[发明专利]一种基于载荷-深度曲线获得金属材料力学性能的方法

摘要

一种基于载荷-深度曲线获得金属材料力学性能的方法，属于材料性能测试技术领域。其在确定采用大的压入深度比(深度h/压头半径R)的基础上，采用两种深度组合(h1＝0.1R、h2＝0.4R)，对三种弹性模量有明显差异的合金钢、铝合金和钛合金工程材料进行分别处理，得到各自的材料性能系数，引入反映硬化指数效应的球因子S，得到无量纲函数和W/(h3σrS)与E*/(σrS)之间的关系式。通过本发明中采用有限元数值模拟得到的各个系数及材料的本构关系，最终确定所测试材料的力学性能。通过本发明获得的结果更准确，方法易用、快捷。适用于符合幂次定律的工程结构材料。

主权项

1.一种基于载荷-深度曲线获得金属材料力学性能的方法，所述金属材料的本构关系符合幂次定律，其特征在于包括如下步骤：(1)用球形压头对已知弹性模量的材料进行测试，得到载荷-深度曲线，即P-h曲线；(2)通过对合金钢、铝合金和钛合金三种弹性模量明显不同的工程材料进行有限单元法数值模拟，确定新的代表应变，使得在此应变下加工硬化指数n＝0.4与n＝0.5的无量纲函数W/(h³σ_r)与E^*/σ_r的关系曲线相互重合，引入反映n值的球因子参数S后的无量纲函数式表示如下：Wh3σrS=(1meE*σrS+1mp)-1]]>其中：球因子参数S与应变硬化指数n之间的关系式为：S＝1+A₁×n+A₂×n²+A₃×n³上式中A₁、A₂、A₃是与h/R有关的第一、第二、第三系数，通过对所述金属材料有限单元法数值模拟得到如下表1所示的范围：表1：上式中弹性限因子m_e和塑性限因子m_p通过下式确定：me=KRh,]]>mp=M×Rh+N;]]>K、M、N为与h/R有关的第四、第五、第六系数，具体数值如表2：表2：KMN合金钢0.742713.0741-6.6249铝合金0.636212.9907-6.3791钛合金0.691512.3941-4.6604(3)根据步骤(1)所测得的曲线，确定两个不同压入深度h₁、h₂对应的功W₁、W₂，通过步骤(2)的公式联立方程组确定代表应力σ_r1、σ_r2：W1h13σr1S=(1me1E*σr1S+1mp1)-1]]>W2h23σr2S=(1me2E*σr2S+1mp2)-1]]>(4)由所述金属材料的本构方程组确定材料的屈服强度σ_y和硬化指数n：σr1=σy(Eσy)n(ϵr1+σr1E)n]]>σr2=σy(Eσy)n(ϵr2+σr2E)n]]>其中：两个不同压入深度对应的代表应变ε_r1、ε_r2由下式确定：ϵr=C1+C2×hR+C3×(hR)2]]>所述C1、C2、C3分别为金属材料的第七、第八、第九系数，具体数值如表3：表3：C₁C₂C₃合金钢0.00720.0862-0.0166铝合金0.00770.0781-0.0055钛合金0.00610.0868-0.0301(5)确定所述金属材料的抗拉强度σ_U：σU=σy(Eσy)n(n2.718)n]]>其中：W为压入深度所做的功，W₁、W₂分别为不同压入深度所做的功，E^*为简约模量，E为所述金属材料弹性模量，m_e为压入深度对应的弹性限因子，m_e1、m_e2为不同压入深度对应的弹性限因子，m_p为压入深度对应的塑性限因子，m_p1、m_p2为不同压入深度对应的塑性限因子，S为压入深度反映硬化指数n变化规律的球因子参数，n为硬化指数，σ_r为代表应力，σ_r1、σ_r2为不同压入深度的代表应力，h为压入深度，h₁、h₂为不同的压入深度，p为载荷。