方法獲取材料力學性能在局部區域的結構基於Micro-indentation測試的準確分析

熱的或冷的處理會產生變化和非均勻材料的力學性能在本地處理區域的結構,和很難獲得這些地區的特定力學性能通過使用傳統的材料拉伸試驗。準確地得到當地地區的實際材料力學性能的結構,micro-indentation測試係統包含由電子萬能材料試驗設備已經建立。硬度計壓頭的位移傳感器和一群特殊micro-indenter總成。一個數值縮進反演分析方法,利用有限元分析軟件也提出了研究。基於上麵的測試係統和分析平台,一種方法獲得材料力學性能在當地地區提出了結構和建立。球壓痕試驗,結合執行能量法通過使用各種變化下的316 l奧氏體不鏽鋼力學性能不同的伸長。調查結果表明,材料力學性能和micro-indentation形態變化有明顯的相關性。與拉伸試驗結果相比,材料力學參數的偏差,如硬度H,硬化指數n的屈服強度σ_y,和其他人在5%通過壓痕試驗和有限元分析。它提供了一個有效和方便的方法獲取本地處理地區實際的材料力學性能的結構。

製造機械結構的過程,包括焊接和其他熱的或冷的過程,已經在工業領域廣泛采用(1,2]。據報道,金屬材料的機械性能會改變後的冷或熱處理(3,4]。因為當地參與冷熱處理很容易發生缺陷和故障,是一個關鍵領域的結構完整性分析(5]。和獲得特定的力學性能在這些局域結構的結構完整性分析將有助於進一步了解製造業的處理(6,7]。

十分重要的現實意義開發測試和標定方法獲得力學性能參數和非齊次焊接接頭材料的分布規律8]。壓痕試驗已被廣泛用作一種無損檢測方法,不影響繼續服務的設備和操作方便(9,10]。學者做過研究力學性能的測量壓痕法(11,12]。早在1961年,史迪威將軍et al。13)提出了確定力學性能通過使用生成的彈性回複通過硬度計壓頭壓入材料。Bulychev et al。14通過卸載)測量了接觸麵積荷載位移曲線的一部分,這對後來的壓痕硬度試驗奠定了基礎。Haggag et al。15]研究了縮進的代表菌株塑性區,並獲得一係列的關係,它扮演了一個至關重要的角色,在隨後的壓痕法研究描述的壓力和緊張。Das et al。16)的本構關係和強度特性研究兩個高強度低合金鋼在不同pre-strains使用連續球壓痕法。魏et al。17,18]nano-indentation用於研究金屬薄膜材料的應力-應變關係,並進行了詳細的表征不同金屬材料的機械性能。征服者et al。19)評估方法來推斷粉末流動性的球壓痕,和技術可以應用在非常低的負載使用小樣本數量。Zhang et al。20.,21]估計Q235B鋼的斷裂韌性自動球壓痕試驗。他們獲得的殘餘應力分布不同的奧氏體不鏽鋼材料通過縮進的分析過程。Pamnanil et al。22]研究了力學性能與不同的焊接方法焊接區域的高強度和低合金鋼結構通過球壓痕試驗。這些研究表明,可以由一個壓痕試驗獲得材料特性。

複雜的焊接熱循環將造成重大的改變材料的微觀結構和化學成分在焊接接頭中,也會產生一個複雜的焊接接頭局部應力狀態。代表熱或冷的效果處理的材料,當地材料力學性能的變化是由不同程度的拉伸變形摘要(23,24]。軋製後,擠壓、滾鍛,熱處理,和其他過程,由於晶體的擇優取向和力學行為的不同,會有不同的穀物,在材料微觀結構特性在不同的方向,導致不同的力學性能,產生行為,和塑性變形能力。材料生產的各向異性會導致不同的屈服行為和塑性變形的能力。我們簡化了加工硬化的材料生產過程中不同程度的拉伸變形的材料。當學習一個單一變量下的奧氏體不鏽鋼力學與不同的塑料硬化效果,法律上的各向異性幾乎沒有從壓痕試驗中獲得的結果。因此,我們不考慮各向異性的各種複雜的機械效應目前在這項研究中,我們還考慮研究材料是各向同性的。這樣的方法獲得材料機械性能結合球壓痕試驗和有限元反演”來形容316 l奧氏體不鏽鋼的機製進行了探討和研究。

一個外力的作用下,金屬將進行快速和瞬時彈塑性變形25]。在彈性變形階段,應力和應變之間的線性相關性。有一個功率比隨後的塑性變形的應力應變關係階段,稱為Hollomon關係。奧氏體不鏽鋼和鎳基合金廣泛應用於核電站的結構。這些金屬材料的應力-應變關係符合線性elastic-power硬化材料的應力-應變關係,這樣它就可以被表達的Hollomon方程。

的金屬硬化特征(26),應力-應變曲線可以被定義為:

在哪裏σ_y初始屈服應力;ε是總應變;ε_y初始屈服應變;ε_p塑性應變;E楊氏模量;K是強度的因素;n是應變硬化指數。

當σ˃σ_y、塑性應力σ可以表達的

微納米壓痕試驗主要包括兩個階段的裝卸。在加載階段,表麵硬度計壓頭輸入的樣本。該地區將經曆彈性變形。隨著外加負載逐漸增加,最多的區域相當大的彈性變形會進入彈塑性階段,在發生塑性變形(27]。

Oliver-Pharr方法通常用於通過壓痕法[獲得材料的機械性能28]。許多研究表明load-depth曲線主要是用於獲得硬度和楊氏模量等參數。塑料的力學性能階段主要是通過空間的方法。壓痕試驗的典型load-depth曲線如圖1。以球形壓頭壓痕試驗,圖2顯示了一個示意圖的縮進剖麵幾何測試材料。

在數據1和2,h_馬克斯load-depth曲線的最大深度值;P_馬克斯是最大荷載值;年代卸載曲線的斜率值最高;h_p是殘餘壓痕深度;h_c壓痕過程中接觸深度值;一個_c壓痕試驗的接觸半徑,R硬度計壓頭半徑的球。

對於一個給定的硬度計壓頭的形狀,材料的硬度值可以獲得的

在哪裏一個縮進接觸麵積,一個= 2πrh_c。

彈性接觸理論,我們忽略的影響方向,微觀材料的大小和邊界效應。的幾何尺寸的計量長度部分樣本遠遠大於最大壓痕深度。樣品的表麵是一個幾何平麵和被認為是各向異性材料,等

在哪裏E_它樣品材料的楊氏模量;ν樣品材料的泊鬆比;E_我硬度計壓頭材料的楊氏模量;ν_我硬度計壓頭材料的泊鬆比。鑽石通常是選為硬度計壓頭材料,E_我= 1140 GPa,ν= 0.07。

塑料參數識別的優化方法通常是用來計算塑料壓痕過程中的力學參數。通過大量材料的壓痕試驗模擬不同參數組合,輸入參數和輸出結果進行了優化和安裝。壓入可測量的參數和材料參數之間的關係,建立了和所需的力學參數是解決。基於應變定義特點,他泊(29日)獲得下麵的具體形式

在哪裏k = Eε^{1 -n}。

場等。30.根據情商)取對數。6)。

在哪裏\ (a = \√6 {2 rh - h ^ {2}} \),米=n+ 2,n可以從日誌的斜率計算P和日誌一個曲線。

為了簡化分析參數和識別參數之間的關係,同時減少測試誤差的敏感性,它已成為一個關心這種類型的方法。的準確性和穩定性分析方法和單軸拉伸試驗結果的比較驗證重要參與確定塑料力學性能。

球的硬度計壓頭,馬等。31日)建立了關係σ_y和W_u/W_t,然後建立了關係σ_b和W_u/W_t。在哪裏W_u卸貨工作,W_t是總在加載完成卸貨工作。

基於相關文獻的描述工作從load-depth獲得之間的關係曲線和材料的力學性能,研究重點是卸貨工作和總功之間的關係來預測材料強度性能。load-depth曲線是由塑料和彈性工作。兩個之和總縮進的工作。構圖的原理圖如圖3。

壓過程中所涉及的物理量包括材料參數(E,ν,σ_y,n),硬度計壓頭幾何參數(R),控製變量(h,h_馬克斯)。E和h選為基本量,壓痕載荷P,W_u,W_t所表達的基本數量。

在加載階段,負荷P可以表示為

根據總縮進工作的定義,

可以表示為卸貨工作

通過方程式。(8)- (10之間的關係),卸貨工作和總壓痕可以獲得工作

樣品製備

根據標準GB / T 228 - 2002, 316 l板滾成一個2毫米厚鋼板卷軋製機,然後切成40毫米×400毫米剪切機。鋼板在線切割機用於緩慢的電火花線切割,拋光的毛刺、加工銷孔。推出餐盤狀拉伸樣品的幾何尺寸如圖所示4。

樣品由u型夾頭夾夾緊和固定的上下液壓拋擲騎士- 500 kN電液伺服疲勞拉力試驗機。然後進行了單軸拉伸試驗。這是設置室溫試驗機的加載速率為2毫米/分鍾。和位移加載方法是在拉伸過程中使用。的計量長度部分樣本能到2毫米,4毫米和6毫米,分別。延伸率是10%,20%,30%,模擬材料的力學性能的變化冷熱處理。拉伸試驗的試樣夾緊關係圖如圖5。

去除表麵的劃痕,避免表麵粗糙度的影響樣品的測試結果,樣品的表麵是均勻沙600 #,1000 #,1500 #,2000 #水砂紙在測試之前。樣品需要在噴砂過程中旋轉90°。噴砂過程完成後,金相拋光機用於波蘭樣本。顆粒大小是1 W,樣本劃痕不明顯的拋光後顯微鏡。

圖6(一個)顯示316 l奧氏體不鏽鋼的工程應力-應變曲線與不同的冷加工率通過拉伸試驗獲得的。工程應力-應變曲線獲得轉變成一個真正的應力-應變曲線方程式。(12)- (13),如圖6(b)。

壓痕試驗的參數設置

壓痕試驗平台已被修改基於電子萬能材料試驗設備。圖7顯示了修改後的壓痕試驗平台。

壓痕試驗的加載係統平台采用電子驅動係統的電子萬能材料試驗設備,和上卡盤改進舉辦不同類型的硬度計壓頭。較低的查克是改為樣品平台,可以自動調整兩個維度。高精度位移傳感器安裝在硬度計壓頭的一邊。高精度位移傳感器的準確性是滿刻度的0.5%,分辨率達到0.1μm,其精度滿足要求的壓痕試驗。

壓痕試驗的參數設置球硬度計壓頭半徑,裝卸率、裝卸負載。測試平台的參數設置如下。

(1)球硬度計壓頭半徑

球硬度計壓頭不能大於三分之一的測試樣本。考慮到micro-loss壓痕測試技術的特點,硬質合金球形壓頭半徑的0.25毫米用於壓痕試驗,和它的尺寸精度±0.001毫米。

(2)裝卸率

加載速率設置為0.5毫米/分鍾,和卸貨率設置為0.1毫米/分鍾。加載過程需要很長時間,需要收集更多的數據。在卸貨過程中,壓痕深度的彈性回複主要是測量。因此,卸貨速度將快於加載速率,確保收集的數據在整個壓痕過程是更合適的。

(3)裝卸負載

加載負載設置為300 N,卸載負荷將3 N壓痕載荷與壓痕深度的0.1 - -0.2毫米之間需要150 - 300 N .卸載負荷隻需要縮進後反彈的過程。

縮進係統的設置相關參數後,球壓痕試驗進行測試材料不同的伸長得到壓痕反應的結果。

有限元分析軟件ABAQUS用於壓痕模擬試驗。壓痕過程是完全對稱的。為了便於計算,確保計算結果的有效性,建立了三維模型的四分之一。

在有限元反演,硬度計壓頭的半徑,測試樣品的厚度,和相關試驗參數的設置都是相應的壓痕試驗。

材料的彈塑性變形參數與不同的伸長得到從計算單軸拉伸試驗參數,和真正的應力應變值作為模型的材料參數。硬度計壓頭的材料參數的設定,楊氏模量設置為1×1031 GPa,和泊鬆比設置為0.3。在壓痕過程中,硬度計壓頭被設置為剛體。

縮進有限元模型是解決靜態力,和收斂性判據將位移判據。壓痕過程控製的位移控製。在有限元分析的步驟模塊,我們設置的最大數量增加1000,和初始增量大小設置為0.001。加載位移加載分析步驟是設置為0.2毫米,卸載位移在卸載分析步驟是0毫米。測試樣品的底部Y方向,硬度計壓頭將隻移動Y方向。在圖所示的邊界條件約束8。

的質量和數量在有限元網格計算的結果分析至關重要。網格的質量直接影響模擬計算的準確性。合理的網格可以有效地提高有限元模型的計算效率。在這個模型中,網格是一個三維的元素網格的大小(CPS4R)和部門單位的總數是44910。接觸部分的網格的樣品硬度計壓頭需要改進。網格細化模型如圖9。

有限元反演的分析步驟是預壓過程中,壓入過程,和卸貨過程。設置預加載步驟主要要求硬度計壓頭接觸樣品縮進過程中,以確保準確性。壓入一步設置位移控製。設置卸載步驟主要是計算材料的力學性能在彈性階段。在接觸分析中,硬度計壓頭之間的摩擦係數和示例設置為0.3。

壓痕試驗結果

load-depth曲線獲得的奧氏體不鏽鋼的壓痕試驗沒有變形,10%,20%,30%的壓痕載荷下伸長0 - 300 N如圖10。

從圖可以看出10的裝卸趨勢曲線大致相同。曲線的斜率在加載階段逐步提高隨著變形程度的增加。在卸載階段,單位麵積上的負載值也逐漸增加。

預變形後的奧氏體不鏽鋼材料,load-depth曲線明顯轉向左邊,表明預變形後材料變得困難,導致反應較小的縮進和一個較小的殘餘壓痕深度值。

材料殘餘壓痕形貌的變化與不同的伸長後的金相顯微鏡觀察到壓痕試驗圖所示11。

比較材料的壓痕形貌不同的伸長圖11,我們可以看到,塑性變形隨預變形條件下,塑料性能和縮進反應減少,所以壓痕深度和壓痕麵積減少。

當材料不拉伸,材料的塑性強,抗壓痕變形能力是弱。壓痕麵積是0.229毫米²的殘餘壓痕深度為0.117毫米。預變形的逐漸增加,材料加工硬化的影響,壓痕深度的壓痕麵積和壓痕測試是降低。延伸率為30%時,壓痕麵積是0.118毫米²和壓痕深度為0.028毫米。

根據load-depth曲線的參數和縮進概要信息,316奧氏體不鏽鋼的硬度值在不同伸長圖所示12。可以看出,材料的硬度逐漸增加而增加的伸長。

隨著預變形的程度逐漸增加,材料的壓痕硬度也增加。材料不是pre-deformed時,壓痕硬度是424 MPa;延伸率為30%時,壓痕硬度達到833 MPa。

奧氏體不鏽鋼的塑料機械參數獲得的壓痕法主要依靠load-depth曲線計算屈服強度,屈服應變硬化指數。

屈服強度的計算、曲線的麵積被用來估計壓痕過程中的能量,然後計算的強度值獲得能量。硬化指數計算的自相似性理論和負載之間的對數斜率和殘餘壓痕麵積load-depth曲線。計算卸貨工作,全部縮進工作,比,和屈服強度如表所示1。

屈服強度和抗拉強度值在表1擬合線性比例嗎Y,分別。擬合曲線如圖所示13(a)和(b),相關係數R²R = 0.998,²分別為= 0.999。關於情商的線性關係。(14和情商。15)得到

材料硬化指數的值不同的伸長如圖14。可以看出,隨著變形程度的奧氏體不鏽鋼的增加,硬化指數也增加。

此外,還有一個線性增加關係硬化指數和伸長。樣品不是pre-deformed時,硬化指數是3.4。延伸率為30%時,硬化指數達到4.5。冷工作流程後,材料內部發生加工硬化,導致材料的塑性增加,所以材料的硬化指數也增加。

有限元反演分析結果

圖15顯示了316 l奧氏體不鏽鋼的load-depth曲線通過縮進模擬在四個不同的伸長。

可以看出,材料的壓痕模擬過程與不同的伸長是大致相同的。壓過程中加載曲線顯示了一個非線性趨勢。隨著伸長的增加,所需的壓痕力逐漸增加。

此外,卸載位移的四個卸載曲線有明顯差異。預變形有一定影響材料的反彈。隨著伸長量的增加,樣品的殘餘深度逐漸減少。預拉伸後的材料發生塑性變形,導致其屈服強度和硬度的增加。load-depth曲線通過有限元反演與壓痕試驗的趨勢是一致的,所以壓痕模擬的準確性被認為是高。

壓痕形貌的變化與不同的伸長是通過有限元模擬。圖16(a)和(b)顯示了縮進10%伸長的過程。

圖16(一個)顯示了加載階段的緊迫的過程t= 0.1,t= 0.3,t= 0.75 s。可以看出,隨著壓深度的增加,米塞斯的最大主應力逐漸增加。當t= 1.0,硬度計壓頭上升和卸載。與應力雲圖的最大深度加載階段,可以看出材料卸貨後經曆了彈性複蘇階段,和米塞斯的最大主應力降低。圖16(b)顯示了等效塑性應變(PEEQ)的壓痕過程。在加載階段,PEEQ增加壓痕的深度。硬度計壓頭壓入後的最大壓痕深度,卸貨開始。當達到最大深度,硬度計壓頭開始卸載。卸載材料通過彈性釋放階段,其應變和應變範圍減少。

的位移增量在同一路徑材料表麵的接觸分析了硬度計壓頭,如圖17。

從圖可以看出17材料的位移增量趨勢不同的伸長縮進路徑是一樣的。接觸的材料硬度計壓頭下的麵積將首先產生彈性變形。隨著荷載繼續增加,硬度計壓頭將繼續壓。材料發生塑性變形,向下的增量將會逐漸增加。硬度計壓頭周圍的材料在該地區不斷積累。最大未變形的材料是28.603μm突出,最大10%伸長是29.954μm,突出的最大20%伸長是34.418μm,突出和最大伸長30% 39.406μm突出。

比較的結果

材料的力學性能與不同的伸長得到壓痕試驗需要驗證。單軸拉伸試驗的結果是同意真正的價值觀。

圖18(a)和(b)顯示了比較奧氏體不鏽鋼316 l的力學性能計算的壓痕試驗和不同拉伸條件下的單軸拉伸試驗。

從圖可以看出18奧氏體不鏽鋼的力學性能參數在不同的伸長壓痕試驗獲得的相對接近拉伸試驗。壓痕試驗力學性能計算的高精度和一個小誤差範圍。硬化指數的誤差小於5%。屈服強度的誤差都小於2.9%。

為了驗證有限元模型的準確性,有必要證實有限元方法的壓痕試驗結果以確保力學參數的準確性。圖19顯示了力學參數的偏差的比較計算壓痕試驗和有限元方法。

從圖可以看出19的力學性能幾乎沒有區別的壓痕試驗和有限元仿真不同的伸長。從而建立了有限元模型的準確性是證實。壓痕硬度的誤差約為5%。屈服強度的誤差低於1.5%。硬化指數的誤差大約是5%,和更大的錯誤的原因是小過渡區之間的彈性和可塑性的應力-應變曲線,但它是在可接受的範圍之內的。

在這項研究中,micron-level壓痕試驗係統是建立在我們實驗室進行壓痕測試不同伸長下奧氏體不鏽鋼316 l。借助有限元反演分析,壓痕過程仿真實現,和316 l的機械性能參數比較。從這個研究可以得出以下結論。

1. (1)

   一個合適的壓痕試驗測試程序開發,以及奧氏體不鏽鋼316 l的load-depth曲線在不同的伸長。隨著伸長的增加,曲線左移,產生的壓痕反應變得更小,殘餘壓痕深度值變小。

2. (2)

   壓痕試驗模型運用有限元軟件ABAQUS,建立了材料和相關的力學性能參數與不同伸長通過反演分析。壓痕試驗的有限元分析比較,偏差均在5%以內,這確保了有限元模型的準確性。

3. (3)

   相比之下,從拉伸試驗獲得的測試結果的基礎上,推出餐盤狀拉伸樣品,彈塑性材料力學參數的偏差,如硬度、硬化指數,和其他人在5%通過壓痕試驗和有限元反演分析。

4. (4)

   它提供了一個合理有效的結構完整性評估獲得實際的焊接材料力學性能和其他熱的或冷的工作區域在關鍵結構。

不適用。

由中國國家自然科學基金(批準號52075434)和陝西省重點研發項目(批準號2021 kw-36)。

作者和聯係

1. 機械工程學院、西安科技大學、西安,710054年,中國

   他雪& Jinxuan

2. 西安特種設備檢驗研究院、西安,710065年,中國

   建龍張

3. 工業及製造係統工程係,香港大學,香港,999077年,中國

   宇軒雪

貢獻

HX負責整個試驗;JH寫的手稿;生理和YX輔助采樣和實驗室分析。所有作者閱讀和批準最終的手稿。

作者的信息

他雪,生於1961年,目前是教授西安科技大學,中國。他在1998年獲得了博士學位西安交通大學,中國。他的研究興趣包括安全性評價的重要機械結構。

Jinxuan,他生於1994年,目前是主人的候選人機械工程學院、西安科技大學,中國。他的研究興趣包括安全性評價的重要機械結構。

建龍,生於1988年,目前是一名工程師西安特種設備檢驗研究院,中國。他收到了他的博士學位西安科技大學,中國在2020年,。電話:+ 86 - 13679269699;電子郵件:527449153 @qq.com

宇軒雪,生於1994年,目前是博士生工業及製造係統工程係,香港大學,中國。他的研究興趣包括納米機器人和微觀。

相應的作者

對應到他雪。

相互競爭的利益

作者聲明沒有競爭的經濟利益。

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