CN109708969B - 一种确定金属材料各向异性和拉压非对称性特征的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种确定金属材料各向异性和拉压非对称性特征的方法，方法包括对材料进行常规的单轴拉伸和单轴压缩试验，以及通过EBSD确定单轴拉伸和单轴压缩条件下的微观组织信息、织构分布信息，结合基于VPSC模型的虚拟实验，即可获得材料的各向异性和拉压非对称性特征。本发明简化了传统测量方法需要设计特殊的测试试样和测量装置，沿材料不同方向进行大量的测量试验的过程，操作简单，节约了成本；测量精度高，可靠性强；同时本发明可适用于薄壁管材。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属材料性能的确定方法，具体涉及一种确定金属材料各向异性和拉压非对称性特征的方法。
背景技术
近年来，我国航空、航天、航海、高速列车、核电等高端制造业迅速发展，迫切要求塑性成形制造零构件朝着高性能、轻量化、高精度、低成本、高效率、能源高效利用与资源节约型、环境友好的方向发展。因此，现今塑性成形技术研发的核心前沿聚焦在高性能轻量化构件精确塑性成形成性一体化制造。然而，现有的多数金属材料特别是金属板材在变形过程均表现出显著的各向异性和拉压非对称性及其扭曲演化，在加工过程中极易出现失稳起皱、减薄破裂等缺陷，导致材料成形极限难以提高，成形构件质量难以控制，难以实现高性能轻量化构件的高质量低成本精确塑性成形。这就需要获得材料准确的各向异性和拉压非对称性参数，以实现材料塑性变形行为的准确预测和精确控制。
材料各向异性和拉压非对称性的相关研究，一直受到大量科研工作者的重视。经过对现有技术的检索发现，授权公告号为CN104215583A的发明创造中公开了一种岩石各向异性测量装置及其使用方法，该装置利用激光照射岩石产生的电压变化对岩石样品的各向异性特性进行分析，但该装置只适用于岩石材料各向异性特征的测量。F.Barlat等人在International Journal of Plasticity第21卷，1009-1039页发表的Lineartransformation-based anisotropic yield functions论文中采用单向拉伸试验、单向压缩试验、双向拉伸试验和双向压缩试验测量金属板材的各向异性参数。X.L.Cui等人在TheInternational Journal of Advanced Manufacturing Technology上发表的论文Determination of mechanical properties of anisotropic thin-walled tubes underthree-dimensional stress state通过液压胀形试验测量金属管材的各向异性特性。但上述论文中的测量方法需要设计特殊的测试试样和测量装置，进行大量的测量试验，且测量方法复杂，成本高。因此，如何简单、快速、有效的获得金属材料的各向异性特征和拉压非对称性特征，是目前金属材料塑料成形领域急需解决的问题。
专利CN107024401A基于努氏硬度确定拉伸试验，只能获取大应变下材料的各向异性特征，此专利只是进行了定性确定，并不能对材料进行应变量的确定；同时不能确定其他加载方向上的单轴拉伸、压缩应力应变曲线。
发明内容
本发明的目的是提供一种确定金属材料各向异性和拉压非对称性特征的方法，解决定量和其他加载方向的问题。
为了解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
一种确定金属材料各向异性和拉压非对称性特征的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)对材料分别进行拉伸、压缩试验，分别得到材料的拉伸应力应变曲线和压缩应力应变曲线；
(2)基于电子背散射衍射EBSD分析，获得材料拉伸和压缩变形过程中某一应变下的微观组织信息、织构分布、孪晶体积分数信息；
(3)基于VPSC框架，建立材料的VPSC模型，输入材料的初始组织信息文件、确定材料变形模式及初始参数、设置加载条件，通过运行得到应力应变曲线和织构分布；
(4)将模拟得到的应力应变曲线和织构分布与步骤(2)中真实的应力应变曲线、织构分布相比，若应力应变曲线的误差小于10％，且织构分布形状和位置近似，则此时的模型参数为材料的VPSC模型参数；
(5)根据步骤(4)得到的模型参数，模拟不同加载条件下的应力应变曲线；
(6)根据步骤(5)获得的应力应变曲线，绘制屈服轨迹，得到材料的各向异性和非对称性特征曲线。
优选的，所述步骤(1)中拉伸试验是采用线切割沿管材长度方向切取试样，利用电子万能试验机的单轴拉伸试验程序，设置试验机的压头速率；同时采用数字应变散斑测量仪，对试样标距段的应变场进行测量，将试验机测量的时间载荷曲线与数字应变散斑测量仪获得的时间应变曲线结合，处理得到材料的拉伸应力-应变关系。
优选的，所述步骤(1)中压缩试验是在电子万能试验机上进行试验，采用单轴压缩试验程序，设置试验机的压头速率；同时采用数字应变散斑测量仪，对试样标距段的应变场进行测量，将试验机测量的时间载荷曲线与数字应变散斑测量仪获得的时间应变曲线结合，获得的压缩应力应变曲线。
优选的，所述步骤(4)中若应力应变曲线误差大于10％，织构分布形状差异较大，采用试错法和正交试验，调整模型参数，直到满足误差小于10％，织构分布形状位置相似。
优选的，所述步骤(5)中加载条件包括加载方向，加载方向轧制方向、宽度方向和厚度方向。
优选的，该方法可适用于金属薄板。
优选的，该金属材料包括金属薄板、薄壁金属管。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：(1)本发明只需进行常规的单轴拉伸和单轴压缩试验，以及通过EBSD确定单轴拉伸和单轴压缩条件下的微观组织信息、织构分布等信息，结合基于VPSC模型的虚拟实验，即可获得材料的各向异性和拉压非对称性特征；(2)本发明简化了传统测量方法需要设计特殊的测试试样和测量装置，沿材料不同方向进行大量的测量试验的过程；(3)本发明适合于板材特别薄壁板材各向异性和拉压非对称性的确定，解决了薄壁板材难以进行厚向拉伸/压缩试验，难以获得各向异性和拉压非对称性的难题；(3)本发明适合于管材特别薄壁管材各向异性和拉压非对称性的确定，解决了薄壁管材难以进行周向和厚向拉伸、压缩试验，难以获得各向异性和拉压非对称性的难题；(4)本发明操作简单，通过常规试验结合物理试验即可得到材料各向异性和拉压非对称性特征，节约了成本；(5)通过本发明所测得各向异性和拉压非对称性参数精度高，可靠性好。
附图说明
下面结合附图说明对本发明作进一步说明。
图1为纯钛管材拉伸试样；
图2为纯钛管材压缩试样；
图3为拉伸/压缩的应力应变曲线图；
图4为拉伸至0.2应变下的织构分布图；
图5为压缩至0.2应变下的织构分布图；
图6为模拟与试验得到的应力应变曲线对比图；
图7为模拟得到的拉伸至0.2应变下的织构分布图；
图8为模拟得到的压缩至0.2应变下的织构分布图；
图9为模拟得到的不同加载方向上的应力应变曲线；
图10为不同应变量下得到的屈服轨迹。
具体实施方式
下面对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更容易被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界点。
实施例1
选取规格76.2*1.07mm(直径D*厚度t)的纯钛管材，拉伸试样如图1，采用线切割沿管材长度方向切取试样，在电子万能试验机上进行试验，采用单轴拉伸试验程序，设置试验机的压头速率为1.8mm/min；同时采用数字应变散斑测量仪(DIC)，对试样标距段的应变场进行测量，将试验机测量的时间载荷曲线与数字应变散斑测量仪获得的时间应变曲线结合，处理得到材料的拉伸应力-应变关系，采用其他方法获得材料的拉伸应力应变曲线亦可。
压缩试样如图2，在电子万能试验机上进行试验，采用单轴压缩试验程序，设置试验机的压头速率为0.12mm/min；同时采用数字应变散斑测量仪(DIC)，对试样标距段的应变场进行测量，将试验机测量的时间载荷曲线与数字应变散斑测量仪获得的时间应变曲线结合，获得的压缩应力应变曲线。获得的拉伸/压缩应力应变曲线如图3，采用其他方法获得材料的拉伸应力应变曲线亦可；单轴拉伸、压缩试验方法不唯一。
对材料进行电子背散射衍射(EBSD)分析，获得原始材料的微观组织信息文件，从信息中可以看出柱面滑移{10-10}<11-20>、基面滑移{0001}<11-20>、锥面滑移{10-11}<11-23>的施密特因子有50％大于0.25，因此考虑为参与的滑移机制；微观组织中拉伸孪晶{10-12}<10-11>含量均大于5％、压缩孪晶{11-22}<11-23>含量均大于0.5％，其他孪晶含量均小于0.5，因此该两种孪晶作为孪晶变形机制，从微观组织信息文件中获得的织构分布如图4和5所示。
纯钛的变形模式包括柱面滑移(Pr)、基面滑移(Ba)、锥面滑移(Py)、拉伸孪晶(Tt)和压缩孪晶(Ct)，对于每种滑移系，都9个参数需要确定，包括4个Swift硬化参数(τ0，τ1，θ0，θ1)，以及5个交互硬化参数、(hPr、hBr、hPy、hTt、hCt)。对于纯钛材料，可以使用该实际的变形模式进行模拟；对于其他金属材料，确定相应的变形模式即可。
将所建立模型输出的拉伸/压缩过程的真实应力应变曲线和织构分布进行对比，若应力应变曲线的误差小于10％，且织构分布形状和位置近似，则此时的模型参数为材料的VPSC模型参数(对于本实例的材料模型参数范围为0～1000，不同材料参数范围存在差异)，模型可以准确模拟材料不同变形条件下的变形行为。
若应力应变曲线的误差大于10％，织构分布形状差异很大，则采用试错法或正交试验，调整模型参数，直到满足上述要求，确定最终模型参数。
模拟和试验得到的拉伸/压缩试验应力应变如图6，模拟和试验得到的织构分布如图7和8。从图6、图7和图8中可以看出模拟结果与试验结果相吻合，模型可以准确地表征材料的变形行为，从而可以确定该模型的参数。
纯钛管材的变形模式以及模型最终参数，如表1。
表1
设置周向(对于板材为横向)和厚度方向的拉伸/压缩加载条件，输出四种不同加载条件下材料的拉伸/压缩应力应变曲线，最终获得不同方向上的应力应变曲线如图9所示。
根据应力应变曲线，可绘制屈服轨迹如图10，得到材料的各向异性和拉压非对称性特征。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种确定金属材料各向异性和拉压非对称性特征的方法，其特征在于，所述方法包括：
(1)对材料分别进行拉伸、压缩试验，分别得到材料的拉伸应力应变曲线和压缩应力应变曲线；
(2)基于电子背散射衍射EBSD分析，获得材料拉伸和压缩变形过程中某一应变下的微观组织信息、织构分布、孪晶体积分数信息；
(3)基于VPSC框架，建立材料的VPSC模型，输入材料的初始组织信息文件、确定材料变形模式及初始参数、设置加载条件，通过运行得到应力应变曲线和织构分布；
(4)将模拟得到的应力应变曲线和织构分布与步骤(2)中真实的应力应变曲线、织构分布相比，若应力应变曲线的误差小于10％，且织构分布形状和位置近似，则此时的模型参数为该材料的VPSC模型参数；
(5)根据步骤(4)得到的模型参数，计算不同加载条件下的应力应变曲线；
(6)根据步骤(5)获得的应力应变曲线，绘制屈服轨迹，得到材料的各向异性和非对称性特征曲线。
2.根据权利要求1所述的确定金属材料各向异性和拉压非对称性特征的方法，其特征在于，所述步骤(1)中拉伸试验是采用线切割沿板材或管材长度方向切取试样，利用电子万能试验机的单轴拉伸试验程序，设置试验机的压头速率；同时采用数字应变散斑测量仪，对试样标距段的应变场进行测量，将试验机测量的时间载荷曲线与数字应变散斑测量仪获得的时间应变曲线结合，处理得到材料的拉伸应力-应变关系。
3.根据权利要求1所述的确定金属材料各向异性和拉压非对称性特征的方法，其特征在于，所述步骤(1)中压缩试验是在电子万能试验机上进行试验，采用单轴压缩试验程序，设置试验机的压头速率；同时采用数字应变散斑测量仪，对试样标距段的应变场进行测量，将试验机测量的时间载荷曲线与数字应变散斑测量仪获得的时间应变曲线结合，获得的压缩应力应变曲线。
4.根据权利要求1所述的确定金属材料各向异性和拉压非对称性特征的方法，其特征在于，所述(4)中若应力应变曲线误差大于10％，织构分布形状差异较大，采用试错法和正交试验，调整模型参数，直到满足误差小于10％，织构分布形状位置相似。
5.根据权利要求1所述的确定金属材料各向异性和拉压非对称性特征的方法，其特征在于，所述步骤(5)中加载条件包括加载方向，加载方向为轧制方向。
6.根据权利要求1所述的确定金属材料各向异性和拉压非对称性特征的方法，其特征在于，该方法适用于金属材料。
7.根据权利要求6所述的确定金属材料各向异性和拉压非对称性特征的方法，其特征在于，该金属材料包括金属薄板、薄壁金属管。
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