基于锥形压入的材料力学性能测试方法研究

通过压入测试以获取工程服役结构、小型构件和焊接结构焊缝过渡区的材料单轴本构关系参数,且根据材料本构关系参数来估算材料的压入硬度对于工程设计和安全评估有重要意义.对于幂律材料,本文依据锥形压入试验原理和弹塑性接触有限元分析(EPFEA),揭示了不同锥角的锥形压头其压入能量比与屈服应力之间存在线性关系,提出了基于能量原理预测金属材料本构关系部分关键参数(弹性模量、屈服应力和硬化指数)的CR-EMI (Constitutive Relationship based on Energy Method of Indentation)方法.同时,基于此种线性关系提出了由Hollomon本构关系模型参数预测硬度的H-EMI(Hardness based on Energy Method of Indentation)方法.通过对多种金属材料进行压入试验和有限元分析,验证了CR-EMI方法和H-EMI方法的有效性与精确性.     

利用小尺寸缺口试样测定延性材料的单轴本构关系

提出了一种利用三点弯曲试样获取延性材料本构关系的测试方法：针对小尺寸缺口试样的三点弯曲线载荷-位移曲线,采用有限元辅助测试（Finite-element-analysis aided tests,FAT）方法,迭代获得材料代表性体积单元（Representative volume element,RVE）本构关系。研究表明,两种延性材料的有限元迭代反求结果和单轴拉伸试验结果吻合较好。应用该方法,可以采用小尺寸缺口试样来获取延性材料的本构关系。     

基于直通型CT试样测试方法的断裂韧度研究

依据ASTM用于CT试样获取断裂韧度载荷分离理论规则化方法提出量纲一载荷分离法,从而完善用于断裂韧度测试的载荷分离理论,且根据弹塑性有限元精细计算结果以及直通型CT变形几何关系,提出裂纹嘴张开位移与加载线位移的转换公式。采用不同初始裂纹长度CT钝裂纹试样对公式的有效性和精确性进行试验验证,进而实现对1Cr12Mo、30Cr2Ni4Mo V以及P91管材10Cr9Mo1VNb N三种合金直通型CT试样的JR阻力曲线测定,结果表明,试验值与公式计算值的最大相对误差均在5%以内。     

C250钢漏斗试样扭转低周疲劳研究

通过轴向循环拉压实验获得漏斗试样载荷-位移(P-V)曲线,并基于该曲线和有限元反演分析方法获得了材料的循环本构关系。利用该循环本构关系对漏斗试样进行三维扭转有限元分析,获得漏斗根部剪切应力与扭矩之间的转换公式,及漏斗根部剪切应变与名义扭角之间的转换公式,实现了漏斗试样扭转低周疲劳的研究。应用该方法,完成了C250钢漏斗试样常温下一条曲线的扭转低周疲劳实验,揭示了C250钢的疲劳行为,并给出了该材料的Manson-Coffin寿命预测模型。     

基于漏斗试样的C250钢高温扭转低周疲劳行为

C250钢的扭转疲劳破坏是其主要失效形式之一。为了获得航空材料C250钢的扭转疲劳特性,并消除等直圆棒试样在扭转试验中产生的弊端,依据漏斗试样完成了C250钢在3种高温(150、200、350℃)环境下的扭转低周疲劳试验,获得了在扭转低周疲劳下的扭矩-名义扭转角曲线。基于试验结果,利用FAT方法分析得到了C250钢在3种高温环境下的材料循环本构关系,利用该循环本构关系对漏斗试样进行三维扭转有限元分析,获得漏斗根部剪切应力与扭矩之间的转换公式及漏斗根部剪切应变与名义扭转角之间的转换公式。基于以上试验与分析方法,得到了材料的剪切应变幅-倍循环次数曲线、剪切应力幅-循环分数曲线以及剪切应力-剪切应变的稳定滞回线,发现材料呈现出循环软化特性,并基于Manson-Coffin模型对材料寿命进行了分析。     

金属材料延性断裂韧度测试中的柔度方法研究

 对紧凑拉伸(CT)试样的柔度转动修正方法进行了研究,理清了现行柔度转动修正方法存在的问题,给出了新的转动修正方法,并提出了考虑转动效应的CT试样的裂纹嘴张开位移(CMOD,V₀)与加载线张开位移(V_LL)的转换公式。弹塑性有限元分析表明,CT试样产生刚性转动的中心并不在试样的剩余韧带中心,而是在偏靠裂纹尖端的位置;转动半径 R 基本不受材料本构关系的影响,仅与CT试样的裂纹长度a与宽度W之比(a/W)有关,从而提出了R与a/W之间的单调多项式;当裂纹尖端产生较大程度的塑性变形时,需要考虑转动效应对CT试样裂纹张开位移(COD)测量的影响, J积分的塑性功计算须采用经转动修正后的COD。采用两种延性材料Cr2Ni2MoV和16MnR对COD转换公式进行了实验验证,结果表明,基于转动分析的COD转换公式由于考虑了裂纹尖端附近区域的弹塑性变形行为,用于断裂韧性测试中的塑性功计算更加符合实际,且同实验结果符合良好;直通型紧凑拉伸(FFCT)试样的刚性转动对较大裂纹扩展情形下的J_R阻力曲线影响较大。