[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

摘要

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。

主权项

1.一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，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，其特征在于，在球形压头压入试验完成后测量残余压痕凹坑周边的塑性区半径rp，然后用以下方法获取材料单轴应力‑应变关系，方法步骤如下：[1]、计算材料的比例极限σ0和比例应变极限ε0，根据式(9)计算材料的比例极限σ0和比例应变极限ε0；式中，E为被测试材料的杨氏模量，可以通过Pharr‑Oliver的卸载斜率法得到；Pmax为压入试验中的最大压入载荷；rp为残余压痕凹坑周边的塑性区半径；[2]、拟合卸载斜率S⁽ⁱ⁾和残余压痕深度根据式(10)，对压入载荷P‑压入深度h曲线的卸载曲线段进行拟合，得到第i次压入循环的残余压痕深度和卸载斜率S⁽ⁱ⁾；[3]、计算第i次压入循环的压痕回弹深度根据式(11)计算第i次压入循环的压痕回弹深度式中，为第i次压入循环的最大压痕深度；[4]、计算残余凹坑曲率半径根据式(12)计算残余凹坑曲率半径式中，R为球形压头半径；[5]、计算第i次压入循环中外力所做的弹性功W_e⁽ⁱ⁾和塑性功分别根据式(13)和式(14)计算第i次压入循环中外力所做的弹性功W_e⁽ⁱ⁾和塑性功式中，和分别代表第i次压入循环加载和卸载时的压入载荷‑压入深度曲线；[6]、计算第i次压入循环的等效应力根据式(15)计算第i次压入循环的等效应力式中，为第i次压入循环的最大压入载荷；为第i次压入循环的残余凹坑曲率半径；a为接触半径，E_ind和v_ind分别为的球形压头材料杨氏模量和泊松比；[7]、计算第i次压入循环的等效应变增量根据式(16)计算第i次压入循环的等效应变增量式中，和分别为第i次和第i‑1次压入循环中外力所做的塑性功；和分别为第i次和第i‑1次压入循环的最大压入载荷；和分别为第i次和第i‑1次压入循环的等效应力；[8]、计算第i次压入循环的等效应变根据式(17)计算第i次压入循环的等效应变式中，为第i‑1次压入循环的等效应变，为第i次压入循环的等效应变增量；[9]、按步骤1求取的比例极限σ₀‑ε₀，按步骤6和步骤8分别求取的等效应力和等效应变即可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。