周期的圧入と数値シミュレーションを組み合わせた材料の疲労特性決定のための逆法

Inverse Method to Determine Fatigue Properties of Materials by Combining Cyclic Indentation and Numerical Simulation.

• Hafiz Muhammad Sajjad
• Hamad Ul Hassan
• Matthias Kuntz
• Benjamin J Schäfer
• Petra Sonnweber-Ribic
• Alexander Hartmaier

抄録

ヤング率や微小硬さなどの材料特性を評価するためのインデンテーションの応用は、標準的な方法となっています。最近では、圧痕実験とシミュレーションを組み合わせた逆法が開発されており、そこから降伏強度、加工硬化率、引張強度などの材料パラメータを求めることができるようになってきている。本研究では、繰返し塑性のための材料パラメータ、すなわち運動学的硬化パラメータを決定するための逆法を導入した。これを実現するために、環状ビッカース圧子の実験と、未知の材料特性を持つ圧子の有限要素シミュレーションを組み合わせて、逆解析によって決定する。提案した方法を検証するために、これらのパラメータを適用して、材料の一軸応力-ひずみ応答を予測することに成功しました。この方法は、焼入れ焼戻しされたマルテンサイト鋼と技術的に純粋な銅について検証され、測定された環状応力-ひずみ曲線と予測された環状応力-ひずみ曲線の間に優れた一致が得られています。したがって、提案された環状ナノインデンテーションに基づくインバース法は、準非破壊的な方法として、将来的には資源集約型の従来の疲労試験を補完したり、代替したりする可能性があります。

The application of instrumented indentation to assess material properties like Young's modulus and microhardness has become a standard method. In recent developments, indentation experiments and simulations have been combined to inverse methods, from which further material parameters such as yield strength, work hardening rate, and tensile strength can be determined. In this work, an inverse method is introduced by which material parameters for cyclic plasticity, i.e., kinematic hardening parameters, can be determined. To accomplish this, cyclic Vickers indentation experiments are combined with finite element simulations of the indentation with unknown material properties, which are then determined by inverse analysis. To validate the proposed method, these parameters are subsequently applied to predict the uniaxial stress-strain response of a material with success. The method has been validated successfully for a quenched and tempered martensitic steel and for technically pure copper, where an excellent agreement between measured and predicted cyclic stress-strain curves has been achieved. Hence, the proposed inverse method based on cyclic nanoindentation, as a quasi-nondestructive method, could complement or even substitute the resource-intensive conventional fatigue testing in the future for some applications.