Abaqus-之不同材料压痕试验模拟

        纳米压痕试验是测试材料表面硬度的一种测试方法，通过将具有规则形状的刚性压头（标准的是berkvoich压头）在逐渐增大的外力作用下压入待测试样表面，在外力(或位移)达到一个预定的峰值后再逐渐卸除外力；在这加载-卸载过程中，借助于高精度载荷-位移测试技术记录压头位移h 及压头所承受的载荷 P；对所获得的 P-h 曲线进行分析即可得出待测试样品的弹性模量和硬度等。

        对于具备精确材料属性的纳米压痕试验可以通过Abaqus进行仿真模拟，获取P-h曲线，达到虚拟试验目的。本文基于一个简单模型对比了几种材料的压痕试验，获取载荷-位移曲线。

几何模型

示例模型如图一所示，基体试样为柱体，压头为锥形（刚体）。

图 1 示例模型

材料模型本案例对比了线弹性铝合金，弹塑性铝合金及包含弹塑性性和Mullins效应的EPDM材料。材料参数如下：

*Material, name=Al6061*Elastic69000.

*Material, name=Al6061*Elastic69000.0.33*Plastic180.,0.240.,0.3

*Material, name=EPDM*Hyperelastic, marlow*Uniaxial Test Data0.,00.079199,0.001036 **** *Mullins Effect, TEST DATA INPUT*Uniaxial Test Data2.70026,0.7096572.57597,0.707732*****Plastic0.264405,0. 0.60034,0.0233561 ***

EPDM试验参数定义Mullins effects，校正后循环曲线如下图。

网格及边界条件

试样中部与压头邻近区域需切分进行网格细化，压头为刚体，同样接触区域网格细化。约束试样底面边线，压头约束竖直方向以外的施加竖直向下的力载荷step-1进行加载，step-2卸载。金属加载力为50N，EPDM加载力为5N。

图2 网格模型

结果

        分析完成后，提取力-位移曲线。对于铝合金的线弹性和弹塑性模型，力-位移曲线如图3所示，线弹性本构加载和卸载过程几乎重合，且呈直线，最大变形0.015。弹塑性本构加载过程明显分为两段，即弹性段和塑性段，加载最大变形卸载路径与加载路径偏离，且由于存在塑性变形0.032，卸载后残余变形0.025。

图3 力-位移曲线（线弹性和弹塑性）

下图4为EPDM压痕仿真提取的力-位移曲线，其中红色为有保压过程，蓝色无保压过程。可以看到加载过程两者路径完全一致，保压过程由于材料的粘弹性，位移有些许变化，卸载路径亦稍有偏离，卸载完成时，残余塑性变形相对偏差较小。

图4 EPDM的力-位移曲线

最后对比了有无Mullins 效应p-h曲线的对比，如图5所示，为了看清楚差异，放在一张图里，由图可见，不含Mullins效应时，卸载段刚性相对较大，因为Mullins效应在加载阶段已经对试样产生软化影响。下载完成后的残余变形差别较小。

图5 有无Mullins效应的p-h曲线差异

图 5 结果动画

小结

可见，不同材料本构所体现的行为是有明显差别的。一般金属压痕试验都需要考虑塑性，而塑料的力学行为相对复杂，具有弹性，超弹性，粘弹性，塑性，应变软化等等特性。