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科研进展

【JNM】一种用于评估拉伸性能的改进的小冲杆变形分析方法

发表时间：2024-04-11 阅读次数：74次

引文格式：

GB/T 7714

A.V. Pandey, V. Karthik, et al. An improved analysis of small punch deformation for evaluating tensile properties[J]. Journal of Nuclear Materials, 2024, 594: 155021.

MLA

Aishwary Vardhan Pandey, et al. "An improved analysis of small punch deformation for evaluating tensile properties." Journal of Nuclear Materials 594 (2024) 155021.

APA

A.V. Pandey, V. Karthik, A.R. Shaik, A. Kolhatkar, T.K. Haneef, & D. R. (2024). An improved analysis of small punch deformation for evaluating tensile properties. Journal of Nuclear Materials, 594, 155021.

背景简介

长期以来，材料科学家一直对减少拉伸、蠕变和疲劳等材料测试的试样尺寸感兴趣，以帮助在有限的材料体积下快速筛选新合金。小试样的使用对于发电厂(核能和化石燃料)和石化工业的在役部件的寿命评估很有吸引力。小冲杆(SP)方法是一种很有前途的利用小体积测试材料评估拉伸性能的技术，但其适用性受到现有的双切线法、偏移法和双线性函数拟合方法确定的屈服强度(F_Y)来估计拉伸屈服强度(YS)时较大误差的限制。在本研究中，通过有限元分析确定了基于试样厚度的屈服强度(F_Y)，并在声发射(AE)技术的支持下，制定了从实验数据确定F_Y的方法。各种结构钢、铬镍铁合金和铝的YS-F_Y相关性表现出良好的线性关系，标准误差在7%以内。基于小冲杆(SP)的变形发生在载荷-挠度曲线拐点(F_s, u_s)的塑性失稳开始，试件挠度u_s与拉伸均匀应变的相关性优于参数u_m(峰值荷载挠度)。使用本研究中制定的方法和SP-拉伸相关性从SP试验中评估的中子辐照SS 316的拉伸性能，发现在单轴拉伸试验结果的6-8%之内。

成果介绍

为了建立一种通过小冲杆试验估算YS的方法，选择了涵盖各种拉伸性能的材料，如不同等级的钢、铬镍铁合金、铝等材料，并进行对应材料的单轴拉伸试验。以不同材料的真实应力应变数据作为输入，进行小冲杆试验的有限元模拟。图1为小冲杆试验的设备设置。图2为参与测试的试验材料。图3为本文的有限元模型。

图1 小冲杆试验的设备设置

图2 参与测试的试验材料

图3 本文的有限元模型

（1）采用有限元模拟方法研究了SP试验初期试样的变形情况。在有限元模型中沿试件的中线沿厚度选取一组节点，并考察了von Mises应力随冲头载荷增加的演化规律。由于塑性变形始于冲压接触以下的试样层，因此选择该区域进行屈服载荷分析。在变形的初始阶段，冲头与试样接触时的von Mises应力(图4)的增加超过了材料的屈服强度，而厚度方向上的其他区域的应力水平仍低于YS。这对应于试样顶部表面的初始冲孔压痕。随着施加力的增大，试件的弯曲应力逐渐增大，在不同厚度层上，von Mises应力逐渐超过屈服强度。在整个试样厚度上，von Mises应力超过屈服强度的最小载荷被认为是具有代表性的屈服载荷。这可以直观地认为是使屈服或塑化在其中心的试样厚度上完全扩散的最小载荷。

图4 不同冲压载荷下试件厚度的von-Mises应力变化

（2）为了从F-v曲线中确定FY，研究了载荷-位移曲线的瞬时斜率作为冲头位移的函数。瞬时斜率是通过考虑一个点与其最近的两个点的平均斜率来计算的。在本工作中，采用与冲头位移相对应的位移(v)而不是试样底部的挠度(u)进行分析。图5显示了初始冲床位移为0.04 mm段的F-v和(dF/dv)-v曲线。根据其变形行为，该段边坡位移的变化表现为三个阶段，即(i)压痕和弹性弯曲(P-Q)，(ii)弹塑性弯曲(Q-R)和(iii)塑性弯曲(R-S)。P、Q、R、S处屈服区(红色部分)的扩展情况如图5所示。在第一阶段，变形开始于局部压痕和弹性弯曲。这一阶段主要由压痕控制，因为冲头和试样之间的接触应力明显高于弹性弯曲应力。随着变形的进行，压痕和弯曲应力随压痕深度的增大而增大，导致斜率-位移曲线增大。