基于ANSYS的材料模型属性的建立与压痕量的分析

一线天

1 前言
   
    在残余应力测试技术中，压痕法是在硬度法的基础上发展起来的一种有效的测量法，相关学者通过压痕法实验结果与盲孔法、X射线法对构件残余应力的测量结果相似性探讨其方法的可行性，近来并通过有限元分析压痕法中试件在局部受载区域的弹塑性行为，包括其局部应力的分布、弹塑性变形区域、压人深度、压痕面积等变量与压载P的大小、压球直径、构件的材料性能和构件内部应力等的关系。在有限元分析软件中，试件材料性能的描述，特别是试件材料在载荷下塑性区域的应力应变关系的描述，在压痕法测量残余应力有限元分析中极其重要，因为材料在塑性区域的应力应变关系反映了材料抵抗外力的能力，它直接会影响到在载荷下模型试件的弹塑性行为。因此本文通过实验手段法获得试件材料力学参数，并对实验数据进行合理的整理，准确地在有限元环境中描述试件材料的力学性能，使试件在局部载荷作用下，其压痕深度、局部应力等有限元分析结果更为有效;同时通过比较实验硬度和有限元分析所得的硬度值，进一步说明获得试件材料力学性能的实验手段正确，ANSYS中各组试件材料模型数据的建立有效、可行。
2 材料塑性区域应力应变关系的实验数据
   
    本文实验是在德国ZWICK IOOkN电子拉力实验机上完成，选用比较通用的一些金属材料45号钢、40Cr,35CrMo等，并对每一种材料分组，每组进行不同的热处理，以获得不同的硬度值和不同的力学性能，最后对实验结果进行有效的科学处理。这里以40Cr为例，弹性模量E为2.11 x1QsMPa，泊松比v为0.277,实验分5组，第一组40Cr退火825℃炉内冷却、第二组40Cr正火850℃空气冷却、第三组40Cr调质处理、第四组40Cr调质处理回火500℃空气冷却、第五组40Cr调质处理回火190℃空气冷却，试件经过5种不同的热处理，其硬度范围分别为HB70-HB120, HB190-HB240, HB3b0-HB410, HB280-HB330, HB490-HB540左右。在实验过程中除了获得一般的材料力学参数外，特别要获取在塑性区域的应力一应变数据，为了得到有效的实验数据，每组为6根试样;为了得到合理的测量结果，对数据作科学处理，根据t分布和贝塞尔公式判断系统误差，按照莱以特准则和格罗布斯准则判别并剔除粗大误差，并计算全部测量值的算术平均值，消除实验过程中的随机误差，作为最后实验结果，表1为每组6根40Cr试样在经过数据处理后的最后结果。

3 有限元材料模型属性建立
   
    硬度实验可用来研究金属材料的变形机理，了解压入过程，在压入式硬度实验中.将球、圆锥体或角锥体在一定压载的悄况下压入试件表面，其试件接触周围塑性区域材料变化的过程可由压痕引起的所有变量即压痕深度、压痕直径、压痕面积、隆起部分、塑性变形、塑性区域、回弹量等来描述，并可通过有限元分析来观察压头压入试件表面的压入过程.了解在硬度试验过程中试件压痕区所产牛的应力和应变的复杂分布情况;同样残余应力测试技术中，压痕法的研究是分析试件在局部载荷作用下其接触区域的弹塑性变形、局部应力和应变等弹塑性行为，因此在硬度法和压痕法的有限元分析中试件材料属性模型的建立尤为重要。在,ANSYS分析软件中，从Main Menu选择Material Props/Material Model命令，打开Define material Model Behavior窗口，展开材料属性树形结构，定义弹性模量EX和泊松比PRXY;同时在Structural/Nolinear中依照Von Mises屈服准则输人材料在塑性区域的应力应变值，其值来源于实验结果(表1)，完成各组材料模型属性的建立。图1 (a), (b),(c),(d), (e)分别为40Cr材料根据实验结果在ANSYS分析软件中描述的第一组、第二组、第三组、第四组和第五组的应力应变关系，这种应力应变关系直接影响材料在局部载荷F金属材料的变形机理、压人过程和弹塑性行为，因此这种关系建立的准确性在硬度法和压痕法分析中尤为关键。

4 有限元分析结果
   
    本文利用有限元分析刚性压入体对半无限大塑性表面压入行为中所产生的压痕几何尺寸、应力及应变，刚性压入体是一个圆钢球(布氏压头)和圆锥体(120圆锥洛氏压头)，试件为半无限大、理想塑性平面并具有屈服应力，假设压入过程中无摩擦。根据对称性，选取试件和压球的1/4建立几何模型，其模型见图2，同时合理选择压球大小和载荷大小使其压入深度成为塑性变形深度。在此压球的直径取2.Smm，试件为5组不同热处理的40Cr，根据硬度实验要求取压载力P为1839N，使压痕有一定的深度并在试件表面产生一定的塑性变形。在5组材料模型属性建立的基础上，划分网格，定义边界条件，加载求解。

    图3(a), (b), (c), (d), (e)分别列出了各组在压载力1839N作用下的压入过程，特别分析了5组试件在载荷作用下发生塑性变形的压痕量h。

   
    根据压痕量和硬度计算公式HB=0.102Pl(ЛDh)，求解在ANSYS中5组试样的硬度值，分别取压载力P为1839N, 2000N, 2250N, 2500N, 2750N, 3000N时，得到压痕量h并计算其硬度值，该硬度值与压载力1839N时所计算得到的硬度值基本相同。表2为在压载力P=1839N作用下有限元分析得到的球底位移h,、边缘凸起位移即隆起量h2,卸载后回弹量h3,庄痕量h=h1+h2-h3, D为压球直径，从而计算得到硬度值，比较ANSYS计算的硬度值与试件的实测硬度值，两者结果基本相接近。

5 结论
   
    本文比较了用有限元方法计算得到的硬度值与实测硬度值，其结果的相近似性可以说明材料实验手段和材料模型属性建立的准确性，从而进一步保证了压痕法中利用有限元模拟分析在局部载荷下的弹塑性行为的有效性和可行性，为压痕实验和工程实用化提供有效指导参数。