[发明专利]一种构件的物理屈服点位置和应力水平的测定方法

说明书

本发明提供了一种构件的物理屈服点位置和应力水平的测定方法，其技术要点在于：在静载拉伸试验过程中对构件进行红外热像拍摄，并基于同步的载荷和构件温度场数据，对薄板构件物理屈服点位置和应力水平进行精确测量；本发明能够获得相对精确的物理屈服点的位置和应力，对焊接接头设计和性能评估提供更精确的力学性能参考数据，由于首先发生屈服的位置，在结构中是最薄弱的位置，因而本发明应用于结构静载试验中，还可以精确定位薄弱位置，帮助设计提升整体性能，弥补目前基于应力‑应变曲线进行的宏观屈服强度测定方法中的精度不足的问题，该方法对原有静载拉伸试验没有改变，使用简单，易于实现，具有很好的实用性。

技术领域

本发明涉及材料力学性能试验技术领域，特别是涉及一种构件的物理屈服点位置和应力水平的测定方法。

背景技术

静载拉伸试验是最基本、应用最广的材料力学性能试验。一方面，由静载拉伸试验测定的力学性能指标可以作为工程设计和评定材料及优选工艺的依据，具有重要的工程实际意义；另一方面，静载拉伸试验可以揭示材料的基本力学行为规律，也是研究材料力学性能的基本试验方法。

材料拉伸性能指标，又称力学性能指标，用应力-应变曲线上反映变形过程性质发生变化的临界值表示。力学性能指标可分为两类：一类是反映材料对塑性变形和断裂的抗力的指标，称为材料的强度指标；另一类是反映材料塑性变形能力的指标，称为材料的塑性指标。

屈服强度是应用最广的一个强度指标。因为任何机械零件在工作过程中，都不允许发生过量的塑性变形，所以，机械设计中把屈服强度作为强度设计和选材的依据。原则上，材料的屈服强度应理解为开始塑性变形时的应力值。但实际上，对于连续屈服的材料，这很难作为判定材料屈服的准则，因为工程中的多晶体材料，其各晶粒的位向不同，不可能同时开始塑性变形，当只有少数晶粒发生塑性变形时，应力-应变曲线上难以“觉察”出来。只有当较多晶粒发生塑性变形时，才能造成宏观塑性变形的效果。因此，显示开始塑性变形时应力水平的高低，与测试仪器的灵敏度有关。工程上采用规定一定的残留形变量的方法，确定屈服强度。

材料物理屈服现象的定义是：受力试样中，应力达到某一特定值后，开始大规模塑性变形的现象称为屈服。它标志着材料的力学响应由弹性变形阶段进入塑性变形阶段，这一变化属于质的变化，物理屈服现象实际上反映了材料的不均匀变形过程。但在利用试验机系统进行的静力拉伸试验中，通过拉伸曲线表明的物理屈服点是材料特性和试验机系统共同作用的结果，很难精确确定。对于大多数情形，目前根据应力-应变曲线所测量计算出的屈服强度已足够评价材料的性能，但是对于如焊缝构件等一些组织不均匀的构件，精确的物理屈服点位置和应力水平的测量对于结构、焊缝等轻量化设计具有更重要的意义。

鉴于一般静载拉伸试验仪器的特性，其记录的只是构件的总体应力-应变曲线，给出足够工程评估的力学性能结果，但是对于构件在加载受力过程中各点的表现难以给出详细的结果。随着红外热像仪器的发展，其对温度场测量和记录的精度和速度越来越高，可以应用于静载拉伸实验中研究整个构件表面随载荷增加各个点的温度演变。采用基于弹性变形热效应的原理，根据构件特定区域平均温度变化规律来定义构件的物理屈服现象，或者说弹性和塑性阶段的分界点。从而分析其应力和应变的演变，这种方法对于焊缝的力学性能等诸多情形的研究具有重要价值。

材料受力热效应原理：

（1）弹性变形热效应：1850年Lord Kelvin第一次揭示了温度变化与应力的线性关系：

其中，Km是材料的热弹性系数。

其中，α为材料的线膨胀系数（K^-1），ρ为材料密度（Kg.m^-3），C_P为比热容（J.kg^-1.K^-1）