压痕法测试金属材料力学性能理论.pptx
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1、先进仪器压痕法(先进仪器压痕法(AIS)北京春秋阳光环保科技有限公司北京春秋阳光环保科技有限公司AIS测试原理简介测试原理简介1、强度、强度2、断裂韧性、断裂韧性3、残余应力、残余应力压痕法简介压痕法简介 压痕法被广泛应用于研究材料的屈服强度、抗拉强压痕法被广泛应用于研究材料的屈服强度、抗拉强度、加工硬化指数、弹性模量、残余应力以及断裂韧性。因度、加工硬化指数、弹性模量、残余应力以及断裂韧性。因此,它实现了在役设备材料拉伸性能的连续性监控,以及对此,它实现了在役设备材料拉伸性能的连续性监控,以及对在役设备的结构完整性评估提供了可靠的保障。在役设备的结构完整性评估提供了可靠的保障。试验过程主要是
2、采用控制位移或者控制载荷方法,试验过程主要是采用控制位移或者控制载荷方法,记录整个试验过程中的试验力记录整个试验过程中的试验力F,相应的压痕深度,相应的压痕深度h和时间。和时间。试验结果是一组关于试验力及相应的压痕深度的函数。试验结果是一组关于试验力及相应的压痕深度的函数。强度强度拉伸性能的测试步骤拉伸性能的测试步骤载载荷荷荷荷-深度曲深度曲深度曲深度曲线线接触深度接触深度接触深度接触深度真真真真实应实应力、真力、真力、真力、真实应变实应变本构方程本构方程本构方程本构方程应应力力力力-应变应变曲曲曲曲线线拉伸性能拉伸性能拉伸性能拉伸性能开始开始开始开始结结束束 在仪器压痕技术中,为了确定材料的
3、机械性能,首先要确定材料与压头的接触面积。由于压头较小,很难直接测量压痕的大小。但是,接触面积与接触深度和压头的几何形状存在一定的关系,因此确定压痕试验的接触深度至关重要,压痕深度可以通过载荷-深度曲线中获得。1、通过接触深度确定接触面积、通过接触深度确定接触面积载载荷荷荷荷-深度曲深度曲深度曲深度曲线线接触深度接触深度接触深度接触深度真真真真实应实应力、真力、真力、真力、真实应变实应变本构方程本构方程本构方程本构方程应应力力力力-应变应变曲曲曲曲线线拉伸性能拉伸性能拉伸性能拉伸性能开始开始开始开始结结束束束束 在压痕试验过程中,压头下的材料伴随着弹性变形和塑性变形,在确定压痕深度的过程中,必
4、须考虑挤出和凹陷现象。通过接触力学的方法确定弹性变形的深度hd:Lmax是载荷-深度曲线上的最大载荷,是压头形状参数。这里S是刚度,即初始卸载曲线的斜率。塑性变形与弹性变形的分析不尽相同,在塑性变形区域中,压头下材料存在一定的挤出和凹陷的现象。大多数研究已经表明,塑性区域的挤出和凹陷现象与加工硬化指数n和最大压痕深度hmax与压头半径R比值存在一定的关系,因此材料表面的塑性行为可以表示为公式,可以通过有限元分析方法得出hpile:这里hpile是塑性挤出高度,hc是接触深度,R是球的半径。压头与材料的接触面积如下式所示:压头与材料的接触面积如下式所示:2、确定真应力和真应变、确定真应力和真应变
5、载载荷荷荷荷-深度曲深度曲深度曲深度曲线线接触深度接触深度接触深度接触深度真真真真实应实应力、真力、真力、真力、真实应变实应变本构方程本构方程本构方程本构方程应应力力力力-应变应变曲曲曲曲线线拉伸性能拉伸性能拉伸性能拉伸性能开始开始开始开始结结束束束束 在压痕试验中,运用球形压头来测试拉伸性能,可以通过不断变化的应力场来确定应力和应变。当材料与压头接触时,弹性变形能在卸荷后完全恢复。但在使用球形压头的情况下,在其中发生的初始弹性弹塑性变形的间隔是极其之短,因此,可以认为是完全塑性变形,并提出了平均压力(由压痕载荷和接触面积转化而来的)和真应力之间的关系,如下式所示:这里是塑性约束因子,Ac是接
6、触面积,L是载荷。应变与材料本身无关,与压头和材料的接触角度有一定的关系。可以运用如下正切函数来表示应变:这里可以通过有限元分析法获得,是压头和材料的接触角度3、确定本构方程、确定本构方程载载荷荷荷荷-深度曲深度曲深度曲深度曲线线接触深度接触深度接触深度接触深度真真真真实应实应力、真力、真力、真力、真实应变实应变本构方程本构方程本构方程本构方程应应力力力力-应变应变曲曲曲曲线线拉伸性能拉伸性能拉伸性能拉伸性能开始开始开始开始结结束束束束 在压痕试验中,所测试的应力和应变存在一定的关系。试验过程中,所获得的应力和应变能很好的符合在多点拉伸试验的本构方程,并通过该方程绘出真应力和真应变曲线。在材料
7、的塑性变化过程中,霍格蒙方程涵盖了大部分普通金属材料,表示为幂指数关系。但是,奥氏体材料存在简单的线性关系,如下式所示。这里K是常量,n为加工硬化指数。载载荷荷荷荷-深度曲深度曲深度曲深度曲线线接触深度接触深度接触深度接触深度真真真真实应实应力、真力、真力、真力、真实应变实应变本构方程本构方程本构方程本构方程应应力力力力-应变应变曲曲曲曲线线拉伸性能拉伸性能拉伸性能拉伸性能开始开始开始开始结结束束束束应力应变曲线的绘制应力应变曲线的绘制4、确定材料的拉伸性能载载荷荷荷荷-深度曲深度曲深度曲深度曲线线接触深度接触深度接触深度接触深度真真真真实应实应力、真力、真力、真力、真实应变实应变本构方程本构
8、方程本构方程本构方程应应力力力力-应变应变曲曲曲曲线线拉伸性能拉伸性能拉伸性能拉伸性能开始开始开始开始结结束束束束 从本构方程来看,屈服强度是通过0.2%的条件屈服强度和方程式的常数A之间的关系来确定的。极限抗拉强度通过代表性的应变和基于张力不稳定性的相应的加工硬化指数计算而来的。断裂韧度断裂韧度断裂测试断裂测试裂纹扩展直到断裂裂纹扩展直到断裂压头压头仪器压痕测试仪器压痕测试无裂纹无断裂无裂纹无断裂压痕法测试断裂韧性压痕法测试断裂韧性断裂测试和仪器压痕测试的联系是什么断裂测试和仪器压痕测试的联系是什么?以金属为例以金属为例,16 实际上,压痕断裂韧性主要是研究陶瓷材料,陶瓷材料在压痕试验中,在
9、压痕载荷下存在实际裂纹。许多研究者研究压痕裂纹与试样传统断裂试验的裂纹长度上的关系。然而,在金属的情况下,不发生在压痕开裂。因为这个原因,许多研究人员试图了解压痕临界点与裂试验裂纹扩展的联系。我们通过以下理论,确定断裂试验和压痕测试试验之间的关系。约束条件约束条件裂纹尖端处裂纹尖端处塑性区域受到弹性区域的限制塑性区域受到弹性区域的限制压头下压头下 相似的约束条件相似的约束条件 裂纹尖端处存在应力约束效应,同样,在压头下压的过程中,在压头下也存在一定的应力约束效应。通过分析相同约束条件,可以找出裂纹扩展时与压痕试验临界断裂点之间的联系。R=250mIndenterMaterial:API X70
10、loading2.1 3.22.3 3.0裂纹尖端处的三轴应力与压头下的三轴应力相似裂纹尖端处的三轴应力与压头下的三轴应力相似单边切口悬臂梁单边切口悬臂梁(SENB)压痕法(压痕法(Indentation)19 运用有限元方法分析了裂纹尖端处和球形压头下方材料的应力状态。这些结果表明,球形压头下材料与裂纹尖端处的应力集中现象是相似的。因此,在特定的深度下,球形压头下的材料变化与裂纹尖端处材料的变化相似。压痕法测试断裂韧性压痕法测试断裂韧性相似的情况相似的情况21 我们比较了两种方法每一步的应力场的变化情况。在压头没有接触材料时,材料没有什么变化,这与裂纹尖端处的材料相似。在裂纹扩展的开始,裂纹
11、首先发生钝化现象,裂纹尖端处逐渐形成一个塑性区域。同时,随着载荷的不断增加,压头下的材料也在发生塑形变形。最后,可以研究不稳定裂纹在发生完全塑性变形时,裂纹的扩展能量与压头下材料发生完全塑形变形时压痕能量,存在何种关系。能量等效过程能量等效过程=裂纹扩展所需的能量压痕法所测试等效的断裂能量分析材料在压头下变化情况 通过分析压头下应力场来确定他们之间的联系。在压痕试验中,等效的断裂能量与裂纹扩展所需的能量存在一定的联系。因此,如何确定临界压痕点所具有的断裂能是关键。下压过程下压过程材料的表面开始出现塑形区域材料的表面开始出现塑形区域24 为了确定的临界点,应该分析压痕试验的全过程,在压痕试验中,
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