一种基于材料力学性能预测洛氏硬度的模型及方法与流程

本发明涉及到材料的洛氏硬度估算领域，具体的说是一种基于材料力学性能预测洛氏硬度的模型及方法。

背景技术：

1、洛氏硬度一般采用硬度试验和预测法等方法获得，预测法是指通过单轴拉伸或压入试验获得材料力学性能参数，进而预测洛氏硬度的方法，其试验过程如图1所示。2023年，肖怀荣等发表的“基于柱平面压入的洛氏硬度预测模型”中，采用柱平面压入获取材料的弹塑性力学参数，进而获得洛氏硬度。

2、依据gb/t 230.1-2018金属材料洛氏硬度试验中记载的洛氏硬度公式n和s均为常数，对于洛氏c标尺hrc，分别取为100和0.002mm，h为卸除主试验力后，在初试验力下压入残余的深度；

3、洛氏硬度公式中的卸载位移的预测精确性是洛氏硬度准确预测的关键，肖怀荣等人采用卸载位移与最大位移之比和加载系数关联起来的经验方法获得，但是这种方法并未考虑卸载段的非线性特性，缺乏理论性，从而导致其预测的精准度并不高。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于材料力学性能预测洛氏硬度的模型及方法，该模型和方法是采用通过弹性模量获取卸载段非线性幂律曲线表达式，进而准确预测获得洛氏硬度，与现有的预测方法相比，准确度更高。

2、本发明为实现上述技术目的所采用的技术方案为：一种基于材料力学性能预测洛氏硬度的模型，该预测模型的计算表达式为：

3、

4、式中，n和s为洛氏硬度定义中的常数，分别取100和0.002mm；hf为压入试验卸载后的残余深度，p0为压入试验的初试验力，其取值为98.07n，c为压入试验的加载系数，a为压入试验中卸载曲线的系数。

5、作为上述基于材料力学性能预测洛氏硬度的模型的一种优化方案，所述参数hf依靠如下公式计算得到：

6、hf＝hmax-2pmax/su；

7、式中，hmax表示最大压入位移，其数值依据公式计算得到，c为压入试验的加载系数；

8、pmax表示最大压入载荷，其取值为1471n；

9、su为初始卸载刚度。

10、作为上述基于材料力学性能预测洛氏硬度的模型的另一种优化方案，所述参数c依靠如下公式计算得到：

11、

12、式中，e为被测材料的弹性模量，σy为被测材料的名义屈服强度，n为被测材料的应变硬化指数，θ为压头的半锥角；k1为被测材料的有效体积系数，k2为被测材料的有效应变系数，其取值由下式得到：

13、

14、式中，p1、p2、p3、p4和p5为无量纲参数，且p1的取值为34.22，p2的取值为-1411，p3的取值为0.1428，p4的取值为-0.9616，p5的取值为389.4，εy为被测材料的名义屈服应变，其取值为εy＝σy/e。

15、作为上述基于材料力学性能预测洛氏硬度的模型的另一种优化方案，所述参数a依靠如下公式计算得到：

16、

17、式中，su为初始卸载刚度；pmax表示最大压入载荷，其取值为1471n。

18、作为上述基于材料力学性能预测洛氏硬度的模型的另一种优化方案，所述初始卸载刚度su，其数值依据下式得到

19、

20、式中，β为压头形状和材料损伤相关的压头系数，θ为压头的半锥角，er为折减弹性模量。

21、作为上述基于材料力学性能预测洛氏硬度的模型的另一种优化方案，所述er由下式计算得到：

22、

23、式中，e为被测材料的弹性模量，ν为被测材料的泊松比，ei为金刚石压头材料的弹性模量，其取值为1100gpa，νi为金刚石压头材料的泊松比，其取值为0.07。

24、利用材料力学性能预测洛氏硬度的方法，包括如下步骤：

25、1)先通过单轴拉伸或压入试验获得被预测材料的弹性模量e、被测材料的名义屈服强度σy和被测材料的应变硬化指数n，之后利用如下公式计算出压入试验的加载系数c

26、

27、式中，θ为压头的半锥角；k1为被测材料的有效体积系数，k2为被测材料的有效应变系数，其取值由下式得到：

28、

29、式中，p1、p2、p3、p4和p5为无量纲参数，且p1的取值为34.22，p2的取值为-1411，p3的取值为0.1428，p4的取值为-0.9616，p5的取值为389.4，εy为被测材料的名义屈服应变，其取值为εy＝σy/e；

30、2)依据压入试验的最大压入载荷pmax，以及步骤1)得到的压入试验的加载系数c，代入公式得到最大压入位移hmax；

31、3)通过单轴拉伸或压入试验得到被测材料的弹性模量e和被测材料的泊松比ν，以及金刚石压头材料的弹性模量ei、金刚石压头材料的泊松比νi，依据下式计算折减弹性模量er

32、

33、4)利用步骤2)得到的最大压入位移hmax，以及公式计算得到压头形状和材料损伤相关的压头系数β；

34、5)利用步骤4)中得到的压头系数β、步骤3)中得到的折减弹性模量er、步骤2)中得到的最大压入位移hmax、最大压入载荷pmax和压头的半锥角θ，将这些参数代入到下式，计算得到初始卸载刚度su

35、

36、6)将步骤2)中得到的最大压入位移hmax、最大压入载荷pmax和步骤5)得到的初始卸载刚度su，代入到下式，得到压入试验卸载后的残余深度hf

37、hf＝hmax-2pmax/su；

38、7)将最大压入载荷pmax和步骤5)得到的初始卸载刚度su，代入到下式，得到压入试验中卸载曲线的系数a

39、

40、8)将压入试验的初试验力p0、步骤7)得到的压入试验中卸载曲线的系数a、步骤6)得到的压入试验卸载后的残余深度hf、步骤1)得到的压入试验的加载系数c、洛氏硬度定义中的常数n和s，代入到下式，即可得到被预测材料的洛氏硬度hrc

41、

42、作为上述利用材料力学性能预测洛氏硬度的方法的一种优化方案，所述洛氏硬度定义中的常数n和s取值分别为100和0.002mm，所述压头的半锥角θ为60°，最大压入载荷pmax为1471n，压入试验的初试验力p0为98.07n，金刚石压头材料的弹性模量ei为1100gpa，金刚石压头材料的泊松比νi为0.07。

43、一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有计算机可读取指令，当所述计算机可读取指令由所述处理器执行时，能够运行上述的方法。

44、一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，运行上述方法中的步骤。

45、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

46、本发明充分考虑卸载段的非线性特性，通过弹性模量和其他直观获取的参数，间接获取卸载段的非线性幂律曲线表达式，进而准确预测获得洛氏硬度，与现有的预测方法相比，准确度更高，更接近硬度试验的真实值。