[发明专利]一种金属棒材大应变范围硬化曲线的试验测量方法

说明书

本发明涉及一种金属棒材大应变范围硬化曲线的试验测量方法，首先进行圆棒试样扭转试验确定均匀扭转范围，随后在均匀扭转范围内将试样进行不同水平的预扭转变形，并计算相应的预应变。再随后进行圆棒试样单轴拉伸试验，将无、有扭转试样分别进行单轴拉伸试验，通过无扭转试样拉伸结果确定材料颈缩发生之前的有效硬化曲线，通过有预扭转试样确定试样在不同预应变水平下的真应力真应变曲线，并将其沿应变轴平移，平移的量为对应的预扭转变形所累积的预应变。最后提取各平移之后的真应力真应变曲线中最大载荷点所对应的真应力和总塑性应变数据，同无预扭转试样所确定的拉伸颈缩前硬化曲线一起拟合，最终确定金属圆棒试样大应变范围下的硬化曲线。

技术领域

本发明属于金属材料力学性能测试技术领域，具体涉及金属棒材大应变范围硬化曲线的试验测量方法。

背景技术

有限元仿真技术被广泛的应用于模拟金属塑性成形过程，其模拟精度取决于所输入的本构关系，尤其是涵盖大应变范围的硬化曲线。单轴拉伸试验是获取金属棒材硬化曲线的一种基本方法，通常假定试样标距范围内均匀变形，将载荷-位移曲线转换为真应力-真应变曲线。但是在载荷最大点之后，试样在颈缩部位局部变形，颈缩部位承受三向拉应力。事实上，试样颈缩之后载荷虽然下降了，但材料在整个颈缩过程中却仍在不断硬化，真实的应力也应该是不断增加的。因此，颈缩之后由载荷-位移曲线直接转换而来的真应力-真应变曲线并不能代表材料的真实硬化曲线。针对这个问题，目前主要有三种解决方案，即硬化模型外推法，理论模型法和有限元迭代反推法。硬化模型外推法一般基于拉伸试验所得到的颈缩前的小应变范围硬化曲线，采用Hollomon、Swift、Voce等硬化模型将硬化曲线外推至大应变范围，但仅基于拉伸的数据外推所得到的大应变硬化曲线由于缺少试验数据支撑，往往具有较大的误差。理论模型法如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和颈缩外轮廓曲线在最小截面处的曲率半径，代入Bridgman修正公式计算颈缩之后的塑性应变和流动应力，用于确定颈缩之后的硬化曲线。但是，针对颈缩外轮廓曲线在最小截面处的曲率半径的实际测量环节非常繁琐，测量成本高且效率低。而且，理论模型法是基于对颈缩区域的几何近似而推导出来的，研究表明Bridgman法在精确获取颈缩轮廓几何参数的前提下，该方法所获取的大应变范围(1.0左右)的硬化曲线仍然具有3～10％的误差。有限元迭代反推法基于优化算法开展,但迭代过程通常需要多达上百次的有限元计算，虽可获得较为精确的结果，但是计算代价太大。故当前测量材料大应变范围硬化的方法或多或少的存在一定的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于解决目前传统方法存在的问题，提出了一种金属棒材大应变范围硬化曲线的试验测量方法。本发明所采用的技术方案具体步骤如下：

(1)进行圆棒试样扭转试验：首先取一根金属圆棒试样扭转至断裂以确定该试样的均匀扭转范围，然后以π弧度为间隔将这根试样的均匀扭转范围等分成N+1份，确定N个预扭转角，再取N根金属圆棒试样进行预扭转试验，分别扭至N个不同的预扭转角后停止扭转，并拆卸试样，这N个试样在预扭转实验后所累积的预应变ε_pre采用公式(1)计算

其中，a为圆棒试样直径，r为试样表面到中心轴线的距离，θ为预扭转角(弧度)，L为圆棒试样标距长度，N为[1,7]之间的正整数。

(2)进行圆棒试样单轴拉伸试验：取一根无预扭转的金属圆棒试样和步骤(1)中所述N根经过预扭转的金属圆棒试样分别进行单轴拉伸试验，通过力传感器和引伸计记录试样拉伸直至断裂的标距段载荷位移曲线，计算工程应力-工程应变曲线并经由公式(2)和(3)转换为真应力-真应变曲线，同时采用公式(4)去除无预扭转试样拉伸所得的真应力真应变曲线的弹性应变部分，得到相应的真应力-塑性应变曲线

σ＝s(1+e) (2)

ε＝ln(1+e) (3)