一种预加载条件下钛合金锥形压痕代表应变的确定方法技术

一种预加载条件下钛合金锥形压痕代表应变的确定方法，属于预加载条件下代表应变和约束因子计算方法。通过预加载压痕变形模拟，模拟预加应变条件下压痕变形过程，计算钛合金的硬度，通过公式In(H/K)＝InC+nIn(εi+εr)进行线性拟合，式中H为压痕硬度，K为强度系数，C为约束因子，n为应变硬化指数，εi为预加应变量，εr为代表应变，求解约束因子和代表应变；首先计算钛合金在不同强度系数(K)、应变硬化指数(n)和预加应变(εi)条件下压痕硬度(H)；然后在强度系数和应变硬化指数固定不变的条件下，对不同预加应变量条件下的硬度通过公式In(H/K)＝InC+nIn(εi+εr)进行线性拟合，求解约束因子(C)和代表应变(εr)。优点：该方法快速、简便、易行，效果良好，在本技术领域内具有广泛的实用性。

A Method for Determining Representative Strain of Conical Indentation of Titanium Alloy under Preloading

A method for determining representative strain of titanium alloy conical indentation under preloading conditions belongs to the calculation method of representative strain and constraint factor under preloading conditions. The hardness of titanium alloy is calculated by simulating the indentation process under pre-strain condition by pre-loading indentation deformation simulation. Linear fitting is carried out by formula In(H/K)=InC+nIn(epsilon i+epsilon r). In formula H is indentation hardness, K is strength coefficient, C is constraint factor, n is strain hardening index, epsilon I is pre-strain, epsilon R is representative strain. The constraint factor and representative strain are calculated first. The indentation hardness (H) of titanium alloys under different strength coefficients (K), strain hardening exponents (n) and pre-strain (epsilon i) was calculated. Then, under the condition of constant strength coefficient and strain hardening exponents, the hardness of titanium alloys under different pre-strain conditions was linearly fitted by the formula In (H/K) = InC+nIn (epsilon i+epsilon r), and the constraint factor (C) and representative strain (epsilon r) were solved. Advantages: This method is fast, simple, easy to operate and has good effect. It has wide practicability in the field of this technology.

【技术实现步骤摘要】
一种预加载条件下钛合金锥形压痕代表应变的确定方法
本专利技术涉及一种预应变条件下钛合金代表应变和约束因子计算方法，特别是一种预加载条件下钛合金锥形压痕代表应变的确定方法。
技术介绍
钛合金具有高比刚度、高比强度和优异的综合力学性能，被广泛用于加工制造航空航天用轻量化高性能构件。压痕测试技术测量弹性模量、硬度、屈服强度等性能具有操作方便、制样简单、无损等优点，因而广泛的用于测量钛合金及其它材料的性能。压痕技术是利用压头，将压头压入被测材料，连续记录压头加载卸载过程中的载荷、位移数据，从而得到载荷-位移曲线。通过载荷-位移曲线可以计算得出材料的各项性能参数，如弹性模量及硬度。通过量纲分析和压痕变形过程有限元分析，并采用代表应变和约束因子，可以由载荷-位移曲线反求应力-应变曲线，这对求解微小体积试样的应力-应变曲线，以及表征钛合金部件不同位置由于加工变形等原因引起的性能不均匀提供了一条可行便捷的方法。本专利技术给出了钛合金在预应变条件下，不同性能对应的代表应变和约束因子的求解方法。求解的代表应变和约束因子是随钛合金性能变化而变化，而目前的方法求解代表应变和约束因子的值固定不变，不随钛合金性能变化而变化。由于钛合金性能不同，在预应变条件下求解的代表应变和约束因子不同，相对于固定的代表应变和约束因子，计算的代表应力值误差更小，效果良好，在本
内具有广泛的实用性。
技术实现思路
技术问题：本专利技术的目的是提供一种预加载条件下，钛合金锥形压痕约束因子和代表应变的确定方法，获得钛合金不同性能参数条件下，锥形压痕约束因子和代表应变的值。本专利技术通过以下技术方案实现：本专利技术通过预加载压痕变形模拟，模拟预加应变条件下压痕变形过程，计算钛合金的硬度，通过公式In(H/K)＝InC+nIn(εi+εr)进行线性拟合，式中H为压痕硬度，K为强度系数，C为约束因子，n为应变硬化指数，εi为预加应变量，εr为代表应变，求解约束因子和代表应变；计算步骤具体为：a.计算预应变条件下钛合金硬度：先建立钛合金预应变条件下压痕变形过程有限元模型；通过建立的有限元模型，计算钛合金不同屈服强度、不同应变硬化指数和不同预加应变条件下压痕硬度；b.计算约束因子和代表应变：固定强度系数和应变硬化指数，对不同预加应变量条件下的硬度，使用公式In(H/K)＝InC+nIn(εi+εr)进行线性拟合，式中式中H为压痕硬度，K为强度系数，C为约束因子，n为应变硬化指数，εi为预应变，εr为代表应变；拟合时以In(εi+εr)为自变量，ln(H/K)为因变量，拟合直线斜率为应变硬化指数，截距为lnC；拟合时代表应变选取不同的试算值，直线斜率和截距也随之改变，当斜率等于预先选定的应变硬化指数时，代表应变的试算值即为确定的代表应变值，同时通过对应的截距lnC求解约束因子。所述的建立钛合金预应变条件下压痕变形过程有限元模型，具体分为压头和钛合金几何建模以及压头和钛合金应力-应变曲线的确定，压头和钛合金几何建模的具体步骤如下：(1)采用二维轴对称模型进行模拟，将三棱锥形Berkovich压头压入材料过程简化为轴对称问题；(2)压头采用与竖直方向夹角70.3°的线段表示，被压钛合金用一个平面表示；(3)平面的左边施加对称边界条件，底边限制竖直方向的位移，载荷通过压头的参考点施加；(4)采用四节点轴对称线性减缩积分单元进行网格划分；(5)在压头附近采用尺寸较小的网格，而在远离压头的位置采用尺寸较大的网格。所述的预加载压痕变形过程分为五个加载步骤进行模拟：第一步，在被压材料平面上边施加竖直向上的预加位移，位移量分别为0％，1.5％，2％，3％，4％和5％；第二步，去掉预加位移，合金发生弹性恢复；第三步，压头加载，加载载荷均为4.9N；第四步，压头保载；第五步，压头卸载。所述的压头和钛合金应力-应变曲线确定：(1)压头在有限元模型中简化为刚体；(2)钛合金的应力-应变曲线采用Hollomon公式来描述：σ＝Eεε≤σy/Eσ＝Kεnε≥σy/E其中，σ为应力，ε为应变，σy为屈服强度，E为弹性模量，K为强度系数，n为应变硬化指数。有益效果：本专利技术通过对不同材料性能参数条件下，钛合金在预加载条件下的压痕变形过程进行有限元仿真，求解钛合金的代表应变和约束因子。代表应变和约束因子的值随合金性能变化而变化，并不是固定的值。本专利技术确定的压痕代表应变和约束因子计算的应力-应变点，与钛合金应力-应变曲线重合良好，实现钛合金代表应变和约束因子的确定。优点：该方法快速、简便、易行，效果良好，在本
内具有广泛的实用性。附图说明图1为本专利技术的TC11钛合金试样的应力-应变曲线图。图2为本专利技术的有限元模型及网格划分图。图3为本专利技术的预加应变为5％时实验和模拟的压痕载荷-位移曲线图。图4(a)为本专利技术的应变硬化指数为0.081不变，不同K值条件下的硬度图。图4(b)为本专利技术的强度系数为1540MPa不变，不同n值条件下的硬度图。图5为本专利技术的代表应变计算方法图。图6(a)为本专利技术的不同K值条件下的代表应变和约束因子图。图6(b)为本专利技术的不同n值条件下的代表应变和约束因子图。图7(a)为本专利技术的K＝1290MPa，n＝0.081，代表应变误差分析图。图7(b)为本专利技术的K＝1540MPa，n＝0.081，代表应变误差分析图。具体实施方式本专利技术通过预加载压痕变形模拟，模拟预加应变条件下压痕变形过程，计算钛合金的硬度，通过公式In(H/K)＝InC+nIn(εi+εr)进行线性拟合，式中H为压痕硬度，K为强度系数，C为约束因子，n为应变硬化指数，εi为预加应变量，εr为代表应变，求解约束因子和代表应变；计算步骤具体为：a.计算预应变条件下钛合金硬度：先建立钛合金预应变条件下压痕变形过程有限元模型；通过建立的有限元模型，计算钛合金不同屈服强度、不同应变硬化指数和不同预加应变条件下压痕硬度；b.计算约束因子和代表应变：固定强度系数和应变硬化指数，对不同预加应变量条件下的硬度，使用公式In(H/K)＝InC+nIn(εi+εr)进行线性拟合，式中式中H为压痕硬度，K为强度系数，C为约束因子，n为应变硬化指数，εi为预应变，εr为代表应变；拟合时以In(εi+εr)为自变量，ln(H/K)为因变量，拟合直线斜率为应变硬化指数，截距为lnC；拟合时代表应变选取不同的试算值，直线斜率和截距也随之改变，当斜率等于预先选定的应变硬化指数时，代表应变的试算值即为确定的代表应变值，同时通过对应的截距lnC求解约束因子。所述的建立钛合金预应变条件下压痕变形过程有限元模型，具体分为压头和钛合金几何建模以及压头和钛合金应力-应变曲线的确定，压头和钛合金几何建模的具体步骤如下：(1)采用二维轴对称模型采用二维轴对称模型进行模拟，将三棱锥形Berkovich压头压入材料过程简化为轴对称问题；(2)压头采用与竖直方向夹角70.3°的线段表示，被压钛合金用一个平面表示；(3)平面的左边施加对称边界条件，底边限制竖直方向的位移，载荷通过压头的参考点施加；(4)采用四节点轴对称线性减缩积分单元进行网格划分；(5)在压头附近采用尺寸较小的网格，而在远离压头的位置采用尺寸较大的网格。所述的预加载压痕变形过程分为五个加载步骤进行模拟：第一步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种预加载条件下钛合金锥形压痕代表应变的确定方法，其特征是：通过预加载压痕变形模拟，模拟预加应变条件下压痕变形过程，计算钛合金的硬度，通过公式In(H/K)＝InC+nIn(εi+εr)进行线性拟合，式中H为压痕硬度，K为强度系数，C为约束因子，n为应变硬化指数，εi为预加应变量，εr为代表应变，求解约束因子和代表应变；计算步骤具体为：a.计算预应变条件下钛合金硬度：先建立钛合金预应变条件下压痕变形过程有限元模型；通过建立的有限元模型，计算钛合金不同屈服强度、不同应变硬化指数和不同预加应变条件下压痕硬度；b.计算约束因子和代表应变：固定强度系数和应变硬化指数，对不同预加应变量条件下的硬度，使用公式In(H/K)＝InC+nIn(εi+εr)进行线性拟合，式中式中H为压痕硬度，K为强度系数，C为约束因子，n为应变硬化指数，εi为预应变，εr为代表应变；拟合时以In(εi+εr)为自变量，ln(H/K)为因变量，拟合直线斜率为应变硬化指数，截距为lnC；拟合时代表应变选取不同的试算值，直线斜率和截距也随之改变，当斜率等于预先选定的应变硬化指数时，代表应变的试算值即为确定的代表应变值，同时通过对应的截距lnC求解约束因子。...

【技术特征摘要】
1.一种预加载条件下钛合金锥形压痕代表应变的确定方法，其特征是：通过预加载压痕变形模拟，模拟预加应变条件下压痕变形过程，计算钛合金的硬度，通过公式In(H/K)＝InC+nIn(εi+εr)进行线性拟合，式中H为压痕硬度，K为强度系数，C为约束因子，n为应变硬化指数，εi为预加应变量，εr为代表应变，求解约束因子和代表应变；计算步骤具体为：a.计算预应变条件下钛合金硬度：先建立钛合金预应变条件下压痕变形过程有限元模型；通过建立的有限元模型，计算钛合金不同屈服强度、不同应变硬化指数和不同预加应变条件下压痕硬度；b.计算约束因子和代表应变：固定强度系数和应变硬化指数，对不同预加应变量条件下的硬度，使用公式In(H/K)＝InC+nIn(εi+εr)进行线性拟合，式中式中H为压痕硬度，K为强度系数，C为约束因子，n为应变硬化指数，εi为预应变，εr为代表应变；拟合时以In(εi+εr)为自变量，ln(H/K)为因变量，拟合直线斜率为应变硬化指数，截距为lnC；拟合时代表应变选取不同的试算值，直线斜率和截距也随之改变，当斜率等于预先选定的应变硬化指数时，代表应变的试算值即为确定的代表应变值，同时通过对应的截距lnC求解约束因子。2.根据权利要求1所述的一种预加载条件下钛合金锥形压痕代表应变的确定方法，其特征是：所述的建立钛合金预应变条件下压痕变形过程有限元模型，具体分...

【专利技术属性】
技术研发人员：吉喆，沈承金，徐杰，郭涛，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32