[发明专利]一种金属材料拉伸-扭转组合变形强度条件的建立方法

说明书

本发明涉及一种金属材料拉伸‑扭转组合变形强度条件的建立方法，该方法先对试件进行声发射断铅试验得到各试件的声速值，再按照设定的拉转加载方案对标记声速值的试件进行拉扭加载试验并采集力学信号，利用信号得到拉扭破坏应力，然后建立拉扭破坏应力关于声速值、拉伸与扭转加载速率的关系模型，根据关系模型及测定的声速值预测材料的拉扭破坏应力，建立试件的拉扭强度条件。本发明建立了金属拉扭破坏应力关于材料声速值、拉伸位移加载速率、扭转加载速率的多元回归模型，基于对金属材料预先测定的声速值及拉扭加载速率，由该模型预测不同试件、不同加载速率下的破坏应力，建立相应材料的拉扭强度条件。

技术领域

本发明涉及一种结合金属材料声速值及拉伸加载速率预测材料拉扭破坏应力并建立相应拉扭条件的方法，尤其是一种金属材料拉伸-扭转组合变形强度条件的建立方法，属于材料力学性能测试分析领域。

背景技术

金属材料有着其他结构材料无法比拟的特性而被广泛应用于生产生活中。但是，由于金属材料工作环境较为复杂，有时会承受多种载荷同时作用，因而对金属材料进行力学性能测试具有重要意义。材料的力学性能参数常用强度及刚度、泊松比等指标表示，其中强度是指材料抵抗塑性变形及断裂的能力，一般采用屈服极限或强度极限表示。材料的强度受多种因素的影响，如材料的种类、组织机构、载荷及其作用方式、加载速率及加载历史、环境温度及湿度等。一般来讲，材料性能测试是在常温、静载荷方式下进行的，目前单一载荷作用下材料的强度研究比较成熟，多种载荷作用下主要集中于材料弯拉(压)、弯扭组合变形强度研究，并建立了相应的强度条件。与单一载荷作用不同，组合载荷作用下的破坏应力不能直接由试验给出，需要结合理论分析及试验才能综合确定。已有学者们研究了拉伸—扭转联合作用下的力学性能及疲劳破坏行为，也有研究了拉扭作用下的破坏应力，考虑到加载速率对破坏应力的影响。由于强度受多种因素的影响，同一种材料由于内部组建及加工等因素的影响，其材料力学性能也存在差异，测出的指标值会表现出一定的离散性。目前，对这种离散性影响的研究较少。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述现有技术存在的不足，提出一种金属材料拉伸-扭转组合变形强度条件的建立方法，该方法在充分考虑材料离散性及加载速率对其强度影响的情况下，引入材料在加载前测定的声速值，在一定程度上体现出材料内部构造及外在加工等因素对材料性能的影响，同时考虑拉伸-扭转加载速率对材料破坏强度的影响，更为全面地研究拉伸-扭转作用下材料的强度。

为了达到以上目的，本发明的技术方案如下：一种金属材料拉伸-扭转组合变形强度条件的建立方法，包括以下步骤：

第一步、设计并组建试验系统，所述试验系统包括电子拉扭试验机及其配套的信号采集系统、声发射信号分析系统和计算机分析系统，所述电子拉扭试验机用于根据试验需要选择载荷或位移控制方式对由同种材料加工而成的一组专用拉扭试件进行拉伸-扭转载荷加载试验；所述信号采集系统用于采集试验过程中产生的声发射信号；所述声发射信号分析系统用于采集试件断铅试验中的声速值，并自动储存声发射声波，实时监测断铅试验过程中的声发射现象；所述计算机分析系统用于根据采集的声发射信号计算提取信号特征值，绘制特征曲线，并进行后续的不同加载速率下拉扭破坏应力的分析计算；

第二步、在拉扭加载试验前，利用声发射信号分析系统对同材料的一组专用拉扭试件进行声发射断铅试验，得到各试件的声速值，并在试件上标记声速值；

第三步、设计拉伸-扭转组合变形加载方案并利用电子拉扭试验机及其配套的信号采集系统按照设定的拉伸-扭转加载方案对标记声速值的试件进行试验，在试验过程中通过声发射信号分析系统采集力学信号，力学信号包括轴向拉力、轴向变形、扭矩和扭转角；

第四步、结合材料拉扭组合破坏类型、应力状态理论及试验过程中采集的最大轴向拉力和最大扭矩，得到各试件的拉扭破坏应力；

第五步、基于最小二乘法建立拉扭破坏应力关于材料声速值、拉伸与扭转加载速率的关系模型，然后获取相关性系数，并依据相关性系数验证关系模型的有效性；