一种氢环境下小冲杆试样脆性断裂的数值分析方法

本发明属于材料测试，具体涉及一种氢环境下小冲杆试样脆性断裂的数值分析方法。

背景技术：

1、在日益增长的氢能经济中，由于氢脆会导致系统完整性的丧失，因此在氢环境中评估传统材料和新开发的材料非常必要。小冲杆试验(small punch test，spt)作为一种微损测试技术，兴起于20世纪80年代。试验通过冲杆以一定速度通过钢球来冲压试样薄片，传感器记录冲头在试验过程中的载荷和位移，以此分析得到材料的力学性能参数。当没有足够体积的材料进行标准测试时，可以采用小冲杆试验有效地评估材料的力学性能，还可以通过分析小冲杆试样的断口形状可以得到材料是属于韧性断裂还是脆性断裂。

2、目前对于小冲杆试验的数值分析技术大致可以分为两类，第一种是采用微观力学模型研究韧性断裂，包括空洞成核、生长和聚并，如gurson-tvergaard-needleman(gtn)模型和rousellier模型。第二类是使用韧性断裂的现象学模型。例如，一个流行的模型是内聚区模型。这些方法的适用性和有效性在现有技术中得到了很好的讨论。但是在这些方法的实际应用中，有几个问题需要解决。第一个问题是如何找到嵌入在这些模型中的参数。例如，gtn模型包含八个与韧性断裂微观机制相关的参数。确定这些参数并不是一件容易的事，而且往往不够准确。第二个问题是，少有模型可以兼顾小冲杆试验的载荷-位移曲线和试样脆性断口二者的准确模拟。

技术实现思路

1、为解决上述缺陷，本发明提供了一种氢环境下小冲杆试样脆性断裂的数值分析方法。本发明所需要确定的损伤模型的参数较少，参数标定过程操作简单。本发明不仅可以很好地再现载荷-位移曲线，而且可以很好地再现试验中观察到的小冲杆试样脆性断口。该方法包括以下步骤：进行空气中进行的单轴拉伸试验、小冲杆试验和不同氢浓度下的小冲杆试验；结合光滑圆棒和不同缺口半径圆棒的单轴拉伸试验的有限元模拟和空气中的小冲杆试验的有限元模拟，确定空气中材料的损伤模型参数；进行不同氢浓度下的小冲杆试验模拟，让试验和模拟结果的载荷-位移曲线相吻合，确定氢脆常数ch，进而确定氢脆常数和氢浓度之间的关系式；进行不同氢浓度下的小冲杆试样脆性断口形状模拟。

2、本发明解决其技术问题具体采用的技术方案是：

3、一种氢环境下小冲杆试样脆性断裂的数值分析方法，包括以下步骤：

4、s1：进行空气中进行的单轴拉伸试验、小冲杆试验和不同氢浓度下的小冲杆试验；

5、s2：结合光滑圆棒和不同缺口半径圆棒的单轴拉伸试验的有限元模拟和空气中的小冲杆试验的有限元模拟，确定空气中材料的损伤模型参数；

6、s3：进行不同氢浓度下的小冲杆试验模拟，让试验和模拟结果的载荷-位移曲线相吻合，确定氢脆常数ch，进而确定氢脆常数和氢浓度之间的关系式；

7、s4：进行不同氢浓度下的小冲杆试样脆性断口形状模拟。

8、进一步地，步骤s1的具体步骤如下：

9、s11：进行空气中进行的单轴拉伸试验，通过以下公式将工程应力-工程应变处理试验数据后得到材料颈缩前的真应力-塑性应变曲线；

10、σtrue＝σnom(1+εnom)

11、εtrue＝ln(1+εnom)

12、

13、式中σnom为工程应力，εnom为工程应变，σtrue为真应力，εtrue为真应变，εp为塑性应变，e为弹性模量；

14、材料颈缩后的真应力-塑性应变曲线通过拟合外推得到；

15、s12：进行空气中和不同氢浓度下的小冲杆试验，为后续的损伤模型参数确定提供试验数据。

16、进一步地，步骤s2的具体步骤如下：

17、s21：进行光滑圆棒和不同缺口半径圆棒的单轴拉伸试验的有限元模拟；

18、s22：从有限元模拟结果中提取光滑和不同缺口半径圆棒拉伸试样在发生断裂前最小截面中心的等效塑性应变和应力三轴度；

19、s23：由于延性破坏准则应包括应力和应变的全过程，因此引入平均应力三轴度，定义为：

20、

21、式中为平均应力三轴度，εef为破坏起始时的等效塑性应变，即断裂应变εf，σm为静水应力，σe为von mises等效应力，εe为塑性应变；

22、以此得到断裂应变与平均应力三轴度的关系；

23、将断裂应变与平均应力三轴度拟合成一个函数关系式如下式所示：

24、

25、式中α和β为物质常数；

26、s24：然后定义在单元积分点处计算塑性应变引起的损伤增量为δd

27、

28、式中δεp为等效塑性应变增量；

29、如果在一个积分点累积的损伤增量达到临界损伤值dc，

30、d＝∫δd＝dc

31、则当积分点处的d≥dc时，材料点被视为失效；

32、由此进行空气中的小冲杆试验的有限元模拟，通过调整临界损伤值dc，使得空气中的小冲杆模拟结果与试验结果吻合，从而确定dc。

33、进一步地，在步骤s23、步骤s24中使用abaqus用户子程序vusdfld来实现；由于dc与模型的最小网格尺寸相关，因此所有的模型最小网格尺寸应保持一致。

34、进一步地，步骤s3的具体步骤如下：

35、s31：假设氢环境中材料的断裂应变为氢脆常数与空气中材料的断裂应变的乘积，如下所示：

36、εf,he＝ch·εf,ue

37、式中，εf,he是氢环境中材料的断裂应变；εf,ue是空气中材料的断裂应变；ch是值为0–1的氢脆常数；

38、s32：进行不同氢浓度下的小冲杆试验的有限元模拟，通过调整氢脆常数ch，使得空气中的小冲杆模拟结果与试验结果吻合，从而确定不同氢浓度对应的氢脆常数；

39、s33：将氢脆常数与氢浓度拟合成一个函数关系式，如下式所示：

40、

41、式中p为氢浓度，wppm；u、r和v为待定的参数。

42、进一步地，在步骤s4中，通过测定材料给定条件下的不同氢浓度，带入步骤s33的公式中得到氢脆常数，以确定材料在此氢浓度下的损伤模型参数，用以进行有限元模拟。

43、相比于现有技术，本发明及其优选方案所需要确定的损伤模型的参数较少，参数标定过程操作简单；

44、不仅可以很好地再现载荷-位移曲线，而且可以很好地再现试验中观察到的小冲杆试样脆性断口。

技术特征：

1.一种氢环境下小冲杆试样脆性断裂的数值分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种氢环境下小冲杆试样脆性断裂的数值分析方法，其特征在于：

3.根据权利要求2所述的一种氢环境下小冲杆试样脆性断裂的数值分析方法，其特征在于：

4.根据权利要求3所述的一种氢环境下小冲杆试样脆性断裂的数值分析方法，其特征在于：在步骤s23、步骤s24中使用abaqus用户子程序vusdfld来实现；由于dc与模型的最小网格尺寸相关，因此所有的模型最小网格尺寸应保持一致。

5.根据权利要求3所述的一种氢环境下小冲杆试样脆性断裂的数值分析方法，其特征在于：

6.根据权利要求5所述的一种氢环境下小冲杆试样脆性断裂的数值分析方法，其特征在于：在步骤s4中，通过测定材料给定条件下的不同氢浓度，带入步骤s33的公式中得到氢脆常数，以确定材料在此氢浓度下的损伤模型参数，用以进行有限元模拟。

技术总结
本发明提供一种氢环境下小冲杆试样脆性断裂的数值分析方法，括以下步骤：进行空气中进行的单轴拉伸试验、小冲杆试验和不同氢浓度下的小冲杆试验；结合光滑圆棒和不同缺口半径圆棒的单轴拉伸试验的有限元模拟和空气中的小冲杆试验的有限元模拟，确定空气中材料的损伤模型参数；进行不同氢浓度下的小冲杆试验模拟，让试验和模拟结果的载荷‑位移曲线相吻合，确定氢脆常数C<subgt;H</subgt;，进而确定氢脆常数和氢浓度之间的关系式；进行不同氢浓度下的小冲杆试样脆性断口形状模拟。

技术研发人员：张经伟,廖昊,李洁,丁耀明
受保护的技术使用者：福州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10