基于模拟退火粒子群算法与小冲杆试验确定材料塑性性能的方法

为了能够准确合理地从小冲杆试验曲线中获取材料的塑性参数,提出了一种基于模拟退火粒子群算法和有限元模拟获得材料断后伸长率及断面收缩率的方法。首先通过小冲杆试验获取X65、X70管线钢的载荷-位移曲线;其次利用模拟退火粒子群算法和有限元模拟相结合的方法,使得小冲杆模拟曲线逼近试验曲线,进而识别Johnson-Cook(J-C)本构模型参数;最后将识别的参数用于模拟单轴拉伸试验,从而获取材料断后伸长率和断面收缩率。该方法所获得的两种管线钢的断后伸长率、断面收缩率与单轴拉伸试验结果的最大相对误差分别为23.58%、3.70%。

基于小冲杆试验评价钛合金的高温拉伸性能

基于能量密度等效理论,提出依据塑性弯曲阶段载荷-位移曲线,获取均匀连续、各向同性的钛合金圆片试样应力-应变曲线的小冲杆试验新方法;采用该方法预测得到不同名义屈服强度和硬化指数组合工况下假想材料的应力-应变数据,并与有限元预设曲线进行对比;基于小冲杆试验获得的TC4合金在室温、高温(400℃)下的载荷-位移曲线,采用上述方法获得该合金的真应力-真应变曲线,并与单轴拉伸真应力-应变曲线进行对比。结果表明:预测得到的假想材料应力-应变数据与有限元预设曲线之间的符合优度均高于0.96;预测获得的室温和400℃下TC4合金的真应力-真应变曲线与单轴拉伸曲线之间的符合优度均高于0.97,屈服强度和抗拉强度的最大相对误差分别为4.86%和4.63%,验证了该新方法的有效性。

尺寸效应对小冲杆试验方法评价拉伸性能的影响

为探究尺寸效应对小冲杆试验结果的影响,对镍基合金Incoloy 800H和低合金钢3Cr1MoV开展不同厚度试样(100~500μm)的小冲杆试验,并通过Ludwig硬化模型和有限元方法构建不同试样厚度下的力-挠度曲线和真应力数据库。基于数据库和小冲杆试验曲线获取不同试样尺寸下的真应力-塑性应变曲线。在此基础上预测了材料的强度性能,并建立了试样尺寸和流动应力以及强度性能的关系。结果表明,Incoloy 800H的拉伸性能随着试样厚度的减小逐渐增加,而试样尺寸对3Cr1MoV的拉伸性能影响很小。就拉伸性能对厚度不同的依赖关系进行探讨,为小冲杆试验方法预测拉伸性能时试样厚度的选择设计提供了依据。

基于小厚度小冲杆试验的管道钢力学性能表征

为解决常规力学性能测试手段无法对高钢级管道局部区域材料的力学性能进行精细表征的问题,对小厚度试样小冲杆试验表征管道钢材料力学性能的经验关联方法进行了研究。对不同钢级管道钢材料分别开展了单轴拉伸试验与标准厚度试样小冲杆试验,通过两者数据关联得到了标准厚度试样小冲杆试验确定高钢级管材屈服强度及抗拉强度的经验公式。在此基础上,以X80钢为例开展了系列非标小厚度试样小冲杆试验,对经验公式进行了厚度效应修正,最终形成了基于小厚度试样小冲杆试验的高钢级管材力学性能表征方法,并进行了适用性验证。研究结果表明:考虑厚度效应的力学性能经验关联公式对于不同批次的X80钢非标小厚度试样小冲杆试验结果适用性良好;关联所得屈服强度及抗拉强度与单轴拉伸试验结果相比最大误差分别为9.87%和5.61%,均满足工程需求。研究结果可为不同高钢级管材力学性能研究提供理论基础与技术支撑。

小冲杆试验评价材料的断裂韧度

为了评价材料断裂韧度,通过小冲杆试验对2.25Cr1Mo的回火脆态、脱脆态、焊缝区以及1.25Cr0.5Mo钢进行了试验研究,并对所得的小冲杆试验数据进行了分析。结果表明小冲杆等效断裂应变cε与小冲杆能量Esp之间存在重要的线性关系;同时发现断裂点的小冲杆能量值与材料的断裂韧度值线性相关。该方法为无法获取标准试样进行材料抗断裂性能评价场合提供了一种可行的测试技术。

剪切修正GTN模型在小冲杆试验中的应用研究

小冲杆试验作为一种非标准的微试样测试技术,能有效地获取薄板结构的材料参数。而选用合适的损伤模型对准确表征材料变形到断裂的整个过程有着重要影响。基于NAHSHON提出的含剪切修正项的Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)模型,通过有限元软件ABAQUS及用户自定义子程序VUMAT考察不同应力三轴度对断裂失效的影响。采用有限元模拟和拉伸试验获得冷轧硅钢材料的无损伤弹塑性力学参数以及GTN损伤演化模型中的形核参数和临界断裂参数,通过纯剪切试验和数值模拟的对比确定出材料中微孔洞的剪切变形对材料损伤演化的贡献。运用剪切修正的GTN模型对小冲杆试验进行模拟,结果表明,由于修正GTN模型考虑了微孔洞剪切畸变的对材料损伤影响,模拟结果比原GTN模型更接近于试验数据,可更好地应用于小冲杆试验的研究。

小冲杆试验方法评价1.25Cr0.5Mo珠光体钢的蠕变性能

对1.25Cr0.5Mo珠光体钢的小冲杆蠕变试验结果和传统蠕变试验结果进行比较。试验结果表明小冲杆蠕变试验所获得的中心挠度变形曲线与传统蠕变试验的应变变形曲线是相似的。同时也发现在相同的断裂时间下,小冲杆蠕变试验中所施加的载荷值与传统蠕变试验的应力值的比值在一定载荷范围内为一恒量。在本次研究中,一些在传统蠕变试验中常用的经验公式如Larson Miller法则、Dorn方程、Monkman Grant关系式等被用来分析小冲杆蠕变试验。所得结论与传统蠕变试验的结论是相近的。综上所述,小冲杆试验方法可以用于高温下服役材料蠕变性能的评价。

小冲杆试验方法标准化研究(二)——材料室温拉伸性能的确定

在试验研究和数值分析的基础上对小冲杆试验的载荷—位移曲线进行了分析,并对材料屈服载荷的确定方法进行了讨论。通过对50余种材料进行小冲杆试验研究数据的分析和处理,归纳出了对材料屈服强度、抗拉强度、断后伸长率和断面收缩率的关联方法,给出了材料常规性能关联参考公式,给中国小冲杆试验标准的制订提供了依据。

小冲杆试验参数的有限元分析

小冲杆试验 (smallpunchtest,SPT)技术作为一种新型微试样试验技术近年来发展很快 ,通过极少量试样材料进行试验就可以得出材料的诸多性能。由于小冲杆试验过程很复杂 ,如果想直接用分析的办法得到令人满意的解析解很难 ,早期的一些研究也多重于经验公式的推导。随着计算机技术的发展 ,有限元方法 (FEM )作为一种模拟分析工具逐渐应用到小冲杆试验研究中 ,文中通过ABAQUS有限元分析软件模拟小冲杆试验过程 ,并对试验中的钢珠直径d、下夹头直径D和试样厚度t以及摩擦因数 μ的变化对试验结果的影响进行考察分析 ,发现试验结果对t的微小精度差异相当敏感 ,因此在圆片试样制备中要特别注意试样厚度t的尺寸精度。此外因为目前小冲杆试验参数D和d还不是很统一 ,因此对D、d不同而引起的载荷—位移曲线变化趋势的讨论将有助于分析比较不同研究者的试验结果。

带环形裂纹的微试样小冲杆试验法测试材料断裂韧性探讨

火电、核电、石油化工行业中有大量的在役压力容器、管道和构件,准确评价在役设备材料的脆化和结构完整性,对于保证装置的安全运行具有重要意义。为适应这一需求,小冲杆测试技术得到了发展,但对小冲杆试样评估在役容器材料的断裂韧性时,仍然只是依靠经验方法和标准的断裂韧性值进行关联,缺乏理论依据。该文提出了在小冲杆试样上开一环形裂纹,以反映裂纹体的断裂韧性测试要求。

小冲杆试验方法标准化研究(一)——通用要求

小冲杆试验方法是一种针对材料性能评价的微型试样测试技术,经过各国研究人员30余年的不断研究,该技术日趋成熟并已经在相关领域应用。由于各国的技术路线不同,其试验设备要求、试件尺寸、数据处理方法等均不统一,因此制订中国小冲杆试验法标准十分必要。分析了小冲杆试验法试验设备的关键性能指标,提出了试验设备的技术要求;分析了目前各国采用的小冲杆试样尺寸和模具尺寸及其对力学性能的影响,讨论并提出了标准试样尺寸建议。

小冲杆试验测试回火脆化对加氢反应器用钢焊缝力学性能的影响

利用小冲杆试验（SPT）研究了回火脆化对加氢反应器用2.25Cr-1Mo钢焊缝在-196~22℃范围内力学性能的影响,获得了它的韧脆转变温度,并对SPT试样断口进行了分析。结果表明：随着试验温度的降低,2.25Cr-1Mo钢焊缝的强度明显提高;回火脆化后的屈服强度和抗拉强度较脱脆处理后的明显大,表现出一定的回火强化效应;SPT试样断裂能可以较好地表征材料的低温韧脆转变特性和回火脆化,回火脆化使得材料的韧脆转变温度升高。

小冲杆测试材料屈服载荷的有限元分析

文章通过ABAQUS有限元分析软件模拟小冲杆试验过程,重点分析2.25Cr1Mo、16MnR、20#、1.25Cr0.5Mo4种材料的小冲杆屈服载荷。试验结果表明,有限元模拟得到的材料屈服载荷与常规拉伸试验所得出的屈服强度存在显著的线性关系,并具有相当高的相关系数。为最终通过小冲杆试验评价材料的屈服强度提供了一条新的思路。

在役设备材料弹塑性力学参数测定方法综述--小冲杆实验力学研究进展之一

20多年以来,采用小型试件的小冲杆试验技术来测量在役设备材料的各种力学参数已经取得了很大进展,这个方法已经用来确定材料的弹性模量、屈服强度、塑性性能、抗拉强度、韧-脆转变温度、断裂韧度、蠕变性能和黏塑性性能等各种力学性能。由于从小冲杆试验的测量结果来确定材料的力学性能是一个反问题,因此,与此有关的反问题分析方法也得到了相应的发展。本文系统综述小冲杆试验的测量技术及从测量数据来确定材料弹塑性参数的各种经验方法和计算方法,例如有限元分析和参数法、反向有限元法、有限元和反方法、反向识别和人工神经网络、有限元优化和试验变形形状以及杂交反方法等。

小冲杆试验中摩擦系数及试样厚度对载荷-位移曲线及断裂位置的影响

基于Gurson弹塑性损伤理论,应用大型有限元软件ABAQUS对小冲杆试验全过程进行模拟,通过0.5mm厚试样载荷-位移曲线的模拟值与试验值对比,确保有限元模型参数的准确性,进而得出钢珠与试样间的摩擦作用对载荷-位移曲线及断裂位置的影响,以及试样厚度对断裂位置的影响。

小冲杆试验技术测定金属材料强度性能

对小冲杆试验测定金属材料的屈服强度σy 和抗拉强度σb 的方法、试样制备、结果分析以及试验影响因素等方面都作了完整的研究和分析。在试验的基础之上 ,得到了σy—Py 和σb—Pmax间的经验关系式 ,从而真正实现了将小冲杆试验技术推广到实际工程应用中去的目的。

基于Delphi的小冲杆试验机数据采集系统的开发

阐述了小冲杆试验技术的原理。在小冲杆试验机数据采集系统开发中引入了间接测量试样弯曲变形位移的新方法,使得测量更准确、操作更方便。并在Windows下基于Delphi6.0平台开发了适合小冲杆试验特点的数据采集程序,实现了载荷 位移曲线实时显示、存储与重绘等功能。

10×10^19cm^-2快中子辐照国产A508-3钢材料的小冲杆试验研究

小冲杆试验方法以其所需测试样品尺寸小而带来的样品感生放射性小等优势,越来越多地应用于核材料力学性能评价领域。本文设计了一套利用光栅尺直接测量样品变形的小冲杆试验装置,较传统装置精度有明显提高。利用该套装置对注量为10×10^19 cm^-2(E≥1 MeV)快中子辐照的国产A508-3钢材料进行了小冲杆测试研究,探索了针对放射性样品从制备到测试的试验方法,并获得了国产A508-3钢材料的小冲杆屈服特征值、抗拉特征值和韧脆转变温度与标准试验之间的关系式。

用小冲杆试验法评估304L不锈钢的应力腐蚀敏感性

利用小冲杆试验对304L不锈钢进行了应力腐蚀敏感性评估,研究了加载速度和腐蚀介质对评估结果的影响,并对小冲杆试样的断口形貌和显微组织进行了分析。结果表明:最适合304L不锈钢评估的小冲杆应力腐蚀试验介质为1.0mol.L-1 NaCl+0.5mol.L-1 HCl混合溶液,加载速度为3×10-3 mm.min-1;在以上介质中,304L不锈钢小冲杆试样断口以穿晶解理断裂为主,部分为准解理断裂;小冲杆试验法是一种有效的应力腐蚀敏感性评估手段,且具有快速近乎无损等特点。

小冲杆试验法及其在评定材料韧性方面的应用

多位研究者证明 ,作为微试样技术之一的小冲杆试验法可以代替传统试验方法测出材料的各项力学性能。本文简要介绍了这种新型试验方法的工作原理 ,并详细介绍和分析了用小冲杆试验技术测定材料延脆性转变温度 ( DBTT或 FATT)及断裂韧性 ( KIC或 JIC)等韧性指标的研究工作 。