一种基于压痕轮廓识别金属材料拉伸性能参数的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于压痕轮廓识别金属材料拉伸性能参数的方法，该方法建立压痕轮廓快照与材料本构参数间的关系，建立被测试材料本构参数的后验概率密度函数，求解后验概率密度函数，从而得到被测试金属材料的塑性拉伸性能参数，并给出识别结果的概率分布特征。本发明专利技术基于统计学贝叶斯反演理论，将模型参数以随机变量处理，考虑到了参数识别中潜在的实验和数值建模不确定性，能够以概率分布的形式给出参数识别的结果，将其应用于金属材料局部力学性能检测、材料加工过程中力学性能演化检测和役件力学性能的测量，实验过程简便，参数识别的可靠性高。

【技术实现步骤摘要】
一种基于压痕轮廓识别金属材料拉伸性能参数的方法
本专利技术属于材料塑性力学性能测试方法
，具体涉及到一种采用压入实验中的球形压痕形貌信息来反推被测试金属材料拉伸性能参数的方法。
技术介绍
深入了解金属材料的塑性拉伸性能是进行材料成形建模和工艺分析的前提。当前，金属材料的拉伸力学性能多采用单轴拉伸实验进行检测。这种常规的实验方法需要将试件按照一定的几何形状进行切割，通过破坏性的拉伸过程来开展材料性能的测试。然而，这种常规力学性能测试手段的破坏性非常大、试件准备过程繁琐，并且难以用于材料局部力学性能的检测和服役件性能的测试。仪器化压痕测试技术给金属材料塑性力学性能的实验检测提供了极大便利。相比于常规的拉伸实验而言，压痕测试方法更加的简便、灵活。并且，该种测试方法能够适用于很多单轴拉伸测试方法所不能应用的场合，极大地弥补了常规测试方法的不足。由于压痕测试方法的上述优点，逐渐得到了材料性能检测研究领域的着重关注，并且成为当前国际上学术研究的热点问题。随着有限元仿真技术在压痕弹塑性接触变形研究中的深入应用，采用压痕实验并结合一定的数学方法反推被测试材料的塑性力学性能已经成为可能。2014年，Moussa等(Evaluationofthetensilepropertiesofamaterialthroughsphericalindentation:definitionofanaveragerepresentativestrainandaconfidencedomain,JournalofMaterialsScience,49(2014)592–603)通过合理定义压痕实验加载曲线与一系列有限元仿真曲线的残差，并深入分析残差的分布特征，建立了一种依据压痕曲线获取材料拉伸性能参数的方法。通过该种方法，能够准确获取被测试材料的单轴力学性能，并且与单轴拉伸实验结果吻合较好。基于压痕测试的有限元仿真和迭代最优化计算，一些学者建立了采用压入测试识别金属材料拉伸性能的方法。2019年，O.Iracheta等(Aholisticinverseapproachbasedonamulti-objectivefunctionoptimisationmodeltorecoverelastic-plasticpropertiesofmaterialsfromthedepth-sensingindentationtest)JournaloftheMechanicsandPhysicsofSolids,128(2019)1-20.)基于多目标优化算法，结合Berkovich压痕轮廓形貌和载荷位移关系曲线，建立了识别材料拉伸性能参数的方法。然而，该方法需要同时测量压痕轮廓形貌和载荷位移关系曲线。在参数识别中，对两种不同物理特征的测量量进行合理加权，这极大地复杂化了参数识别的优化迭代过程。虽然已有学者建立了一些采用压痕实验获取金属材料塑性力学性能的方法。当前，在采用压痕实验识别金属材料拉伸性能参数的问题中，这些研究多将压痕加载曲线作为分析材料性能参数的有效实验响应量。并且，这些研究没有充分考虑到压痕实验和参数识别迭代计算中可能存在的不确定性，如：实验误差的扰动及仿真建模数值波动等因素的存在，不能够给出反推所得材料拉伸性能参数的概率分布信息。针对金属材料拉伸性能的检测，现有实验方法依赖于单轴拉伸、压缩，需要将试件切割成一定的几何形状进行测试。该种测试方法的实验过程繁琐，对试件的破坏性大，容易造成实验材料的极大浪费。更为重要的是，现有单轴拉伸/压缩测试方法难以用于材料局部力学性能的检测，难以实现在役件材料性能的测量。相比于压痕加载曲线而言，压痕形貌变形则包含更多反映材料变形的有效信息量，如：材料的凸起/凹陷效应。并且，压痕轮廓的获取不需要考虑机架变形和压头与试件初始接触点的校准问题，实验过程更为简便。此外，由于被测试材料本身组织结构的不均匀、实验测试不准确性等不确定因素的客观存在，在基于压痕实验识别材料弹塑性参数中存在着由上述因素引起的不确定性。因此，有必要将压痕形貌的变形特征作为分析材料拉伸性能的有效实验响应量。并且，基于统计学框架下反问题的计算方法，将材料参数按照随机变量对待，以概率分布的形式给出材料性能参数的识别结果。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本专利技术的目的在于提供一种采用压痕实验中的形貌特征，结合统计学贝叶斯反分析来获取金属材料塑性拉伸性能参数的方法，该方法能够应用于金属材料局部力学性能检测、材料加工过程中力学性能演化检测和役件力学性能的测量，实验过程简便，参数识别的可靠性高。本专利技术是通过下述技术方案来实现的。本专利技术提供的基于压痕轮廓识别金属材料拉伸性能参数的方法，包括以下步骤：(1)对待测试金属材料开展球形压痕实验，通过激光共聚焦显微测试获取残留在试件表面的压痕轮廓形貌；(2)依据Ludwigson硬化法则，开展球形压痕有限元仿真，获取一系列与Ludwigson硬化法则参数c所对应的压痕形貌快照，获得压痕轮廓快照矩阵Sw；(3)基于三次多项式基函数，建立压痕轮廓快照Si与Ludwigson硬化法则参数c之间的关系；(4)假定被测试材料的拉伸性能参数在所给定的材料参数范围内服从均匀分布，其先验信息函数为常数，建立包含不确定因子e条件下，压痕轮廓形貌预测的物理模型；(5)依据贝叶斯推断原理，结合步骤(4)中材料性能参数均匀分布及其先验信息函数为常数，则被测试材料未知硬化法则参数的后验概率密度函数与似然函数呈正相关，建立压痕实验快照Sexp响应的似然函数。(6)基于最大似然函数计算原理，给出步骤(4)中包含不确定性物理预测模型中方差σ2的定义，以及在最大似然估计条件下步骤(5)中似然函数的表示；采用马尔科夫链蒙特卡罗算法对后验概率密度函数进行抽样，可以得到被测试材料拉伸性能参数的后验概率分布。本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：(1)本专利技术采用压痕实验来获取金属材料的拉伸性能，一方面避免了原有拉伸实验测试过程繁琐的试件制备加工过程，克服了常规单轴拉伸实验的破坏性、材料浪费严重等缺点。另一方面，本专利技术能够应用于金属材料局部力学性能的检测，以及材料在加工过程中力学性能演化的检测，也同时可以进一步用于在役件力学性能的测量。(2)本专利技术将卸载残留的压痕轮廓形貌作为参数识别中有效的材料响应信息，避免了对压痕加载和卸载过程中载荷-位移关系曲线的准确测量，不需要额外了解压痕加载中材料的变形历史。卸载残留压痕轮廓可以通过共聚焦显微测试获得，实验复杂程度更低，实验过程更为简便、灵活。(3)本专利技术基于统计学贝叶斯反演理论，在参数识别方法的建模过程中，将模型参数按照随机变量进行处理。这样做的好处在于，能够考虑到实验和数值模型中的不确定性，以概率分布的形式给出反问题的求解结果，最大程度地反映了参数识别反问题的模型信息，避免反问题的解落入局部最小值，提高了参数识别的可靠性。本专利技术采用压痕实验来获取金属材料的拉伸性能，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于压痕轮廓识别金属材料拉伸性能参数的方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)对待测试金属材料开展球形压痕实验，通过激光共聚焦显微测试获取残留在试件表面的压痕轮廓形貌；/n(2)依据Ludwigson硬化法则，开展球形压痕有限元仿真，获取一系列与Ludwigson硬化法则参数c所对应的压痕轮廓快照S

【技术特征摘要】
1.一种基于压痕轮廓识别金属材料拉伸性能参数的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对待测试金属材料开展球形压痕实验，通过激光共聚焦显微测试获取残留在试件表面的压痕轮廓形貌；
(2)依据Ludwigson硬化法则，开展球形压痕有限元仿真，获取一系列与Ludwigson硬化法则参数c所对应的压痕轮廓快照Si，获得压痕轮廓快照矩阵Sw；
(3)基于三次多项式基函数，建立压痕轮廓快照Si与Ludwigson硬化法则参数c之间的关系；
(4)假定被测试材料的拉伸性能参数在所给定材料参数范围内服从均匀分布，则其先验信息函数为常数，建立包含不确定因子e条件下，压痕轮廓形貌预测的物理模型；
(5)依据贝叶斯推断原理，结合步骤(4)中材料性能参数均匀分布及其先验信息函数为常数，则被测试材料未知硬化法则参数的后验概率密度函数与似然函数呈正相关；建立压痕实验测量轮廓快照Sexp响应的似然函数；
(6)基于最大似然函数计算原理，给出步骤(4)中包含不确定性物理预测模型中方差σ2；以及在最大似然估计条件下，步骤(5)中似然函数；采用马尔科夫链蒙特卡罗算法对后验概率密度函数进行抽样，得到被测试材料拉伸性能参数的后验概率分布。


2.根据权利要求1所述的基于压痕轮廓识别金属材料拉伸性能参数的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，压痕轮廓形貌按照压痕轮廓快照Si＝[si1,si2,...sim]的形式表示；其中，m表示压痕轮廓快照Si的维数，向量包含的值si1,si2,...sim是压痕轮廓垂直位移的序列量。


3.根据权利要求1所述的基于压痕轮廓识别金属材料拉伸性能参数的方法，其特征在于，所述Ludwigson硬化法则表示为：



其中，E为弹性模量；拉伸性能参数σy、K和n分别为屈服应力、强度因子和硬化指数；ε为拉伸应变；σ为拉伸应力；εy为屈服应变；εp为塑性应变。


4.根据权利要求1所述的基于压痕轮廓识别金属材料拉伸性能参数的方法，其特征在于，所述压痕轮廓快照矩阵Sw表示为Sw＝[S1,S2,...,SN]，Sw∈RN×m；其中，N表示用于压痕仿真的材料参数组合的个数，m表示压痕轮廓快照的维数。


5.根据权利要求1所述的基于压痕轮廓识别金属材料拉伸性能参数的方法，其特征在于，所述压痕轮廓快照Si与Ludwigson硬化法则参数c之间的关系表示为：
βi(ci)＝kT(ci)ai,i＝1,2,...,N
其中，矩阵β为压痕轮廓快照矩阵Sw的转置，表示为：且βi为矩阵β的第i列，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王明智，王卫东，高立波，董思彦，张俊超，曹可，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61