圆片小冲杆试验新方法与航空材料力学性能互换

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28708

材料工程与机械制造

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 | 后一篇

圆片小冲杆试验新方法与航空材料力学性能互换

李纪涛¹, 韩光照², 熊俊¹, 周甜², 蔡力勋²()

^1.成都飞机工业（集团）有限责任公司，成都 610092
^2.西南交通大学力学与航空航天学院应用力学与结构安全四川省重点实验室，成都 610031

收稿日期:2023-03-16 修回日期:2023-04-06 接受日期:2023-05-15 出版日期:2024-02-15 发布日期:2023-05-24
通讯作者: 蔡力勋 E-mail:lix_cai@263.net
基金资助:
国家自然科学基金(11872320)

Novel small punch testing method and its application to conversion of mechanical properties for aerospace materials

Jitao LI¹, Guangzhao HAN², Jun XIONG¹, Tian ZHOU², Lixun CAI²()

^1.Chengdu Aircraft Industrial （Group） Co. Ltd. ，Chengdu 610092，China
^2.Applied Mechanics and Structure Safety Key Laboratory of Sichuan Province，School of Mechanics and Aerospace Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China

Received:2023-03-16 Revised:2023-04-06 Accepted:2023-05-15 Online:2024-02-15 Published:2023-05-24
Contact: Lixun CAI E-mail:lix_cai@263.net
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(11872320)

摘要/Abstract

摘要：

针对具有结构材料微损取样优势的圆片小冲杆试验，基于能量密度等效理论，建立了关联圆片微试样小冲杆试验载荷、位移、几何尺寸和材料单轴力学律参数的载荷-位移模型；进而针对航空金属材料，提出了单轴拉伸试验结果与小冲杆试验结果之间实现材料力学性能互换的小冲杆试验新方法。对5种航空金属材料完成了小冲杆试验及传统拉伸试验，结果表明，新方法所得圆片微试样的应力-应变曲线与单轴拉伸试验结果密切吻合，所得弹性模量与单轴拉伸试验结果之间相对误差在10%以内，所得塑性延伸强度和抗拉强度与单轴拉伸试验结果相对误差大部分在5%以内。新方法有望促进小冲杆试验在服役结构安全评价中的应用。

关键词: 小冲杆试验, 能量密度等效, 应力-应变关系, 强度, 试验方法

Abstract:

For the small punch test with the advantage of slightly damaged sampling， a theoretical model was derived based on the energy density equivalence principle to describe the relationships among the load， displacement， geometric size， and uniaxial mechanical law parameters. A novel small punch test method was then proposed for aerospace materials to convert mechanical properties between uniaxial tensile test results and small punch test results. Small punch tests and uniaxial tensile tests were carried out on five aerospace materials. The results show that the stress-strain curves obtained by the new method were in close agreement with those obtained by uniaxial tensile tests； the relative errors of the elastic moduli obtained by the new method results and the uniaxial tensile test results were within 10%； and the relative errors of the yield strengths and tensile strengths obtained by the two methods were mostly within 5%. The proposed method is expected to promote the application of SPT for the safety evaluation of in-service structures.

Key words: small punch test, energy density equivalence, stress-strain relationship, strength, testing method

中图分类号:

V219

李纪涛, 韩光照, 熊俊, 周甜, 蔡力勋. 圆片小冲杆试验新方法与航空材料力学性能互换[J]. 航空学报, 2024, 45(3): 428708-428708.

Jitao LI, Guangzhao HAN, Jun XIONG, Tian ZHOU, Lixun CAI. Novel small punch testing method and its application to conversion of mechanical properties for aerospace materials[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(3): 428708-428708.

图/表 13

图 1

图 2

图 3

图 4

表 1

图 5

表 2

图 6

图 7

表 3

图 8

表 4

图 9

参考文献 28

1	KLUEH R L. Miniature tensile test specimens for fusion reactor irradiation studies［J］. Nuclear Engineering and Design Fusion， 1985， 2（3）： 407-416.
2	FLORANDO J N， NIX W D. A microbeam bending method for studying stress-strain relations for metal thin films on silicon substrates［J］. Journal of the Mechanics and Physics of Solids， 2005， 53（3）： 619-638.
3	董樑，惠虎，汤晓英. 基于微试样液压爆破法测试核压力容器用钢力学性能［J］. 原子能科学技术， 2015， 49（12）： 2227-2233.
	DONG L， HUI H， TANG X Y. Mechanical property test of domestic A508 steel based on small bursting test［J］. Atomic Energy Science and Technology， 2015， 49（12）： 2227-2233 （in Chinese）.
4	CHEN H， CAI L X. Unified ring-compression model for determining tensile properties of tubular materials［J］. Materials Today Communications， 2017， 13： 210-220.
5	KAZAKEVICIUTE J， ROUSE J P， DE FOCATIIS D S A， et al. The development of a novel technique for small ring specimen tensile testing［J］. Theoretical and Applied Fracture Mechanics， 2019， 99： 131-139.
6	MANAHAN M P. A new postirradiation mechanical behavior test—The miniaturized disk bend test［J］. Nuclear Technology， 1983， 63（2）： 295-315.
7	MAO X Y， TAKAHASHI H. Development of a further-miniaturized specimen of 3 mm diameter for tem disk （ø 3 mm） small punch tests［J］. Journal of Nuclear Materials， 1987， 150（1）： 42-52.
8	关凯书，王志文，徐彤，等. 小冲杆试验方法标准化研究（二）：材料室温拉伸性能的确定［J］. 压力容器， 2010， 27（8）： 40-46.
	GUAN K S， WANG Z W， XU T， et al. Study on standardization of small punch test （2）—Tensile properties at room temperature［J］. Pressure Vessel Technology， 2010， 27（8）： 40-46 （in Chinese）.
9	韩浩，王志文，关凯书. 小冲杆试验技术测定金属材料强度性能［J］. 压力容器， 2004， 21（10）： 14-17.
	HAN H， WANG Z W， GUAN K S. Toughness measurement of metal material by small punch test technology［J］. Pressure Vessel Technology， 2004， 21（10）： 14-17 （in Chinese）.
10	CONTRERAS M A， RODRÍGUEZ C， BELZUNCE F J， et al. Use of the small punch test to determine the ductile-to-brittle transition temperature of structural steels［J］. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures， 2008， 31（9）： 727-737.
11	GARCÍA T E， RODRÍGUEZ C， BELZUNCE F J， et al. Estimation of the mechanical properties of metallic materials by means of the small punch test［J］. Journal of Alloys and Compounds， 2014， 582： 708-717.
12	BRUCHHAUSEN M， HOLMSTRÖM S， SIMONOVS⁃ KI I， et al. Recent developments in small punch testing： Tensile properties and DBTT［J］. Theoretical and Applied Fracture Mechanics， 2016， 86： 2-10.
13	张渊博，关凯书，王琼琦. 小冲杆试验摩擦力计算及抗拉强度公式改进［J］. 热加工工艺， 2019， 48（12）： 54-57.
	ZHANG Y B， GUAN K S， WANG Q Q. Calculation of frictional force and improvement of tensile strength formula for small punch test［J］. Hot Working Technology， 2019， 48（12）： 54-57 （in Chinese）.
14	张赛飞，雷龙宇，杜明科，等. 基于小冲杆试验的CB2耐热钢拉伸性能研究［J］. 热加工工艺， 2021， 50（24）： 28-31.
	ZHANG S F， LEI L Y， DU M K， et al. Research on tensile properties of CB2 heat-resistant steel based on small punch test［J］. Hot Working Technology， 2021， 50（24）： 28-31 （in Chinese）.
15	HUSAIN A， SEHGAL D K， PANDEY R K. An inverse finite element procedure for the determination of constitutive tensile behavior of materials using miniature specimen［J］. Computational Materials Science， 2004， 31（1-2）： 84-92.
16	CHEON J S， JOO C H. Small punch test for determining a flow stress by using a hybrid inverse procedure［J］. Computational Materials Science， 2008， 43（4）： 744-751.
17	ZHONG J R， XU T， WANG W L， et al. Use of database and small punch test to estimate true stress-plastic strain curve of steels［J］. International Journal of Pressure Vessels and Piping， 2021， 191： 104370.
18	RODRIGUEZ C， CABEZAS J G， CARDENAS E， et al. Mechanical properties characterization of heat-affected zone using the small punch test［J］. Welding Journal， 2009， 88（9）： 188-192.
19	FLEURY E， HA J S. Small punch tests to estimate the mechanical properties of steels for steam power plant： I. Mechanical strength［J］. International Journal of Pressure Vessels and Piping， 1998， 75（9）： 699-706.
20	SHIKALGAR T D， DUTTA B K， CHATTOPADHYAY J. Assessment of fracture resistance data using p-SPT specimens［J］. Theoretical and Applied Fracture Mechanics， 2018， 98： 167-177.
21	乔建生，钟巍华，杨文. 基于小冲杆实验方法的国产A508-3钢辐照前后的断裂韧度测定［J］. 原子能科学技术， 2013， 47（7）： 1217-1221.
	QIAO J S， ZHONG W H， YANG W. Fracture toughness measurement of domestic A508-3 steel using small punch test［J］. Atomic Energy Science and Technology， 2013， 47（7）： 1217-1221 （in Chinese）.
22	杨镇，王志文. 小冲杆蠕变试验微试样的应变分析［J］. 化工机械， 2004， 31（2）： 82-86.
	YANG Z， WANG Z W. Strain analysis of the miniature specimen in a small punch creep test［J］. Chemical Engineering & Machinery， 2004， 31（2）： 82-86 （in Chinese）.
23	IZAKI T， KOBAYASHI T， KUSUMOTO J， et al. A creep life assessment method for boiler pipes using small punch creep test［J］. International Journal of Pressure Vessels and Piping， 2009， 86（9）： 637-642.
24	CHEN H， CAI L X. Unified elastoplastic model based on a strain energy equivalence principle［J］. Applied Mathematical Modelling， 2017， 52： 664-671.
25	CHEN H， CAI L X. An elastoplastic energy model for predicting the deformation behaviors of various structural components［J］. Applied Mathematical Modelling， 2019， 68： 405-421.
26	张志杰，蔡力勋，陈辉，等. 金属材料的强度与应力-应变关系的球压入测试方法［J］. 力学学报， 2019， 51（1）： 159-169.
	ZHANG Z J， CAI L X， CHEN H， et al. Spherical indentation method to determine stress-strain relations and tensile strength of metallic materials［J］. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics， 2019， 51（1）： 159-169 （in Chinese）.
27	BYUN T S， HONG J H， HAGGAG F M， et al. Measurement of through-the-thickness variations of mechanical properties in SA508 Gr.3 pressure vessel steels using ball indentation test technique［J］. International Journal of Pressure Vessels and Piping， 1997， 74（3）： 231-238.
28	国家标准化管理委员会. 金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法：［S］. 北京：中国标准出版社， 2021.
	Standardization Administration of the People’s Republic of China. Metallic materials—Tensile testing—Part 1： Method of test at room temperature：［S］. Beijing： Standards Press of China， 2021 （in Chinese）.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

材料	k₁	k₂	k₃	k₄
铝合金	4.952	0.690 1	0.222 9	0.749 1
钢材	3.344	0.353 8	0.313 5	0.968 2

材料	c₀₀	c₀₁	c₁₀	c₁₁	c₂₀	c₂₁
铝合金	-1.032	139.4	3.566	-341.6	-1.786	234.6
钢材	-0.247 9	63.92	1.785	-152.1	-0.661 0	96.84

材料	弹性模量 E/GPa	塑性延伸强度R_p0.2/MPa	抗拉强度 R_m/MPa
2124-T851	71.1	444	485
7050-T7451	71.1	490	551
30CrMnSi	203.4	333	655
R30CrMnSi	197.7	1 033	1 137
A100	184.2	912	1 216

材料	试样	强化系数K/MPa	硬化指数n	弹性模量		塑性延伸强度		抗拉强度
材料	试样	强化系数K/MPa	硬化指数n	E/GPa	误差/%	R_p0.2/MPa	误差/%	R_m/MPa	误差/%
2124-T851	#1	665.1	0.090 4	74.5	3.8	451.6	1.7	494.6	2.0
	#2	675.8	0.092 8	77.7	8.3	439.3	1.1	515.6	6.3
	#3	691.0	0.105	76.9	7.0	435.2	2.0	502.7	3.7

7050-T7451	#1	769.3	0.109	70.6	1.8	501.3	2.5	553.2	1.0
	#2	743.4	0.086 8	73.3	2.0	492.6	0.7	557.1	1.7
	#3	754.4	0.091 4	73.5	2.2	482.1	1.4	555.2	1.4

30CrMnSi	#1	1204	0.233	186.7	8.2	331.0	0.7	661.8	1.8
	#2	1244	0.247	186.2	8.4	326.8	2.0	679.0	4.5
	#3	1181	0.224	198.0	2.6	322.6	3.3	683.5	5.2

R30CrMnSi	#1	1505	0.073 4	199.6	1.0	1 049	2.1	1 155	2.3
	#2	1542	0.086 7	187.3	5.2	1 002	2.5	1 138	0.7
	#3	1575	0.085 3	192.0	2.9	1 067	3.8	1 145	1.3

A100	#1	1903	0.136	172.9	6.1	974.2	0.1	1 257	2.6
	#2	1861	0.129	178.1	3.3	985.0	1.2	1 250	2.0
	#3	1884	0.128	179.5	2.5	1 005	3.4	1 270	3.7

[1]	向康深, 陈伟杰, 连健欣, 乔渭阳. 弯曲/倾斜静叶对涡轮单音噪声影响的数值分析[J]. 航空学报, 2024, 45(10): 129366-129366.
[2]	张开铭, 王克鲁, 鲁世强, 柳木桐, 钟平, 田野. 基于响应面法的S280超高强度不锈钢的热变形行为[J]. 航空学报, 2023, 44(8): 427293-427293.
[3]	陈平, 叶霞, 刘华强, 胡义亮, 余鑫. 基于超声能量衰减的螺栓轴向应力测量[J]. 航空学报, 2023, 44(7): 227250-227250.
[4]	郭江龙, 顾蕴松, 罗帅, 李琳恺. 基于表面压力信息的空间流向涡识别方法[J]. 航空学报, 2023, 44(6): 127228-127228.
[5]	左富昌, 梅志武, 邓楼楼, 周昊, 贝晓敏, 黎月明. 脉冲星角位置强度关联测量聚焦光学系统[J]. 航空学报, 2023, 44(3): 527124-527124.
[6]	刘礼平, 齐雨阳, 蔺越国, 鲍蕊, 徐建新, 冯振宇, 卿光辉. 碳纤维复合材料胶铆混合修理结构静载拉伸失效[J]. 航空学报, 2023, 44(24): 428676-428676.
[7]	王迪, 冷岩, 杨龙, 韩忠华, 钱战森. 基于广义Burgers方程的声爆传播特性大气湍流影响[J]. 航空学报, 2023, 44(2): 626318-626318.
[8]	赵鋆赫, 王生楠. 基于深度学习的权函数法应力强度因子求解[J]. 航空学报, 2023, 44(19): 228367-228367.
[9]	杜大华, 李斌. 液体火箭发动机结构动力学设计关键技术综述[J]. 航空学报, 2023, 44(10): 27554-027554.
[10]	张伟, 王彬文, 樊俊铃, 詹绍正, 焦婷, 杨宇. 基于多模式超声成像的CFRP冲击损伤无损表征与冲击后压缩强度预测[J]. 航空学报, 2023, 44(1): 426635-426635.
[11]	廖东骏, 石安华, 黄洁, 简和祥, 谢爱民, 王宗浩. 来流速度5~7 km/s时CO₂流场中CO离解现象的验证[J]. 航空学报, 2022, 43(S2): 106-114.
[12]	段玉聪, 王学德, 周鑫, 张佩宇, 郭西洋, 成星, 樊军伟. 粉末床激光成形熔池辐射强度信号的机器学习[J]. 航空学报, 2022, 43(9): 425855-425855.
[13]	万傲霜. 复合材料直升机平尾结构概率损伤容限评估[J]. 航空学报, 2022, 43(6): 525557-525557.
[14]	汪厚冰, 王夏涵, 林国伟, 李新祥, 杨胜春. 含离散源损伤的复合材料壁板的剩余强度评估[J]. 航空学报, 2022, 43(6): 525899-525899.
[15]	刘振东, 郑锡涛, 范雯静, 张东健. 固化残余应力对无人机复合材料机翼强度的影响[J]. 航空学报, 2022, 43(6): 526117-526117.

圆片小冲杆试验新方法与航空材料力学性能互换

Novel small punch testing method and its application to conversion of mechanical properties for aerospace materials

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 13

参考文献 28

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价