CN101692028B - 金属板料大变形流动应力曲线的测定方法 - Google Patents
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Abstract
一种金属板料体积成形工程领域的金属板料大变形流动应力曲线的测定方法，具体步骤如下：取金属板料，进行初始拉伸试验，得到真实应力-应变曲线；得到后续轧制过程的等效应变区间；将等效应变区间进行n等分，得到每一次的理论轧制后板料厚度；取n块金属板料，每一块金属板料按理论轧制后板料厚度进行冷轧加工，得到n个实际厚度，进而得到每一次的实际轧制等效应变；将冷轧加工后的n块金属板料分别进行再拉伸试验，得到n个后继流动应力和n个后继真实应变；进一步得到n个数据点，得到金属板料的大变形流动应力曲线。本发明的方法可以给板料体积成形过程数值模拟提供正确的材料性能参数，为工程人员选择外推模型提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种计量技术领域的测法，具体是一种金属板料大变形流动应力曲线的测定方法。
背景技术
在中厚板成形领域，作为一种重要的金属精密成形技术，板料体积成形已成为重要的成形途径。它是一种典型的局部大变形过程，往往采用传统的试错法进行工艺和模具设计。这类方法耗时费力，无法适应当今社会高速、高效、大规模生产的要求。数值模拟技术的出现，从根本上解决了这一矛盾。作为一种计算机辅助工程方法，材料流动应力曲线是数值模拟的重要依据之一。但对于中厚板材料而言，采用传统方法测试材料的流动应力曲线存在以下不足：拉伸试验过程中局部缩颈现象发生较早，导致测定的流动应力范围与板料体积成形实际发生的流动应力范围相差较远。如：对于经完全球化退火的中厚板低碳钢材料，拉伸试验测得的流动应力对应的真实应变通常小于0.2，而板料体积成形过程中所发生的真实应变一般大于1.0。
在无法得到实测大变形流动应力曲线的情况下，工程人员往往借助数学模型对超出范围的流动应力曲线进行外推以用于数值模拟，但可供选择的模型众多且无规则，对于常用的数学模型如Ludwik、Ghosh、Voce、Hockett-Sherby、Swift等，即便针对同种材料估测所得的大变形材料流动应力数值上存在很大差距。因此，一旦外推模型选择不当，将导致数值模拟无法准确描述实际成形过程及其现象。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的不足，提供一种测定金属板料大变形流动应力曲线的方法。本发明的方法一方面可以给板料体积成形过程数值模拟提供正确的材料性能参数，以保障数值模拟的准确性；另一方面可预先验证不同材料所适用的外推模型，使得工程人员在不具备本实验条件时，在外推模型的选择上仍然具有较为准确的依据。
本发明是通过以下技术条件实现，具体步骤如下：
步骤一，取金属板料，进行初始拉伸试验，得到金属板料的工程应力-应变曲线，将该曲线转化为真实应力-应变曲线；
步骤二，取步骤一所得真实应力-应变曲线的最大真实应变E1，设定大变形流动应力曲线的最大真实应变测试需求E2，得到后续轧制过程的等效应变区间[E1，E2]；
步骤三，设定轧制次数为n，n为≥6的正整数；将步骤二中的等效应变区间[E1，E2]进行n等分，得到每一次轧制过程需发生的理论等效应变值，结合步骤一中的金属板料的厚度，得到每一次的理论轧制后板料厚度；
步骤四，取n块金属板料，每一块金属板料按照步骤三得到的一个理论轧制后板料厚度进行冷轧加工，之后测量得到的轧制后金属板料的实际厚度，共得到n个实际厚度，进而得到每一次的实际轧制等效应变；
步骤五，将步骤四中冷轧加工后的n块金属板料分别进行再拉伸试验，得到n个后继流动应力和n个后继真实应变；
步骤六，将步骤四中每一块金属板料的实际轧制等效应变和步骤五中该金属板料的后继真实应变相加，得到总等效应变，之后再与步骤五中该金属的后继流动应力结合，构成该块金属的一个数据点；依次类推，共得到n个数据点，进而可得到金属板料的大变形流动应力曲线。
所述金属板料是具有延伸性能的塑性金属材料。
步骤五中，再拉伸试验的方向为步骤四中冷轧加工的伸长方向。
步骤五中，后继流动应力的取值具体为：首先根据步骤一得到的真实应力-应变曲线，判断金属板料是否具有明显的屈服阶段，然后进行如下处理：具有明显屈服阶段的金属板料，取后继拉伸曲线中的屈服极限为材料的后继流动应力，对应屈服极限的真实应变为材料的后继真实应变；无明显屈服阶段的金属板料，取后继拉伸曲线中的抗拉强度为材料的后继流动应力，对应抗拉强度的真实应变为材料的后继真实应变。
本发明将轧制工艺和拉伸试验结合在一起，充分利用了轧制过程中静水压应力提高金属材料塑性变形能力的属性，可测得大变形下的流动应力曲线。这种方法简单易操作，可以高效地扩展流动应力的测试范围。通过实际检测证明，该方法可测得真实应变范围大于1.0的流动应力曲线，可以满足板料体积成形过程数值模拟的需要。采用该方法测得5mm厚的C15E钢材料流动应力曲线进行板料体积成形过程数值模拟时，模拟结果和实验测试结果的误差小于5％，表明该方法对保障板料体积成形过程数值模拟准确性上起到了良好的作用，是目前测试中厚板材料大变形流动应力曲线的一种有效的方法。
与现有技术相比，本发明可以给板料体积成形过程数值模拟提供正确的材料性能参数，以保障数值模拟的准确性；可预先验证不同材料所适用的外推模型，使得工程人员在不具备本实验条件时，在外推模型的选择上仍然具有较为准确的依据。
附图说明
图1是本发明的方法的操作流程图；
图2是利用本发明的方法测试所得的5mm厚C15E钢材料大变形流动应力曲线应用于中厚板挤压成形数值模拟所得的载荷-行程曲线和实验测试结果对比图；
图3是5mm厚C15E钢材料由拉伸试验测定的工程应力-应变曲线，以及由之转化的真实应力-应变曲线图；
图4是有明显屈服阶段材料和无明显屈服阶段材料轧制后拉伸实验测试的数据与初始拉伸实验数据对接示意图；
图5是轧制-拉伸实验方法测定的5mm厚C15E钢材料大变形流动应力曲线图。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示。本实施例具体换算如下：
①拉伸试验中，载荷-位移换算工程应力-应变： 其中σE为工程应力、eE为工程应变、P为载荷、A0为材料的原始面积、ΔL为应变引伸仪测量的长度变化、L0为引伸仪的原始长度(标距)；
②拉伸试验中，工程应力-应变换算真实应力-真实应变：
σ＝σE(1+εE)，ε＝ln(1+εE)；
③拉伸试验中，真实应力-真实应变换算等效应力-等效应变：
σ＝σ，ε＝|ε|，其中σ为等效应力，ε为等效应变；
④轧制工艺中，轧制厚度与轧制真应变的相互换算：
⑤轧制工艺中，轧制真应变与等效应变的相互换算：
⑥轧制后拉伸试验的总应变：
∑ε＝ε0+ε1，ε1为轧制等效应变，ε2为再拉伸等效应变。
如图2所示，对于本实施例结果有效性的验证是通过对比实验结果与相应的数值模拟结果，采用5mm厚C15E钢材料大变形流动应力曲线进行板料体积成形过程数值模拟所得的载荷-行程曲线与实验测试结果的对比图，两者的误差小于5％。
本实施例的实施过程如下：
步骤一，取具有延伸性能的塑性金属材料--经完全球化退火的5mm厚C15E钢板材，进行初始拉伸试验，根据公式①得到工程应力-应变曲线，根据公式②将该曲线转化为真实应力-应变曲线，如图3所示。
步骤二，确定步骤一中得到的真实应力-应变曲线对应的最大真实应变为0.183，设定大变形流动应力曲线的最大真实应变测试需求为1.06，根据公式③得到后续轧制过程所需的等效应变区间为[0.183，1.060]；
步骤三，设定轧制次数为8，将等效应变区间进行8等分，得到每一次轧制过程需发生的理论等效应变值；根据板料原始厚度5mm，以及根据公式④、⑤得到每一次的轧制后理论板料厚度；
| 序号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| 理论轧制等效应变 | 0.291 | 0.401 | 0.511 | 0.621 | 0.730 | 0.840 | 0.950 | 1.060 |
| 理论轧制后板料厚度(mm) | 3.89 | 3.53 | 3.21 | 2.92 | 2.66 | 2.41 | 2.20 | 2.00 |
步骤四，取相同的C15E钢，按理论轧制后板料厚度分别进行8次冷轧加工，冷轧加工后不进行热处理，测量得到8个实际轧制后板料厚度；
| 序号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| 实际轧制后板料厚度(mm) | 3.89 | 3.53 | 3.21 | 2.92 | 2.66 | 2.41 | 2.20 | 2.00 |
之后，根据板料原始厚度与实际轧制后板料厚度计算得到8个实际轧制等效应变；
| 序号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| 实际轧制等效应变 | 0.291 | 0.401 | 0.511 | 0.621 | 0.730 | 0.840 | 0.950 | 1.060 |
步骤五，设定再拉伸方向为冷轧加工的伸长方向，将冷轧后的金属板料分别进行8次再拉伸试验，根据公式①、②得到再拉伸试验的真实应力-应变曲线；通过观察步骤一的真实应力-应变曲线，得出C15E为无明显屈服阶段材料，故按图4-b所示，取后继拉伸曲线中的抗拉强度为材料的后继流动应力，对应抗拉强度的真实应变为材料的后继真实应变；如所采用的材料为有明显屈服阶段材料，则应按图4-a所示取得材料的后继流动应力和后继真实应变；由此得到8个后继流动应力和8个后继真实应变；
| 序号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| 后继流动应力(MPa) | 518.6 | 565.1 | 593.2 | 611.9 | 631.3 | 665.8 | 670.6 | 697.8 |
| 后继真实应变 | 0.023 | 0.019 | 0.008 | 0.006 | 0.005 | 0.023 | 0.017 | 0.015 |
步骤六，根据公式⑥，将步骤五中的实际轧制等效应变和步骤六中的后继真实应变相加，得到n个总等效应变；
| 序号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| 总等效应变 | 0.314 | 0.420 | 0.519 | 0.627 | 0.735 | 0.863 | 0.967 | 1.075 |
之后，将步骤六中的后继流动应力和步骤七中的总等效应变结合，可构成8个数据点，进而得到金属板料的大变形流动应力曲线，如图5所示。
| 数据点 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| 后继流动应力(MPa) | 518.6 | 565.1 | 593.2 | 611.9 | 631.3 | 665.8 | 670.6 | 697.8 |
| 等效应变和 | 0.314 | 0.420 | 0.519 | 0.627 | 0.735 | 0.863 | 0.967 | 1.075 |
Claims (4)
1.一种金属板料大变形流动应力曲线的测定方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，取金属板料，进行初始拉伸试验，得到金属板料的工程应力-应变曲线，将该曲线转化为真实应力-应变曲线；
步骤二，取步骤一所得真实应力-应变曲线的最大真实应变E1，设定大变形流动应力曲线的最大真实应变测试需求E2，得到后续轧制过程的等效应变区间[E1，E2]；
步骤三，设定轧制次数为n，n为≥6的正整数；将步骤二中的等效应变区间[E1，E2]进行n等分，得到每一次轧制过程需发生的理论等效应变值，结合步骤一中的金属板料的厚度，得到每一次的理论轧制后板料厚度；
步骤四，取n块金属板料，每一块金属板料按照步骤三得到的一个理论轧制后板料厚度进行冷轧加工，之后测量得到的轧制后金属板料的实际厚度，共得到n个实际厚度，进而得到每一块的实际轧制等效应变；
步骤五，将步骤四中冷轧加工后的n块金属板料分别进行再拉伸试验，得到n个后继流动应力和n个后继真实应变；
步骤六，将步骤四中每一块金属板料的实际轧制等效应变和步骤五中该金属板料的后继真实应变相加，得到总等效应变，
之后再与步骤五中该金属板料的后继流动应力结合，构成该金属板料的一个数据点；
依次类推，共得到n个数据点，进而可得到金属板料的大变形流动应力曲线。
2.根据权利要求1所述的金属板料大变形流动应力曲线的测定方法，其特征是，所述金属板料是具有延伸性能的塑性金属材料。
3.根据权利要求1所述的金属板料大变形流动应力曲线的测定方法，其特征是，步骤五中，所述再拉伸试验的方向为步骤四中冷轧加工的伸长方向。
4.根据权利要求1所述的金属板料大变形流动应力曲线的测定方法，其特征是，步骤五中，所述后继流动应力的取值具体为：
首先根据步骤一得到的真实应力-应变曲线，判断金属板料是否具有明显的 屈服阶段；
然后进行如下处理：具有明显屈服阶段的金属板料，取后继拉伸曲线中的屈服极限为材料的后继流动应力，对应屈服极限的真实应变为材料的后继真实应变；无明显屈服阶段的金属板料，取后继拉伸曲线中的抗拉强度为材料的后继流动应力，对应抗拉强度的真实应变为材料的后继真实应变。
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