[发明专利]一种反复加卸载球形压头压入获取材料单轴应力-应变关系的方法

说明书

本发明涉及在役工程结构材料单轴应力‑应变关系的测试领域，尤其是一种反复加卸载球形压头压入获取材料单轴应力‑应变关系的方法。首先采用硬质材料球形压头，以N次准静态反复加卸载方式，压入被测材料光滑表面，获取连续的压入载荷P‑压入深度h曲线，然后在压入试验完成后测量残余压痕凹坑周边的塑性区半径r_p，并用本发明方法处理数据绘制出与单轴力学性能试验结果类似的应力σ‑应变ε散点图。本发明克服了现球形压头压入试验技术依赖于特定本构关系所导致的被测试材料范围的局的场合限性，及现球形压头压入试验技术中需要通过大量有限元模拟结果或实验结果经验总结，费时费力和拟合结果的不可靠等不足，有利于球形压头压入试验技术的推广应用。

一、技术领域

本发明涉及在役工程结构材料单轴应力-应变关系的测试领域，尤其是一种反复加卸载球形压头压入获取材料单轴应力-应变关系的方法。

二、背景技术

单轴应力-应变关系是确定材料屈服强度、抗拉强度和断裂韧度的基础，对于在役工程零构件的结构完整性评估有着至关重要的作用。传统单轴拉伸或单轴压缩的单轴力学性能获取方法需要按照标准尺寸进行破坏性的取样，因而无法全面适用于在役工程结构。此外，传统单轴力学性能试验对于试样尺寸的要求也限制了它们在诸如焊缝区和热影响区等局部材料力学性能评估上的应用。

球形压头压入试验此前被用于材料布氏硬度及B标尺洛氏硬度的测定。1992年，G.Pharr等人在期刊《Journal of materials research》第3期上发表了名为“On thegenerality of the relationship among contact stiffness,contact area,andelastic modulus during indentation”的论文，文中提出了利用球形压头压入试验的压入载荷P-压入深度h曲线卸载斜率获取材料杨氏模量E的卸载斜率方法。自此，球形压头压入试验逐渐被应用于材料单轴力学性能的获取。尽管球形压头压入试验易于实施，但球形压头下方材料却不像单轴力学性能试验中那样处于简单的单向应力状态，因此球形压头压入试验主要通过经验公式法、基于有限元模拟的数值方法及半解析法获取材料单轴力学性能。

1997年，T.Byun等人在期刊《International Journal of Pressure Vessels andPiping》第3期上发表了名为“Measurement of through-the-thickness variations ofmechanical properties in SA508Gr.3pressure vessel steels using ballindentation test technique”的基于经验公式获取材料单轴应力-应变关系的压入试验方法。该方法通过包含反复加卸载的球形压头压入试验，利用基于退火铜和碳钢等材料总结的表征应变-表征应力估算公式计算材料的真塑性应变ε_p-真应力σ_t关系，如式(1)和式(2)；

式中，D和d_P分别为球形压头直径和残余压痕凹坑的投影直径，ψ为约束因子，并可以由式(3)计算；

式中，为塑性区发展参数并通过式(4)计算；