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设计计算
球压痕法评价材料拉伸性能的有限元分析
伍声宝,关凯书
(华东理工大学承压系统安全科学教育部重点实验室,上海200237)
摘要:球压痕法被广泛应用于设备材料真应力应变曲线、屈服强度和抗拉强度等拉伸性能的无损
测试。它有望实现对在役设备材料拉伸性能的连续性监控,用于评佔在役设备的结构完整性。建
立了带有两种不同刚度压头的球压痕试验有限元模型,用于研究不同刚度压头对压痕载荷深度曲
线和拉伸性能结果的影响。为了验证模型的有效性,将模拟16MnR材料获得的加载曲线和试验机
获得的加载曲线进行对比,对比结果表明,模型能有效地实现球压痕试验的模拟。最后取16MnR
和17-7PH两种材料做球压痕试验的有限元模拟,把模拟获得的结果与在试验机上进行常规室温
拉伸试验获得的结果进行对比,对比结果表明,球压痕法可以有效测量材料的拉伸性能
关键词:球压痕法;拉伸试验;拉仲性能;有限元模型
中图分类号:TI140.7;TB115.1文献标识码:A文章编号:1001-4837(2012)09-0033-06
doi:10.3969/j.issn.1001-4837.2012.09.007
Finite Element Analysis of Determining Tensile Properties of Materials
Using Ball Indentation Technique
WU Sheng-bao, GUAN Kai-shu
(The Key Iaboratory of Safety Science of Pressurized System, Ministry of Education, East China Universi-
ty of Science and Technology, Shanghai 200237, China)
Abstract The ball indentation technique is widely used for nondestructive evaluation of the lensile prop
erties of devices and materials, such as plastic stress-strain curve, yield strength and tensile strength. It
has potential to monitor the progressive changes in the tensile properties to ensure the structural integrity
of in-service components. In this paper, ball indentation test was performed by using a FEM (finite ele
ment model )in both 16MNR and 17 -7PH. To verify effectiveness of the FEM, the load-depth curves of
16MNR measured by the FEM and testing machine were compared. It confirms that the FEM is reliable
Two indenters of different rigidity were used in the FEM to study the effect on indentation load-depth
curve and tensile properties. The results from the FEM were verified by comparison with those from tensile
test at ambient temperature. It shows good agreement between ball indentation Lest and tensile test.
Key words: ball indentation technique tensile test; tensile properties; finite element model
0引言
在着大量的在役压力容器和管道,这些压力容器、
管道材料长期在高温高压或临氢腐蚀的环境下服
在火电、核电、石油化工以及治金等行业中存役,容易造成材质的损伤和劣化-2),从而引发安
CPVT
球压痕法评价材料拉仲性能的有限元分析
Vol29.No92012
全事故。为了确保生产能够安全进行,需要定时
对在役设备进行检测。
通常,传统常规方法评价设备性能是进行现
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场检验和取样试验。现场检验属于非破坏性检
验,目的是找出在役设备构件中的危险部位,大多
只能探测出设备当前状况下缺陷的宏观尺寸,而
在评价材料力学性能,如真应力一应变曲线、屈服
兰担樂出
70
强度、抗拉强度上存在不足。取样试验则是在危
险部位取样进行试验,属于破坏性力学性能测试
试验。通过试验可以了解材料在长期运行后其力
学性能的水平和变化,但此种方法不适用于正在
0.15
0.30
服役中的设备。如何评价这些在役设备的当前材
压痕深度/mm
料拉伸性能,成为国内外研究的热点问题。球压
痕法正是在这…背景下快速发展的一-种具有无损
图1典型的压痕载荷深度曲线示意
特性,能够准确可靠地评价材料拉伸性能的新型
试验方法。
考虑到球压痕试验的压头刚度可能会影响试
验结果的可靠性,文中建立球压痕试验的有限元
模型,压头模型分刚体模型和非刚体模型两种,用
于研究不同刚度压头对试验结果的影响。为了验
证模型的正确性,将试验机上的加载曲线和模拟
迴樂出
的加载曲线进行对比。之后选用两种材料进行球
压痕试验的有限元模拟,并将模拟的结果与常规
拉伸试验的结果进行对比,探讨压头刚度对试验
结果的影响,为球压痕试验的实际运用提供参考
压痕深度/mm
和指导。
图2单个循环参数示意
球压痕试验的原理
-o(h-h
1951年, Tabor试验研究发现压痕平均接触
压力与相对压痕尺寸a/R的关系(a和R分别为
压痕投影圆半径和球压头半径)和大多数金属材式中。一只考虑弹性变形回复的接触深度
料的应力应变的关系相似。基于 Tabor的发
hn、一循环最大载荷时的深度
现, Haggag及其研究小组提出了ABlI( automated
h。一试样的弹性回复变形深度
ball indentation)技术
在ABI技术的基础
与压头形状相关的参数,对于球压
上,后续有更多研究人员加人到了研究球压痕法
头,o=0.75
的行列中-?。经过多年的发展,球压痕法已经
h一卸载曲线开始部分线性外推到载荷
有了长足的发展
为零时的深度
球応痕试验是利用球压头在试样表面同一位
m一最大载荷
置进行多次加载局部卸载的试验,每一次加载和
S-一卸载曲线开始部分的斜率
卸载构成一次循环,由多个循环组成,见图1,
压头和试样的接触伴随有堆积或沉陷现象的
早期压痕的深度计算只考虑试样的弹性变形产生,堆积或沉陷现象直接影响到压头和试样的
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