[发明专利]金属圆棒试样单轴拉伸试验大应变范围应力应变的测量方法

说明书

本发明涉及了一种金属圆棒试样单轴拉伸试验大应变范围应力应变的测量方法，该方法构建出金属圆棒试样单轴拉伸失稳颈缩逐级扩展的阶梯模型。只需要测量圆棒试样拉伸失稳后瞬时标距长度和颈缩处最小截面半径，基于颈缩阶梯模型计算每一时刻颈缩阶梯坐标，然后通过插值方法逼近颈缩轮廓曲线，再利用曲率公式计算此时刻颈缩处最小截面处的曲率半径，最后通过Bridgman法计算该时刻真实应力和真实应变。本发明省去现有方法中颈缩外轮廓曲率半径的试验测量环节，并且提高了大应变范围应力应变曲线的测量精度，对于金属材料力学性能测试具有重要意义。

技术领域

本发明涉及金属材料力学性能测试与材料本构关系，具体涉及金属圆棒试样单轴拉伸试验大应变范围应力应变曲线的测量方法。

背景技术

单轴拉伸试验是金属材料力学性能测试的一种基本方法，通常由单轴拉伸试验获得材料的载荷瞬时标距长度曲线，然后假定试样标距范围内均匀变形，将载荷-瞬时标距长度曲线转换为应力-应变曲线。但是试样在载荷最大点之后开始颈缩，试样标距范围内不均匀变形。因此，拉伸失稳后由载荷-瞬时标距长度曲线直接转换为应力-应变曲线是不准确的，而且试样产生颈缩后逐渐由单轴应力状态向三轴应力状态转变。由于在载荷最大点之前对应的应变范围相对较小(一般在0.2以内)，为测量更大应变范围的应力应变曲线，Bridgman法通过记录圆棒试样单轴拉伸失稳后的颈缩处最小截面半径a_i和颈缩外轮廓曲线在最小截面处的曲率半径R_i，代入以下公式计算颈缩之后的应变ε_i和应力σ_i，

其中a'₀为圆棒试样的初始截面半径；F_i为i时刻测量的载荷值。实践证明：只要圆棒试样单轴拉伸颈缩处最小截面半径a_i和颈缩外轮廓曲线在最小截面处的曲率半径R_i这两个参数的测量足够精确，由Bridgman法获取的大应变范围应力应变曲线就具有很高精度。但是，针对颈缩外轮廓曲线在最小截面处的曲率半径R_i的实际测量环节非常繁琐，测量成本很高，且测量精度很难保证，一般误差都在10～15％。基于此，Bridgman法虽然很早就提出，但其应用一直受到很大限制。

发明内容

本发明的目的，为了解决目前Bridgman法中颈缩外轮廓曲线在最小截面处的曲率半径R_i测量繁琐且误差大的难题，提出一种金属圆棒试样单轴拉伸试验大应变范围应力应变曲线测量方法，且无需直接测量颈缩外轮廓曲线在最小截面处的曲率半径R_i。首先将金属圆棒试样单轴拉伸颈缩最小截面部位简化为均匀圆柱体，根据韧性金属圆棒试样单轴拉伸失稳后颈缩扩展是材料颈缩最小截面部位的逐渐局部化变形过程，颈缩发展可视为前一时刻圆柱体中间占一定百分比的材料变形发展到当前时刻的圆柱体，由此逐渐积累构建金属圆棒试样单轴拉伸失稳颈缩逐级扩展的阶梯模型。只需要测量和记录圆棒试样拉伸失稳后瞬时标距长度和颈缩处最小截面半径，基于颈缩阶梯模型计算每一时刻颈缩阶梯坐标，然后通过插值方法逼近颈缩轮廓曲线，再利用曲率公式计算此时刻颈缩轮廓最小截面处的曲率半径，最后通过Bridgman法计算该时刻真实应力和真实应变。金属圆棒试样单轴拉伸试验失稳后不同时刻的应力应变计算结果构成材料大应变范围内应力应变曲线。

本发明所采用的技术方案具体步骤如下：

(1)进行金属圆棒试样单轴拉伸试验，测量并记录载荷最大点(颈缩点)之后直至断裂前的各时刻载荷F_i、瞬时标距长度l_i和颈缩处最小截面半径a_i其中i＝0～N，0和N分别对应载荷最大点(颈缩点)和断裂点时刻；