[发明专利]金属板材双向拉伸大变形增厚试件

说明书

本发明公开了一种金属板材双向拉伸大变形增厚试件，采用十字形结构，分为四个十字臂和中心交叉区；四个十字臂长宽相等，且上下两面对称设置有增厚板，从而形成三层复合板结构。本发明不改变测试区材料本身特性，增大了十字臂的传递载荷能力，减小了相邻两个十字臂之间过渡区的应力集中，得到较大的试件中心区变形量，从而扩充了双向拉伸试验测试材料应力应变的实用性。

技术领域

本发明一种金属板材双向拉伸大变形增厚试件，具体为板材双向拉伸试验的试件，属于板料塑性成形技术领域。

背景技术：

在板料塑性成形领域，塑性屈服行为一直是重要的研究热点，尤其是随着诸多新工艺、新结构、新材质的板材和一些新成形工艺的不断推出，对屈服行为(包括初始屈服和后继屈服)的准确确定是在理论解析和有限元分析中得到精确结果的关键。

传统的用于屈服行为研究的试验方法都有一定的局限性。应用薄壁管在轴向载荷和内压、轴向载荷和扭转载荷作用下的试验可实现不同的应变路径，但管件与板材在性能上有一定的差距；可用单拉试验、圆板胀形试验、平面应变试验和压缩试验等基本试验组合，但仅能得到如单拉、平面应变或等双拉点等特定数据。目前，采用平板形试件进行双拉试验成为近来的主要方向。

平板形试件双拉试验中，十字形双向拉伸成为近来的研究热点。随着实验设备精密制造及计算机控制技术的发展，十字形双向拉伸试验已经成为研究复杂加载应变路径最为方便的方法，特别是其具有可以直接计算应力、应变数值的优点。通过控制拉伸两轴的载荷或位移大小，改变试件两轴的拉力比值使中心区得到不同的应力应变状态，实现复杂加载，得到不同加载路径下双拉区应力应变分布，建立相关屈服状态。平面十字形试件双向拉伸实验方法早在20世纪60年代就被提出，但直到近年来才取得一些突破，得到有关应用。

限制平面十字形试件双向拉伸实验应用的主要问题有：

1)十字形双向拉伸试件的设计和制备，解决试件中心区应力应变分布不均匀、圆角处应力集中较大、两轴载荷互相干涉、变形不规律和实现中心区大变形问题；

2)试件中心区应力、应变的测量和计算方法，尤其是中心区应力的确定问题；

3)双向拉伸载荷方式的控制，以实现不同的双拉加载、无卸载非比例加载和双线性加载等不同的加载路径。目前，对于第三个问题已经较好地解决，关键的问题是解决中心区大变形、受力不均和中心区应力的测量问题，重点是十字形试件的设计。

实现中心区应力分布均匀和大变形，两者既相互联系，但具体实现又有相互矛盾的地方。研究者设计了多种不同形式中心区和十字臂的十字形试件。

为了解决中心区正应力不均匀的问题，臂上开槽/缝型的十字形试件被提出，但试验得到的试件中心区变形量也是有限的。

十字形试件的形式大致有如下几种：普通型，臂上开槽/缝型，臂上开槽/缝且中心区减薄型，圆角型，十字臂为夹层(加强)型，梯形十字臂型，十字臂为梯形、臂上开槽/缝且中心区减薄型。

在这些不同形式的十字形试件中，以臂上开缝/槽型的研究最多，优点是臂上开缝/槽可以大大减小甚至消除中心区的剪应力，从而使中心变形区的应力主轴和拉伸方向重合，这样可以方便地测量计算中心区的应力值；其缺点是这种试件仅对强化材料才适用，且中心区变形不会很大，因为只有当缝/槽区域的金属已进入强化阶段后，中心试验区应力才能达到足够高的水平，往往出现十字臂先于中心区断裂的情况。中心区减薄型试件可以使中心区产生较大变形，但是这种试件加工时需要考虑金属剥离后材料原有属性的改变，而且中心区与减薄区边界处的首先失效会隐藏某些材料固有特性。考虑到表面粗糙钢板实际微观组织的不均匀性以及厚度分布的不均匀，中心区减薄的十字拉伸试样不适合于大变形诱发的微观或宏观力学性能改变的研究。

发明内容