[发明专利]一种金属材料拉伸颈缩过程中应力分布测试方法

说明书

一种金属材料拉伸颈缩过程中应力分布测试方法，在单向拉伸试验的基础上，通过拉伸颈缩过程中拉伸载荷和颈缩区轮廓图像的实时同频采集，利用光学显微测量系统测量颈缩过程中颈缩区的曲率半径及最小截面处的直径，采用拉伸试样颈缩区应力方程的Bridgman解推导颈缩区最小截面上应力分布方程，能够对金属材料颈缩过程中颈缩区应力分布及演化规律进行分析，为研究金属材料强度与失效准则提供必需的技术保障。

技术领域

本发明属于材料强度与失效研究领域，具体涉及一种金属材料拉伸颈缩过程中应力分布测试方法。

背景技术

圆棒试样拉伸试验(以下简称“拉伸试验”)是金属材料最为基本的力学性能试验之一，通过该试验主要确定金属材料的两个强度参量——屈服强度R_p0.2和抗拉强度R_m，两个塑性参量——断后延伸率A和断面收缩率Z。但在实际工程应用中，只有强度参量R_p0.2和R_m参与设计，塑性参量A和Z仅作为选材参考。而金属材料拉伸过程中经历了从弹性变形、均匀塑性变形、局部集中塑性变形(颈缩)至断裂的全过程，其拉伸试样断裂时一般均会产生明显的颈缩，现有金属材料拉伸性能评价中，均是将抗拉强度作为材料的临界失效点，而实际上材料从颈缩至最终断裂仍需消耗大量的塑性变形能，材料的真实断裂点远落后于颈缩点。材料颈缩后，虽然所能承受的载荷逐渐下降，但颈缩部位所承受的轴向真实应力逐渐增大，实际断裂时颈缩部位的轴向真实应力远大于材料的抗拉强度，且金属材料颈缩后颈缩部分的应力状态由单向应力转变为三向应力状态，颈缩区内应变分布并不均匀，而由于应变强化效应，流动应力也不均布。但目前金属材料拉伸性能考核均是以均匀变形作为材料失效的临界点，颈缩后颈缩区应力的分布和演化情况研究较少，因此本发明设计了一种金属材料拉伸颈缩过程中应力分布测试方法。

发明内容

本发明的目的是提供金属材料拉伸颈缩过程中应力分布测试方法，在单向拉伸试验的基础上，通过拉伸颈缩过程中拉伸载荷和颈缩区轮廓图像的实时采集，利用光学显微测量系统测量颈缩过程中颈缩区的曲率半径及最小截面处的直径，采用拉伸试样颈缩区应力方程的Bridgman解推导颈缩区最小截面上应力分布方程，能够对金属材料颈缩过程中颈缩区应力分布及演化规律进行分析，为研究金属材料强度与失效准则提供必需的技术保障。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种金属材料拉伸颈缩过程中应力分布测试方法，用于金属材料拉伸试验中，包括如下步骤：

步骤一，利用非接触应变测量系统实现拉伸试样颈缩区轮廓的实时同步采集，通过调整载荷加载系统的数据采集频率和颈缩区轮廓的影像采集频率，实现载荷和影像的同频采集；

步骤二，利用光学显微测量软件对拉伸颈缩过程中不同时段的影像照片轮廓尺寸进行测量，将影像尺寸与实物尺寸进行同比例缩放，确定颈缩过程中不同时段颈缩区的曲率半径及最小截面处的直径；

步骤三，根据采集的拉伸载荷和颈缩区曲率半径及最小截面处直径，通过颈缩区应力方程的Bridgman解进行颈缩区应力分布函数推导，颈缩区的应力方程如式(1)所示，将式(1)中的各向应力转化为如式(2)所示的颈缩区三个主应力，通过式(1)和(2)推导出应力第一不变量I₁和流变应力σ_mises，如式(3)所示，再由式(3)推出I₁/σ_mises，如式(4)所示；通过式(1)～式(4)计算试样颈缩过程中颈缩区最小截面上任一时间的三个主应力、应力第一不变量I₁、流变应力σ_mises和I₁/σ_mises的分布；

式中：

σ_θ：周向应力，单位MPa；

σ_r：径向应力，单位MPa；

σ_z：轴向应力，单位MPa；