利用球压痕载荷位移曲线反演材料力学参数的方法

技术特征：
1.一种利用球压痕载荷位移曲线反演材料力学参数的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤s1，利用球压痕法得到待测材料的载荷位移曲线，同时建立预测载荷位移曲线的插值方法；步骤s2，基于金属材料力学性能无量纲方程，求解得到初始屈服强度y1和初始强化指数n1；步骤s3，绘制屈服强度和强化指数的坐标系，根据所述初始屈服强度y1和初始强化指数n1对应的初始参数坐标点确定若干个局部优化区域，求得所述各局部优化区域内的局部最优参数坐标点；步骤s4，根据各所述局部优化区域内的局部最优参数坐标点，通过二次函数拟合得到抛物线顶点即为全局最优参数坐标点，所述最优参数坐标点对应最优屈服强度y2和最优强化指数n2，得出所述最优屈服强度y2和最优强化指数n2对应的应力应变曲线。2.根据权利要求1所述的利用球压痕法测试材料力学性能的方法，其特征在于，所述步骤s1包括：步骤s1.1，建立球压痕有限元模型；创建材料参数与球压痕载荷位移曲线对应的数据库；步骤s1.2，选用三次多项式描述材料的球压痕载荷位移曲线，所述三次多项式为：所述h为压入深度，r为球压痕半径，p
m
为球压痕meyer硬度，p1、p2、p3、p4为待拟合参数；步骤s1.3，采用方程：描述待测材料的应力应变曲线，所述y为屈服强度，n为强化指数，e为材料的弹性模量，所述弹性模量为已知；步骤s1.4，利用插值函数分别构建p1、p2、p3及p4与y和n之间的关系，根据插值所得p1、p2、p3及p4的值确定给定压入深度h下的球压痕meyer硬度p
m
，进而计算出给定h下的载荷l，得到待测材料的载荷位移曲线。3.根据权利要求2所述的利用球压痕法测试材料力学性能的方法，其特征在于，所述步骤s1.4具体方法包括：建立插值函数：函数：函数：函数：通过插值确定多项式系数p1、p2、p3、p4，从而确定给定h下的p
m
，根据公式l＝p
m
a计算所
述载荷l，所述a为压痕投影圆面积。4.根据权利要求2所述的利用球压痕法测试材料力学性能的方法，其特征在于，所述步骤s2包括：步骤s2.1，建立无量纲方程的抽象表达式所述σ
r
为代表应力，所述π为待确定无量纲方程；步骤s2.2，取不同的特征压入深度h
r
和代表塑性应变ε
r
，对π方程的具体形式进行筛选优化，使待确定方程π独立于强化指数n，最终确定两个代表塑性应变ε
r1
和ε
r2
的参数值，并确定代表塑性应变ε
r1
对应的待确定无量纲方程π1和代表塑性应变ε
r2
对应的待确定无量纲方程π2；步骤s2.3，将塑性应变ε
r1
代入无量纲方程π1，求解得到σ
r1
，将塑性应变ε
r2
代入无量纲方程π2，求解得到σ
r2
，将得到的ε
r1
、σ
r1
和ε
r2
、σ
r2
分别代入方程解得所述初始屈服强度y1和初始强化指数n1。5.根据权利要求4所述的利用球压痕法测试材料力学性能的方法，其特征在于，所述代表塑性应变ε
r1
＝0.011，所述无量纲方程π1的形式为所述代表塑性应变ε
r2
＝0.0135，所述无量纲方程π2的形式为6.根据权利要求4所述的利用球压痕法测试材料力学性能的方法，其特征在于，所述步骤s3包括：步骤s3.1，以所述初始屈服强度y1和初始强化指数n1对应的初始参数坐标点为中心建立一个矩形的优化区域，将所述优化区域等分为若干个局部优化区域，利用局部优化算法优化得到每个所述局部优化区域内的局部最优参数坐标点；步骤s3.2，判断是否有所述局部优化区域内的局部最优参数坐标点位于局部优化区域的边缘或外部，若否，则进行步骤s4。7.根据权利要求6所述的利用球压痕法测试材料力学性能的方法，其特征在于，若步骤s3.2中判断结果为是，则进入步骤s3.3：计算误差最小的局部最优参数坐标点，将全部的局部优化区域向具有最小误差的方向移动，重新利用局部优化算法优化得到每个所述局部优化区域内的局部最优参数坐标点，返回步骤s3.2。8.根据权利要求6所述的利用球压痕法测试材料力学性能的方法，其特征在于，局部优化算法的方法包括：提出误差公式公式中的c
i
＝l
i
/h
i2
，根据公式求得所述局部优化区域内的最小误差error，根据所述局部优化区域内的最小误差error求得对应的所述局部最优参数坐标点。9.根据权利要求1所述的利用球压痕法测试材料力学性能的方法，其特征在于，所述利用球压痕法测试材料力学性能的方法还包括：步骤s5，根据各所述局部最优参数坐标点分别得出对应的应力应变曲线，并将所有所述局部最优参数坐标点的应力应变曲线和最优参
数坐标点对应的应力应变曲线表达在同一应力应变曲线图。

技术总结
本发明公开了一种利用球压痕法测试材料力学性能的方法，包括如下步骤：步骤S1，利用球压痕法得到待测材料的载荷位移曲线，建立预测载荷位移曲线的插值方法；步骤S2，建立不同压入深度下的金属材料力学性能的无量纲方程，求解得到初始屈服强度Y1和初始强化指数N1；步骤S3，绘制屈服强度和强化指数的坐标系，根据初始参数坐标点确定若干个局部优化区域，并求得局部最优参数坐标点；步骤S4，根据各局部优化区域内的局部最优参数坐标点及其误差值进行抛物线拟合，抛物线定点坐标即为全局最优参数坐标点，进而得出对应的应力应变曲线。本发明能够准确地给出材料的应力应变参数，在一定程度上避免了现有压痕算法常见的唯一性问题，且经验证该方法结果准确，实用性高，同时克服了传统材料力学测试手段耗能高、试样加工繁琐、无法在线检测等缺点。无法在线检测等缺点。无法在线检测等缺点。


技术研发人员：孙占坤 赵洋洋 李磊 郭俊宏 吕书锋
受保护的技术使用者：内蒙古工业大学
技术研发日：2022.08.12
技术公布日：2022/11/18