Page 130 - 机械工程材料2025年第三期
P. 130
薛 河，等：基于压入响应的异种金属焊接接头材料力学性能计算方法
深度； h r 为压头完全卸载后的残余压痕深度； h c 为压 及压入载荷均具有对称性，建立轴对称模型。压头
头与被测试样的实际接触深度。载荷-位移曲线的 材料为碳化钨，弹性模量远高于试样，变形可忽略不
加载段可由如下方程近似描述： 计，因此将压头设置为刚体，半径为0.5 mm。为缩
m
F = Ch （1） 短计算时间，建立试样的局部模型，将试样尺寸设置
式中：F为载荷；h为位移；m为加载段曲线的加载 为3 mm×3 mm。在后续的压入模拟中，将压入深度
指数。 统一为0.1 mm。在压入过程中，试样的变形主要集
中在与压头接触的局部区域，而远离接触的区域几
乎没有变形，因此为了将压入响应更加精确地表现
出来，采用8节点二次轴对称四边形单元（CAX8）对
压头下方的局部区域进行网格划分，并对最小网格
尺寸进行了无关性验证。其他区域同样采用CAX8
单元进行网格划分，网格尺寸由最小网格尺寸逐渐
过渡到最大网格尺寸0.15 mm；中心区域采用结构化
网格，利用扫掠网格进行网格放大，最外侧均采用自
图 1 典型球形压入载荷-位移曲线 由化网格，该划分可实现良好的网格过渡。有限元
Fig. 1 Typical spherical indentation load-displacement curve 网格模型如图2所示。
通过有限元分析，可获得载荷-位移曲线加载段
的压入响应参数（ C， m）与材料力学性能参数之间的
关系，并以此建立由压入响应参数反求材料力学性
能的数值模型。
为了获取异种金属焊接接头材料力学性能与压
入响应参数之间的关系，并以此关系为基础建立由
压入响应参数预测材料力学性能参数的数学模型，
需要使用控制变量法对单一材料特性发生变化时载
荷-位移曲线的变化情况进行分析。查阅文献［16-18］
图 2 压入试验有限元网格模型
可知，核电一回路安全端异种金属焊接接头各部分
Fig. 2 Finite element mesh model for indentation test
组成材料的弹性模量约为200 GPa。由于弹性模量
采用不同尺寸的网格对压头下方局部区域进行
是材料抵抗弹性变形能力的力学性能指标，对材料
的组织不敏感 ［19］ ，焊接过程对其影响较小，因此在后 网格无关性验证，网格最小尺寸分别设置为0.006，
续的分析过程中将弹性模量固定为200 GPa。对于 0.005，0.004，0.003 mm，选择的力学性能参数分别
为屈服应力200 MPa、应变硬化指数0.1，屈服应力
大多数金属材料，其弹塑性力学性能可由Hollomon
模型 ［20］ 近似描述，具体模型如下： 300 MPa、应变硬化指数0.2，屈服应力500 MPa、应
Eε (σ σ ≤ ) 变硬化指数0.4。由图3可知，当局部区域的网格尺
σ = n 1 n− n y ) （2） 寸小于0.006 mm时，模拟得到的载荷-位移加载段
Kε = Eε y ε (σ σ ≥ y 曲线基本重合。因此，在满足计算精度的前提下，为
式中： σ 为应力；E为弹性模量；σ 为屈服应力；ε 为 提高计算效率，在后续计算中将压头下方局部区域
y
应变；K为应变硬化系数；n为应变硬化指数。 的网格尺寸确定为0.005 mm。
通过查阅文献［5］确定焊缝及附近区域材料的
3 材料力学性能与压入响应相关性分析
屈服应力取值为200，300，400，500，600 MPa，应变
硬化指数取值为0.1，0.2，0.3，0.4，0.5。 3.1 压入响应反求材料力学性能的预测公式
在ABAQUS软件中使用控制变量法分析不同
2 压入试验的有限元模型
材料力学性能参数对压入响应造成的影响。在保持
使用ABAQUS软件建立压入试验的有限元模 200，600 MPa屈服应力不变的条件下模拟得到的不
型，采用二维模型以便提高分析速率。考虑到试样 同应变硬化指数条件下的载荷-位移曲线如图4所
122
