摘 要

随着工业和科技的高速发展，人们对工业设备的测试能力也有了明显的进步。目前，尤其是对正在从事工业生产的在役设备的安全问题已被提到一个新的高度被人们重视。本文我们重点介绍一种新型的无损检测方法——连续压痕法进行研究介绍。这种检测方法目前是国内外研究无损检测的专家和学者的研究重点。

在本篇论文中，我们通过模拟实验和分析重点对连续球压痕试验的理论原理进行了详细的分析，对该方法由理论到实践进行了较系统的分析研究。连续球压痕试验法的优点有很多，如：非常简单快捷、近乎于无损、不需要取样便可以非常准确的检测设备的机械性能。这也是该方法在业内备受欢迎的原因。

连续球压痕法是通过反复的加载和卸载，来实现连续压痕的，在加、卸载的同时记录下测试过程中的载荷以及压痕深度，将载荷和深度记录，绘制成为载荷-位移曲线。之后推导得出的关系，得到了自动球压痕试验对测试材料的关于真应力-真塑性曲线的测定，随即就可以通过连续球压痕试验测出设备的机械性能，并准确地推导出相关的经验公式。

在本本文的实验和推导中，主要应用了具有仿真模拟功能的软件—ABAQUS，有限元技术模拟球压痕试验的加、卸载过程，记录并绘制数据，并进行分析和计算，得出更利于观察的云图和动画，通过模拟实验和传统技术的对比，最后证明出应用有限元技术比传统方法误差更小，数据更准确。

最后得出了结论，通过对比我们可以看出连续球压痕试验和常规力学性能试验得出的材料性能数据相似度都很高，在很多方面都高度吻合，并且在屈服强度和抗拉强度的数据上都有很大的关联。因此，连续球压痕法基本可代替常规试验法对设备进行机械性能分析，而且误差更小。该方法不仅具有非常重要的研究意义还具有相当高的应用价值。

关键词 ：有限元技术；压痕法；力学性能：无损检测；机械性能

ABSTRACT

With the rapid development of technology, people have made significant progress in the testing ability of industrial equipment. At present, in particular, the safety of the equipment being engaged in industrial production has been mentioned in a new height. which is a new method of nondestructive testing. This detection method is currently the focus of the research of non destructive testing experts and scholars at home and abroad.

In this paper, the principle of continuous ball indentation test is introduced in this paper. Through the simulation experiments, the method is studied systematically from theory to practice. Continuous ball indentation test method has many advantages, such as: very simple, fast, almost no damage, no need for sampling can be very accurate detection of the mechanical properties of the equipment. This is the way the industry has been popular reasons.

Continuous ball indentation method is through repeated loading and unloading, and to achieve the continuous indentation of, in the loading and unloading at the same time record test in the process of load and indentation depth and the load and depth records, and draw into indentation curves load displacement curve. After deriving the relationship and conventional tensile test is a measure of the actual stress strain curve, through the analysis and research of the two curves, so as to get the automated ball indentation test on the material test really should force - true plastic strain curve determination. The mechanical properties, such as elastic modulus, yield strength and ultimate tensile strength of the equipment can be measured by the continuous ball indentation test, and the relevant empirical formula is obtained.

In this experiment and derivation, the main application of the simulation of ball indentation test with simulation function of the software, ABAQUS, finite element technology of loading and unloading process, record and plot the data, and carries on the analysis and calculation, draw more conducive to the observation of the image and animation, through comparison of simulation experiment and traditional technology. Finally, we prove that the application of the finite element method is smaller than the

traditional method of error, data is more accurate.

Finally, it is concluded that the data similarity is very high, Therefore, the continuous ball indentation method can be used to replace the conventional test method to analyze the mechanical performance of the equipment, and the error is smaller. It can be seen that the method not only has very important research significance but also has a very high engineering value.

Key words: finite element technology; indentation method; mechanical properties; nondestructive testing; mechanical properties.

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 2

1.1选题背景 2

1.2压痕法 3

1.3意义与优点 4

1.4国内外发展状况 4

1.4.1.国外发展状况： 4

1.4.2.国内发展状况： 5

1.5本文研究内容 6

第二章 球压痕试验原理 7

2.1引言 7

2.2真应力-真塑性应变曲线的关联 8

2.2.1 应力应变关系的简化模型 8

2.2.2 关联真应力-真塑性应变曲线的经验方程 8

2.3材料屈服强度与工程极限拉伸强度的关系 11

2.3.1 测试屈服强度 11

2.3.2 计算工程极限拉伸强度 12

2.4计算强度系数K和应变硬化指数n 12

2.5本章小结 13

第三章 通过有限元模拟连续压痕法 14

3.1引言 14

3.2 ABAQUS 简介 14

3.3 球压痕法作用于Q345R的有限元模型 16

3.4 通过有限元分析Q345R性能的结果 18

3.5本章小结 19

第四章 通过模拟计算进行确定材料的相关性能 20

4.1弹性模量E的获取 20

4.1.1 Oliver-Pharr方法 20

4.1.2 的获取 22

4.1.3 计算E的方法 24

4.2 应力应变值的获取 24

4.2.1 应变值的获取 24

4.2.2 应力值的获取 26

4.3 应变硬化系数K和应变硬化指数n的获取 29

4.4屈服强度的获取 29

4.5工程极限拉伸强度的获取 29

4.6球压痕法结果与常规试验结果对比 30

第五章 结论与展望 31

参考文献 32

第一章 绪论

1.1选题背景

目前，对材料拉伸性能的检测与评估，主要都是用单轴拉伸试验来完成的，因为这种方法经过多年论证，不仅理论成熟而且测试数据也比较准确，但是唯一不足的是它对检测设备具一定的破坏性，是不能对正在服役的设备与部件进行评估的。机械检测和无损检测两种检测材料设备残余应力的方法：机械测量法主要是把存在残余应力的部件经过割的方法，释放材料内部应力，测量材料的应变值，之后求出材料的残余应力。这种检测方法测量出的结果精度比较高，并且理论也比较完善，但是它最大的缺点是对部件具有一定不可逆的破坏性^【1】。另一种方法——无损检测法，如超声法、X-射线法、中子衍射法等。此类方法主要的特点是；对于设备和部件没有破坏性，但是测量成本一般都比较高，而且测量出的数据误差比较大 。对于在役期间设备机械性能的检测，采用传统的方法不是具有不可逆的破坏性，就是测量的数据误差比较大。因此采用传统方法，对在役设备机械性能进行评估，无法非常精准的评估出设备的剩余寿命及其老化程度。

1.2压痕法

连续压痕法的实验主要是通过刚性压头垂直对被测材料反复施加并卸载部分载荷，在实验施压和卸载循环过程中，通过相应检测传感器即时对材料的加载与部分卸载过程的垂直压入的位移与载荷量进行实时测量，从而获得全部加载与卸载过程中连续压痕试验过程的压痕曲线，该压痕曲线就是我们要得到的重要数据曲线-载荷-位移曲线^【2】。材料真应力-真塑性曲线就是通过载荷-位移曲线推导而得的，由于真应力-真塑性应变曲线和材料的各项力学性能相互关联，由此就可以推导得到包括屈服强度、抗拉强度、应变硬化指数和强度系数等多材料的力学性能数据。

1.3意义与优点

随着工业化的发展，人们对材料性能的要求变得越来越高，并试图通过简单的硬度试验得出材料更多的机械性能。本文研究的压痕法不仅可以测量材料的硬度，还能测量材料的弹性模量、拉伸性能和残余应力等机械性能。而且该方法测量机械性能的最大优点是：在对检测设备部进行任何破坏的情况下检测在役设备机械性能。这样便有助于对一些正在运行工作的设备进行有效的性能评估，从而确定剩余寿命以及其老化程度^【3】。

1.4国内外发展状况

1.4.1.国外发展状况：

最早的压痕法概念是Hertz在1881年提出的。到了1980年以后，美国科学家Haggag等人提出利用连续压痕试验来实现对材料的多种性能的力学测试，进而研发出了连续球压痕试验机，在工程方面得到推广并发挥了其商业价值。到了1989年，同样是来自美国的科学家Haggag，将他的研究成果——“现场压痕显微探针”技术申请了美国的技术专利，同样把该技术进行商业化的制造并开始被业内认可和应用。应力应变显微探针系统是利用自动球压痕技术，这种技术能够通过现场检测服役材料局部，还不会对正在服役的材料产生损害影响生产的检测试验，来测量正在服役的金属材料现行主要力学性能。

图1.1 自动求压痕实验所获得的载荷深度曲线

不久后，Haggag随即提出自动球压痕试验法。他的实验过程大体如下：他将球压头以一不变的速率垂直施加一定的载荷在被测材料表面的一个位置上，当载荷到达一定数值或下压深度到达了一定的值时开始进行部分力卸载，这样便完成了一次循环，然后再次加载并进行部分卸载，进行如此多次循环之后。通过传感器，我们可以得到我们需要的反复的几次加载和卸载全过程中压头的位移量和载荷量，并绘制出了关于载荷－深度曲线^【4】，该曲线如图1.1所示。此载荷-位移曲线可以和其真应力-真应变曲线相互关联转化，进而得到如弹性模量、屈服强度、工程极限拉伸强度等一系列各项机械性能。

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