使用COMSOL®探索硬度编号的歧义GydF4y2Ba

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经过GydF4y2Ba 詹姆斯院长GydF4y2Ba
来宾GydF4y2Ba
2020年9月22日GydF4y2Ba

Guest Blogger James Dean的Plastometrex和Double Precision咨询(我们的COMSOL认证顾问之一)讨论了使用有限元建模(FEM)来了解硬度编号,以及仿真应用程序和COMSOL Compiler™如何启用PlastometRex,以创建一个启用的全新产品从压痕测试数据获得应力 - 应变曲线......GydF4y2Ba

多十年来,各种类型的硬度测试已经使用了。它们快速且易于执行。所测试的材料的体积相当小,因此可以将硬度数映射横跨表面,探索局部变化,并从薄表面层和涂层获得值。硬度的问题是它不是明确的财产。从给定样品获得的数量在测试类型之间变化,并且还在具有不同条件的同一测试之间变化。从表现出广泛的屈服和工作硬化特性的材料获得了类似的硬度。对此的原因很好地理解,并且使用COMSOLMultibySics®软件在此示出了效果。GydF4y2Ba

硬度数的概念(由缩进获得)GydF4y2Ba

硬度是一种衡量材料对塑性变形的抵抗力的衡量标准。有兴趣的信息,不仅仅是关于产量应力,还对随后的工作强化特征有意义。硬度编号提供了一个包含两者的尺度,虽然不是明确的方式。鉴于它所代表的复杂性,硬度不是一个简单,明确的参数,并且存在几种不同的硬度测量方案,这是不成熟的,每个都给出不同的数字。然而,对于所有这些方案来说,该想法是相同的。将指定的负载施加到压痕中,渗透到样品中,引起塑性变形并留下永久性抑郁症。可以通过多种方式获得硬度数,但在大多数情况下,这是通过测量缩进横向尺寸(直径)或穿透深度的。GydF4y2Ba

硬度通常被定义为压力(负载)除以压印和样本之间的接触区域。该比率具有应力的尺寸,尽管通常引用其简单的数字(具有KGF mm的单位GydF4y2Ba-2GydF4y2Ba)。在任何情况下,这种应力水平与材料的应力 - 应变曲线没有简单的关系,或者确实到样品中产生的应力场。样品的不同区域将经过不同的塑性应变水平,从零(塑料区的边缘)范围为几十百分点(靠近压痕)。即使是这种最大应变水平也没有明确定义,因为它取决于压头形状,施加的负载和可塑性特性。虽然材料的应力 - 应变关系确实决定了缩进尺寸(对于给定的压痕形状和负载),但从后者推断前者不直接,并且不尝试在传统的硬度测试中做到这一点。GydF4y2Ba

Brinell和Vickers测试GydF4y2Ba

在1900年开发的Brinell测试涉及使用3000kg(〜30kn)载荷将10mm直径的硬球推入样品中。Brinell硬度数由GydF4y2Ba

(1)GydF4y2Ba

h_b = \ frac {2f} {\ pi d [d- \ sqrt {(d ^ 2-d ^ 2)]}}GydF4y2Ba

在哪里GydF4y2BaFGydF4y2Ba是应用的负载(在kgf中),GydF4y2BaD.GydF4y2Ba(mm)是压头的直径,和GydF4y2BaD.GydF4y2Ba(mm)是缩进的直径(在投影视图中)。该公式对应于载荷除以接触区域。这种公式基于简单的几何方法。忽略了标本的弹性恢复。此外,在实践中,围绕缩进可以有“堆积”或“沉入”,使得真正的接触区域与从理想的几何形状获得的(并且也能够精确测量直径困难)。GydF4y2Ba

Vickers测试是在1924年由史密斯和桑德兰(在维克尔斯有限公司)开发的关键目标是降低早期测试的负荷要求。将压紧器从相对较大的球体更改为更小,并“更清晰”的形状允许使用较低的负载(可以用止返重量产生的)。根据模型,机器内通常在机器内提供几种这样的重量,从低于1千克,高达约50千克。(金刚石)压紧是具有方形底座的右金字塔,在相反面之间的角度为136英。(夏普)的边缘促进穿透和它们在缩进中产生的线条有助于测量其尺寸。GydF4y2Ba

凹痕直径,GydF4y2BaD.GydF4y2Ba,在投影中测量(如Brinell测试)。的价值GydF4y2BaHGydF4y2BaV.GydF4y2Ba(由接触区域除以负载)GydF4y2Ba

(2)GydF4y2Ba

h_v = \ frac {2fsin(\ frac {136} {2})} {d ^ 2}} {d ^ 2} \约1.854 \ frac {f} {d ^ 2}GydF4y2Ba

简单的计算,类似于Brinell测试的计算,因此允许从测量值获得硬度数GydF4y2BaD.GydF4y2Ba。与布氏试验一样,忽略试样的弹性恢复和缩进周围的“堆积”或“下沉”。GydF4y2Ba

维氏试验被广泛使用。实际上,GydF4y2BaHGydF4y2BaV.GydF4y2Ba是最常用的硬度数字,部分原因是通过改变载荷,它可以广泛应用于各种金属、薄壁型材、表面层等。图1显示了一组典型的值(GydF4y2Ba参考。1GydF4y2Ba),覆盖各种合金。这些是通过对特定样品缩进尺寸的仔细测量获得的。这些数据确实有助于说明典型的范围,尽管确切的数值至少应该谨慎对待。GydF4y2Ba

绘制Vickers硬度测试数据的图表进行一系列合金。GydF4y2Ba
图1所示。数据(GydF4y2Ba参考。1GydF4y2Ba)对于一系列合金的维氏硬度。GydF4y2Ba

作用在接触面积(在MPa)上的应力通过乘以该硬度数来获得GydF4y2BaGGydF4y2Ba(9.81)。这种压力与应力 - 应变曲线没有简单的关系。然而,如果忽略了工作硬化,那么硬度应与屈服应力成比例。对于维克斯考验,这种关系通常被写为GydF4y2Ba

(3)GydF4y2Ba

\ sigma_Y \大约\压裂{H_V} {3}GydF4y2Ba

通常用于从硬度测量获得屈服应力的这种表达。GydF4y2Ba

使用有限元以获得2合金的硬度数GydF4y2Ba

通过使用有限元建模模拟压痕过程,可以通过将特定类型的测试施加到特定合金(具有限定的应力 - 应变曲线)来预测将获得的硬度数的值。这是针对TI-6AL-4V(318)和Hadfield的锰(Mangalloy)钢来完成的。对于这两个合金的塑性变形的真正应力 - 应变曲线如图2所示。可以看出,这些显着不同,318具有高屈服应力,但工作的硬化有限,而Mangalloy则更柔软最初,但展示了更多的工作硬化。GydF4y2Ba

绘制用于硬度测试的两种不同合金材料的应力 - 应变曲线的图表,318吨和马那铝。GydF4y2Ba
图2. 318 Ti和Mangolloy合金的应力 - 应变曲线。GydF4y2Ba

图3显示了使用COMSOL Multiphysics对318钛合金进行的布氏维氏缩进模拟的预测应力场。图4和图5给出了在这两种合金上进行的布氏和维氏试验中,根据残余缩进轮廓进行模拟的相应结果。为了将这些轮廓图转换为硬度值,必须判断如果在光学显微镜中观察,缩进的直径是多少。这里有一个主观性的因素-或至少依赖于成像条件-但是预期值在这些图中显示,以及估计的误差范围。GydF4y2Ba

用于模拟压痕试验的两个并排可视化,包括位移场和318 Ti合金中的位移场和误判压力。GydF4y2Ba
图3.在模拟压痕试验期间,在模拟压痕试验期间,使用维延线(左)和预测的Von在峰值施加的峰值施加的载荷(右)的峰值施加载荷(右)时,峰值施加载荷的峰值施加负荷5kgf的峰值施加载荷。。GydF4y2Ba

在经历Brinell凹口测试后,两个合金的残留凹槽曲线图。GydF4y2Ba
图4.布里尼尔凹陷后318和Mangalloy合金的预测残留凹槽曲线。GydF4y2Ba

绘制预测残余凹痕曲线的图表在维氏压痕测试中进行4种不同负载的318 TI合金。GydF4y2Ba
在维氏压痕试验中,一种Mangalloy材料在4种不同载荷下的残余压痕轮廓图。GydF4y2Ba

图5.使用4个不同的负载,预测318 Ti(左)和马那铝(右)合金的318 TI(左)和Mangalloy(右)合金的剩余凹痕曲线(左右)合金。GydF4y2Ba

以这种方式获得的Brinell和维氏硬度数如图6所示。所示的范围对应于图6和图6中所示的测量直径的范围。4和5。几点立即清除。一个是,尽管这两个合金的应力曲线曲线如此不同(GydF4y2Ba图2GydF4y2Ba),为它们获得的硬度数相似 - 当然在基于测量方式的实验误差中的那种。还可以看出,这些误差范围相对较大,特别是对于较小的(较低的负载)维氏缩进。这些变化对定期进行此类测量的任何人都熟悉。此外,尝试将这些硬度值转换为明确定义的参数,例如屈服应力(使用诸如这些相关的相关性GydF4y2BaEQN。(3)GydF4y2Ba),也受到非常大的错误。对于这两种合金,将获得约800MPa的值,这对于Ti合金可以是可以的(因为它工作很少硬化),但是对于马那酰亚金属而言。虽然大多数获得和使用硬度数字的人熟悉他们应该被照顾的想法,但实际上,情况略微差:在任何感觉中将它们视为定量可能是非常误导的。GydF4y2Ba

基于来自不同压痕试验的缩进直径数据,显示2合金的硬度值的条形图。GydF4y2Ba
图6.从图6和图2中所示的缩进直径数据导出的硬度值。3和4。GydF4y2Ba

压痕尺寸GydF4y2Ba

潜在的更具有用的测试是将硬度测试(速度,简单,多功能性)的最佳属性的最佳属性具有传统拉伸测试的最佳属性(即全应力 - 应变曲线的产生)。一种这样的测试方法是压痕尺寸,这已经由科学家从Plastometrox开发。它涉及三个简单的步骤:GydF4y2Ba

  1. 在材料中产生球形缩进(在Brinell硬度测试中很像)GydF4y2Ba
  2. 使用集成的轮廓仪测量残余型材形状GydF4y2Ba
  3. 在使用COMSOL Multiphysics中的应用程序构建器开发的定制软件包中分析了残余配置文件数据GydF4y2Ba

底层方法的前提是概念上非常简单,涉及重复运行的压痕有限元模拟(使用COMSOL多体学),直到实验数据集(残余配置文件)和模型预测会聚(在构成塑性法中的参数的系统改变之后)。然而,存在几种复杂因素,包括解决方案“唯一性”的问题和鉴定最佳测试条件。还有清楚的是,任何这样的包装(商业上可行)都应该非常快速地提供答案,因此收敛程序需要快速且坚固。由Plastometrex实施的实际上确保在所提供的残余配置文件的几秒钟内获得全应力 - 应变曲线。整个测试程序,包括建立缩进和概况的测量,只需三分钟。GydF4y2Ba

SEMPID和COMSOLMULTIPHYSICS®的应用程序构建器GydF4y2Ba

Application Builder的一个主要景点是它使其用户能够创建具有访问COMSOL Multiphysics的全部功能的独立应用程序,许可排列允许商业化此类工具。我们自己的应用程序实现框架支撑压痕尺尺寸,被称为从压痕数据(Sempid)提取材料性质的软件。应用程序建设者是Sempid的开发的核心,主要致力于其广泛的本机开发工具及其与COMSOL Multiphysics的紧密集成。SemPID应用程序能够利用COMSOL Multiphysics的许多核心功能,包括结构力学和非线性结构材料模块,其优化工具套件及其高级求解器设置功能,以创建定制应用程序,现在构成基础一个完全新的公司,拥有元素材料技术作为其主要投资者。GydF4y2Ba

SemPID软件包的功能GydF4y2Ba

SEMPID应用程序在真正和标称形式中计算应力 - 应变曲线。然而,存在另外的特征,其允许用户实时模拟拉伸试验,并使应力 - 应变曲线的突出部分能够捕获。提供这种设施的目的是能够在压痕尺寸获得的应力 - 应变曲线之间直接比较,并且通过常规单轴拉伸试验获得的曲线(当然是这种新方法的有效性的最终试验)。GydF4y2Ba

SEMPID应用的几个屏幕截图如图2所示。7,以及压痕拖仪的图像。在显示器上是一组计算出的应力 - 应变曲线,以及来自SempID应用中的拉伸试验模拟的结果。GydF4y2Ba

并排图像显示缩进滞位仪材料测试工具的照片和Plastometrex的Sempid软件应用。GydF4y2Ba
图7.使用COMSOL Application Builder开发的SemPID软件工具的PLASTOMETREX和屏幕截图的压痕拖仪。GydF4y2Ba

压痕砖GydF4y2Ba

SemPID软件包随着购买缩进刨花仪而捆绑在一起,这是一种自动构建机器,该机器完全自动化必要的测试程序,使用编程的测试协议遵守内部开发的机密测试程序。机器可以处理一系列样品尺寸和几何形状,并且可以容纳具有平行侧面的真实部件。它具有完全集成的电子设备,最大负载能力为7.5 kN,集成的轮廓仪和定制写入控制软件。它是轻量级(<40千克)和紧凑,允许它坐在典型的台上。验证示例如图4所示。对于在第718处进行的测试,但方法适用于所有金属类型。GydF4y2Ba

通过压痕塑性计测试的合金的压痕图像,以及比较试验机和实验数据的应力-应变曲线的图表。GydF4y2Ba
图8.左侧示出的是由Inconel 718标本中的缩进拖体仪产生的缩进。在右边是Sempid衍生的应力 - 应变曲线之间的比较,并且使用常规机械测量的应力 - 应变曲线测量测试机器。GydF4y2Ba

看到缩进滞位仪在行动中GydF4y2Ba这个快速的视频GydF4y2Ba。GydF4y2Ba

参考GydF4y2Ba

  1. S.K.康,J.Y.金,C.P.公园,H.U.Kim和D. kwon,“传统的维氏仪和真正的仪表压痕硬度,由仪表压痕测试确定”,GydF4y2Ba材料研究杂志GydF4y2Ba,25(2):PP。337-343,2010。GydF4y2Ba

关于作者GydF4y2Ba

詹姆斯院长博士拥有来自克兰菲尔德大学的帝国学院,伦敦帝国学院的材料科学本科学位,以及来自克兰菲尔德大学的火力电力(燃气轮机工程)的硕士学位,在那里他得到了罗伊斯UTC奖学金的支持。他从剑桥大学材料科学系获得了博士学位。自从举办了同一部门的研究助理和高级研究助理职位以来,在2018年,他加入了Caventish实验室的科学计算中心,作为材料科学的计算方法博士学位的高级教学助理和协调员。2012年,他成立了GydF4y2Ba双重精确咨询GydF4y2Ba(DPC)是一家位于英国剑桥的公司,专门为工业客户提供先进的数学建模服务。DPC现在只有五个英国COMSOL认证顾问之一。2018年底,他被Cofounded Plastometrex,现在是其首席执行官。GydF4y2Ba


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