于膨胀孔洞模型及Johnson-Cook本构方程，研究了高温情况下试样材料的弹塑性变形行为，建立起通过单调加载球压头压入试验确定材料参数和高温软化指数的压痕控制方程。通过分析位移传感器置于环境箱内、外时卸载斜率的差异，得到了室温下的机架柔度，并结合高温下机架材料弹性模量缩减，进一步确定了高温下的机架柔度。对比了第四章所述增量模型与第五章所述压痕控制方程在室温单轴应力-应变关系确定中的精度差异，分析了基于膨胀孔洞模型及Johnson-Cook本构方程推导的压痕控制方程在材料室温单轴应力-应变计算中的误差来源。与高温单轴拉伸试验结果相比，通过高温球压头压入试验测算的高温软化指数最大误差仅约10％，屈服强度和抗拉强度计算结果的最大误差均不超过20％，且测试结果具有良好的可重复性，可以满足工程应用需求。 基于有限元模拟及理论分析对不同试样的应力三轴度进行分析，分析结果表明:Ⅰ型断裂试样（紧凑拉伸试样）裂纹尖端始终处于高应力三轴度，Ⅱ型断裂试样（Arcan试样）裂纹尖端、单轴压缩试样和压入试样‘翅状’区域始终处于低应力三轴度，单轴拉伸试样中心区域存在由过渡应力三轴度向高应力三轴度的转变。配合扫描电镜观察结果发现，高应力三轴度与低应力三轴度下材料损伤及断裂机理表现出明显的差异性，但在应力三轴度相似情况下，预制裂纹试样与非预制裂纹试样的损伤机理存在相似性，揭示了通过非预制裂纹试样测算材料断裂韧度的合理性。基于损伤力学方法，提出了非预制裂纹试样测试中等效裂纹面积和势能释放的确定方法，拟合了球压头压入试验中的能量释放率，并与单轴拉伸及单轴压缩试验中的能量释放率拟合结果进行对比，对比结果表明有着相同损伤机理的球压头压入试验和单轴压缩试验表现出几乎相同的能量释放率，而单轴拉伸试验则表现出完全不同的能量释放率。基于能量释放率的断裂韧度测算模型具有明确的物理意义以及很高的可重复性，且测算出的断裂韧度与传统紧凑拉伸试验结果相比最大误差不超过10％，可以满足工程应用的稳定性和精度需求。 综上所述，在考虑卸载前试样材料塑性变形的基础上对广泛应用于有效弹性模量计算的Pharr-Oliver模型进行了修正，分析了球压头压入试验中试样材料的损伤来源及其与有效弹性模量缩减间的关联，验证了利用有效弹性模量缩减表征试样材料损伤的有效性。研究了试样材料的弹塑性变形行为，在考虑室温与高温球压头压入测试特征的基础上，建立起非预设本构方程的材料室温单轴力学性能测算模型，并提出了确定材料高温软化指数的单调加载球压头压入试验方法。探讨了含预制裂纹试样裂纹尖端材料与非预制裂纹试样材料损伤机理的相似性，揭示了利用非预制裂纹试样测算材料断裂韧度的合理性。应用损伤力学方法确定了非预制裂纹试样试验中的能量释放率，提出了符合材料损伤机理的断裂韧度球压头压入测算模型。上述研究为延性金属材料准静态力学性能的球压头压入测试提供了理论支撑，对在役设备结构完整性评估及服役寿命延长具有重要意义。

目录

声明

摘要

符号及英文缩写说明

第1章绪论

1．1研究背景

1．2研究现状

1．2．1材料单轴力学性能的压入试验

1．2．2材料断裂韧度的压入试验

1．2．3延性金属材料的损伤及表征

1．2．4延性金属材料的高温软化及表征

1．3问题提出及研究意义

1．3．1问题提出

1．3．2研究意义

1．4研究内容

第2章试验方法与过程

2．1试验材料

2．2常规力学性能试验

2．2．1单轴拉伸试验

2．2．2单轴压缩试验

2．2．3 Ⅰ型断裂试验

2．2．4 Ⅱ型断裂试验

2．3球压头压入试验及压痕塑性区半径测量

2．3．1球压头压入试验

2．3．2压痕塑性区半径测量

2．4损伤机理微观观测

2．5本章小结

第3章Pharr-Oliver模型修正及压入损伤的有效弹性模量表征

3．1计算有效弹性模量的Pharr-Oliver模型修正

3．2压入过程有限元模拟

3．2．1几何模型和边界条件

3．2．2摩擦系数选取

3．2．3网格无关性验证

3．2．4残余压痕面假设的可靠性验证

3．3堆积／沉陷现象研究

3．3．1堆积／沉陷现象

3．3．2堆积／沉陷现象对有效弹性模量计算的影响

3．3．3堆积／沉陷系数的确定

3．4压入损伤的有效弹性模量表征

3．4．1压入损伤观测

3．4．2压入损伤的来源

3．4．3有效弹性模量表征压入损伤的有效性验证

3．5本章小结

第4章非预设本构下材料室温单轴力学性能的增量模型

4．1．1简化的膨胀孔洞模型

4．1．2压入过程能量分析

4．1．3基于微分原理的单轴应力-应变测算

4．2屈服强度和抗拉强度

4．2．1本构方程的选取

4．2．2屈服强度和抗拉强度的确定

4．3测量系统应变阈值研究

4．3．1应变阈值的意义

4．3．2应变阈值对比例极限计算结果的影响

4．4试验结果与讨论

4．4．1室温单轴力学性能测算结果

4．4．2误差分析

4．5本章小结

第5章基于修正Johnson-Cook方程的材料高温单轴力学性能测算模型

5．1材料高温单轴力学性能的正向求解

5．1．1压痕控制方程

5．1．2余项误差

5．2材料高温单轴力学性能的逆向求解

5．3压入试验系统高温柔度校正

5．4试验结果与讨论

5．4．1高温单轴力学性能测算结果

5．4．2误差分析

5．5本章小结

第6章考虑材料损伤机理的室温断裂韧度能量释放率模型

6．1应力三轴度分析

6．1．1 Ⅰ型断裂试样预制裂纹尖端应力三轴度

6．1．2 Ⅱ型断裂试样预制裂纹尖端应力三轴度

6．1．3单轴拉伸试样的应力三轴度

6．1．4单轴压缩试样的应力三轴度

6．2延性金属材料损伤机理研究

6．2．1高应力三轴度下材料损伤机理

6．2．2低应力三轴度下材料损伤机理

6．2．3预制裂纹试样与非预制裂纹试样损伤机理相似性

6．3能量释放率模型

6．3．1球压头压入试验中的能量释放率

6．3．2能量释放率模型验证

6．4试验结果与讨论

6．4．1紧凑拉伸试验结果

6．4．2基于能量释放率模型的断裂韧度测算结果

6．4．3误差分析

6．5本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表论文、参与课题及奖励情况