悬臂梁弯曲获取材料弹塑性力学性能的方法技术

本发明专利技术公开了一种悬臂梁弯曲获取材料弹塑性力学性能的方法，采用硬质合金圆柱形锟对悬臂梁自由端进行准静态竖向加载，获得连续的载荷P‑挠度h曲线后通过该曲线得到线性刚度S，加载曲率C和加载指数m，经简单处理预测材料弹塑性力学性能参数。本发明专利技术方法克服了现有悬臂梁测试技术依赖经验公式，无法获得材料硬化规律等缺陷。本发明专利技术对于微机电系统、光学工程、通讯工程、生物医学工程等关键工程广泛存在的膜状、板状等结构材料单轴力学性能获取具有重要意义。

Method for obtaining elastic plastic mechanical properties of materials by cantilever beam bending

The invention discloses a method for bending the elastic-plastic mechanical properties of a cantilever beam made of hard alloy cylindrical roller on the free end of the cantilever beam subjected to quasi-static vertical loading, the load deflection obtained in a continuous P h curve through the curve of linear stiffness S, loading and loading C curvature index m, the simple predicting the plastic material parameters of mechanical properties. The method overcomes the defects that the existing cantilever beam testing technology is dependent on the empirical formula, and the material hardening rule can not be obtained. The present invention is of great significance to obtain the mechanical properties of the membrane, plate and other structural materials widely used in MEMS, optical engineering, communication engineering, biomedical engineering and other key projects.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及材料力学性能测试，尤其是工程中广泛存在的薄膜结构材料单轴力学性能的测试领域。
技术介绍
材料的基本力学性能如模量，强度以及硬化参数均可作为材料结构安全评价的基本条件，对工程安全分析具有重要意义。随着结构小型化的飞速发展，尤以薄膜等小尺度结构广泛应用于光学工程，通讯技术以及生物医学工程等新兴科技领域，因此其力学性能测试逐渐引起研究者的关注。采用传统拉伸对这类膜结构进行测试时，存在夹持、对中等诸多困难，难以保证试验结果的精度。并且，对于价格昂贵的功能薄膜，采用传统拉伸试验方法难于制备标准试样，且难以消除偏心加载等问题。针对上述情况，目前仍缺乏操作简便且与重复性良好的用于材料或结构单轴本构关系预测的便捷检测技术。微悬臂梁弯曲试验是一种近三十年来用于薄膜材料力学性能测试的方法，但更多研究集中于材料的尺度效应和应变梯度塑性[1]。近年来锥形压入逐渐被用来测试材料的单轴弹塑性力学性能。事实上，锥形压入载荷-深度关系是被测材料弹塑性力学性能的重要体现，通过对该已有试验方法进行理论和技术创新，可实现材料单轴本构关系的简便测量。现有技术方案1Nix等人[3]首先采用微悬臂梁弯曲测试技术获取了黄金薄膜的力学性能。根据悬臂梁挠曲弹性理论提出了如下简单估算模型： h = 4 Pc 3 ( 1 - v 2 ) / ( bt 3 E ) σ y = 6 cP y / bt 2 - - - ( 1 ) ]]>其中h为加载点挠度，P是集中载荷，c是梁的有效长度，b，t分别为梁截面的宽度和厚度，E和v分别为材料的弹性模量和泊松比，σy为材料的屈服应力，Py为屈服载荷。该技术方案主要通过将式(1)得到的弹性模量E和屈服应力σy。现有技术方案2Trueba等[4]基于多次有限元计算和原位微梁弯曲试验相结合的方式间接获取了WC–Co材料的弹性模量和断裂强度。其大致过程可描述为：采用圆球形压头对在役WC–Co微梁进行准静态弯曲试验，直至微梁发生断裂，记录这一过程中连续的载荷P-挠度h曲线；借助ABAQUS有限元软件调整输入材料性能参数使得结果与试验接近，最终输出收敛时的材料参数即为测试值。现有技术方案1中，对延性材料弹塑性力学行为近似采用弹性挠曲理论近似预测弹性参数E以及靠近弹性阶段的塑性参量屈服强度σy具有一定的实用性，但对硬化明显的材料则难以保证预测精度，并且该方法无法预测材料屈服后的继续硬化行为。现有技术方案2中，需要繁琐的有限元迭代计算过程，迭代的收敛性具有初值依赖性，缺乏有效的理论支撑，试验设备要求高，最终给求解和应用造成了诸多不便。参考文献：[1]Motz C,T,Pippan R.Mechanical properties of micro-sized copper bending beams machined by the focused ion beam technique[J].Acta Materialia,2005,53(15):4269-4279.[2]Gao H,Huang Y,Nix W D,et al.Mechanism-based strain gradient plasticity—I.Theory[J].Journal of the Mechanics and Physics of Solids,1999,47(6):1239-1263.[3]Weihs T P,Hong S,Bravman J C,et al.Mechanical deflection of cantilever microbeams:A new technique for testing the mechanical properties of thin films[J].Journal of Materials Research,1988,3(05):931-942.[4]Trueba M,Aramburu A,Rodríguez N,et al.“In-situ”mechanical characterisation of WC–Co hardmetals using microbeam testing[J].International Journal of Refractory Metals and Hard Materials,2014,43:236-240.
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于等效能量理论、方法十分简便的悬臂梁弯曲试验技术方案，以实现材料单轴弹塑性性能的简便获取。实现专利技术目的的手段为：一种悬臂梁弯曲获取材料弹塑性力学性能的方法，采用硬质合金圆柱形锟对矩形截面悬臂梁进行单次准静态弯曲加载试验，获得连续的载荷P-挠度h曲线，然后通过简单的数据处理可获得材料弹塑性力学性能；其具体过程包括：1)悬臂梁弯曲载荷-挠度曲线满足公式(1)所示的规律，采用幂律回归P-h曲线加载段得到其加载曲率C；2)将1)所得结果输入(2)式 S = 3 E I / 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种悬臂梁弯曲获取材料弹塑性力学性能的方法，采用硬质合金圆柱形锟对矩形截面悬臂梁进行单次准静态弯曲加载试验，获得连续的载荷P‑挠度h曲线，然后通过简单的数据处理获得材料弹塑性力学性能；其具体过程包括：1)悬臂梁弯曲试验曲线满足公式(1)所示的规律，采用幂律回归P‑h曲线加载段得到其加载曲率C；2)将1)所得结果输入(2)式S=3EI/L3C=v*k1k3n(m+1)A*h*-mm=k4n+k2---(2)]]>可预测出被测材料或构件的本构参数E、σy、n，式中：S为载荷P‑挠度h曲线初始线弹性段的斜率，E为材料的弹性模量，v为材料泊松比，v*为特征能量密度且满足v*＝Enσy1‑n/(1+n)，n为应变硬化指数，σy为名义屈服强度，D为圆柱形锟直径，L为梁的长度，I为截面惯性矩且I＝BH2/12，B为梁截面宽度，H为梁截面高度，C为加载曲率，m为加载指数，k1、k2、k3与k4为无量纲的求解常数；3)根据2)得到的σy、n结果，代入式：σ=Eϵσ≤σyKϵnσ≥σy---(3)]]>获得被测材料的单轴本构关系。...

【技术特征摘要】
1.一种悬臂梁弯曲获取材料弹塑性力学性能的方法，采用硬质合金圆柱形锟对矩形截面悬臂梁进行单次准静态弯曲加载试验，获得连续的载荷P-挠度h曲线，然后通过简单的数据处理获得材料弹塑性力学性能；其具体过程包括：1)悬臂梁弯曲试验曲线满足公式(1)所示的规律，采用幂律回归P-h曲线加载段得到其加载曲率C；2)将1)所得结果输入(2)式 S = 3 E I / L 3 C = v * k 1 k 3 n ( m + 1 ) A * h * - m m = k 4 n + ...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡力勋，陈辉，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川;51