CN102645375A - 三维应力状态下的材料力学性能测试方法 - Google Patents
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Abstract
三维应力状态下的材料力学性能测试方法，它涉及一种材料力学性能测试方法。本发明解决了普通液体作为传力介质施加法向压力时难以提供较高压力且板材拉伸过程中的动密封等瓶颈问题。本发明方法的实施装置包括左模腔、右模腔、S极、N极、高压油管、液压控制系统、磁性颗粒、基液、磁控单元。磁性介质作为智能材料，在可控磁场作用下发生定向排布进而对板材施加法向压力，且通过磁场的调控来改变法向压力的大小来进行不同法向压力作用下板材单向拉伸成形性能的测试，且与普通液体相比，磁性介质较易实现密封，籍此为板(管)材流体高压成形性能的测试提供技术手段。本发明所需设备简单、工序少、可控性强，易于在生产中实施、推广和应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种材料力学性能测试方法，具体涉及一种用于三维应力状态下的板材力学性能测试方法。
背景技术
随着对节能减排需求的提高，铝合金、镁合金及钛合金等轻质材料的应用量呈增大趋势。在航空航天和汽车领域，除了采用轻质材料减重外，轻量化结构是减重的另一个主要途径。对于承受弯扭载荷为主的结构，采用空心变截面构件，可同时实现减重和充分利用材料强度的双重效果。内高压成形正是顺应这种需求而开发出来的一种空心变截面轻体构件的先进制造技术，工艺原理为通过管材内部施加高压液体和轴向加载补料把管坯压入到模具型腔使其成形为所需工件。
内高压成形技术具有减轻重量，节约材料，减少后续机加工序，提高强度和刚度及材料利用率，降低生产成本等优势而在航空航天和汽车等领域得到广泛应用。但成形过程中施加的法向压力最高可达400MPa，超过了铝合金、镁合金甚至低碳钢等材料的室温屈服极限，因此，法向压力对板(管)材变形及壁厚变化的影响则不能忽略，实际上是处于复杂应力状态，即三维应力状态。而传统板材单向拉伸性能测试时仅为一维应力状态，不能反应复杂应力状态下的真实成形特性，故需要考虑法向压力作用对板(管)材成形性能的影响。
改变受力状态能够提高板材的室温成形性能。板材成形过程中对法向施加载荷能提高塑性区的静水压力，可有效抑制板材内部裂纹的产生和扩展，从而提高塑性成形能力。如背压加载条件下的板材双向液压胀形试验研究表明，增大背压可以提高板材的极限胀形高度，且背压与材料强度相当时，极限高度提高的更加显著。但普通液体作为传力介质难以突破过高压力加载时动密封所带来的技术瓶颈，而气体压缩量较大且所能提供的压力不易过高。双层板整体加载成形时，外层板的包覆可对内层板起到背压作用，但法向作用力的分布是非均匀且可控性也较差。通过对管材内外压胀形研究结果表明，随着法向压力增大，管坯的极限变形能力增加，有利于实现模具圆角处的充填。并通过成形极限的理论分析可知，向管材施加双向压力能够延缓塑性失稳的发生，随着背压的增加，管材的极限塑性变形能力随之增大，因此，管材内外压成形技术适用于变径、复杂形状的构件；对于给定形状零件，则可选用强度高、塑性低的轻质材料。
目前常采用单向拉伸实验法获得相应材料的本构关系、延伸率、硬化指数及各向异性系数等性能指标，旨在通过对相应材料的性能测试和评价对工艺方案制定及模具设计提供理论依据。在单向拉伸过程中施加均匀静水压力可在一定程度上提高材料的成形极限。早在二十世纪初，Bridgman利用普通液态介质对施加静水压力的钢棒进行了单向拉伸实验，发现了静水压力对材料塑性有提高作用。随后，研究者们先后对铝、铝合金、铜等棒材进行了一系列的单向拉伸实验测试，研究结果表明，静水压力对材料的本构关系影响很微弱，而对断裂机理和延伸率却有着非常显著地影响。但棒材试样的测试结果仅适用于体积成形，难以对板(管)材成形性能进行客观评价。
普通液体虽然也可作为传力介质对板材单向拉伸行为提供一定的法向压力，但与棒材试样相比，密封难题显得尤为突出(非圆截面的动密封问题)且所能提供的法向压力也相对有限。同时，普通液体加压板材单向拉伸时的受力状态为σ1≠σ2＝σ3，与内高压成形时的σ1≠σ2≠σ3还有差异，仅为后者的特殊情况，因此，现有单向拉伸测试法难以对板(管)材的流体高压成形性能进行准确地评估及预测。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有单向拉伸实验难以对复杂应力状态(即三维应力状态)下的板材成形性能进行评价且压力过高时普通液体不易密封等问题，提出了采用磁性介质代替普通液体对板材单向拉伸过程进行法向加压的实验方法。本发明与普通液体的显著区别是：磁性介质作为智能材料在可控磁场作用下发生定向排布对板材施加法向压力且易实现密封。本发明提供了可用于三维应力状态下板材单向拉伸力学性能的测试方法。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
本发明所述三维应力状态下的材料力学性能测试方法是按照以下步骤实现的：步骤一、将组合式模腔的左模腔及右模腔进行合模；步骤二、将加工好的板材试样放置并固定于左模腔与右模腔之间；步骤三、将板材试样上下端分别装卡于材料力学性能试验机夹具上；步骤四、将磁性颗粒和基液混合并充分搅拌，制成磁性介质(磁流变液)；步骤五、将磁性介质注入板材试样与左模腔及右模腔形成的空隙中；步骤六、液压控制系统通过高压油管向由左模腔和右模腔形成的空腔内增压；步骤七、利用磁控单元对来调控S极和N极间磁场力大小；步骤八、通过磁性颗粒的定向排布对板材试样施加法向压力；步骤九、试样拉伸成形完毕后，卸去腔内压力；步骤十、通过磁控单元调至零磁场；步骤十一、分别去掉的左模腔及右模腔；步骤十二、取下板材试样。
实现上述三维应力状态下的材料力学性能测试方法的测试装置，所述测试装置包括右模腔、S极、高压油管、液压控制系统、磁性颗粒、基液、N极、左模腔和磁控单元，左模腔和右模腔合在一起并周向固接形成组合模腔，由磁性颗粒和基液构成的磁性介质充满组合模腔中部空隙，所述组合模腔上的油孔通过高压油管与液压控制系统连通；液压控制系统通过高压油管向由左模腔和右模腔形成的空腔内增压；N极、S极相对设置并分别固定在左模腔、右模腔的外侧壁上。
本发明具有以下有益效果：
本发明解决了普通液体作为传力介质施加法向压力时难以提供较高压力且板材拉伸过程中的动密封等瓶颈问题。本发明是采用磁性介质代替传统的液态传力介质对单向拉伸时的板材施加法向载荷。在磁场力作用下，使具有一定饱和度的磁性颗粒发生定向分布并对单向拉伸试样施加法向载荷的。而板材试样的厚向压力则由液室来控制，因此，能够体现出板(管)材流体高压成形的真实受力状态且对材料室温下的变形行为及成形性能具有重要影响，同时，磁性介质作为智能材料在可控磁场力的作用下发生定向排布，并起到增强密封作用。本发明可增加材料的屈服强度和延伸率。
本发明方法采用磁性介质作为智能材料，在可控磁场作用下发生定向排布进而对板材施加法向压力，且通过磁场的调控来改变法向压力的大小来进行不同法向压力作用下板材单向拉伸成形性能的测试，且与普通液体相比，磁性介质较易实现密封，籍此为板(管)材流体高压成形性能的测试提供技术手段。本发明所需设备简单、工序少、可控性强，易于在生产中实施、推广和应用。
一、磁性介质作为智能材料，可通过磁控单元的定向控制对单向拉伸的板材实施加载且法向压力的可控性强，精度高；二、与普通液体相比，避免了加载时动密封要求条件苛刻等瓶颈问题，为三维应力状态下板材力学性能的测试及评价提供了理论依据。实验装置结构简单且可靠，便于在实施推广及应用。
附图说明
图1是利用本发明方法成形前的结构二维示意图，图2是利用本发明方法成形后的结构二维示意图，图3是利用本发明具体实施方式一成形前试样结构示意图，图4是利用本发明具体实施方式二成形前试样结构示意图；图5是利用现有方法成形时试样的受力状态，图6是利用本发明方法成形时试样的受力状态(试样受到三维力为：力学性能试验机的拉力、磁性介质的液压力、磁性介质的液压力与磁性颗粒6的定向排布对板材试样1施加法向压力的合力、)；图7是利用本发明方法成形时材料的力学性能示意图(横坐标表示应变，纵坐标表示应力)。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1、图2、图3、图5、图6和图7具体说明本实施方式，所述三维应力状态下的材料力学性能测试方法包括如下步骤：一、制造组合式模腔的左模腔9及右模腔2；二、将加工好的板材试样1放置并固定于左模腔9与右模腔2中间；三、将板材试样1上下端分别装卡于材料力学性能试验机夹具上；四、将一定比例的磁性颗粒6和基液7混合并充分搅拌，制成磁性介质(磁流变液)；五、将磁性介质注入板材试样1与左模腔9及右模腔2形成的空隙处；六、通过液压控制系统5通过高压油管4向腔内增压；七、利用磁控单元10对来调控S极3和N极8间磁场力大小；八、通过磁性颗粒6的定向排布对板材试样1施加法向压力；九、试样拉伸成形完毕后，卸去腔内压力；十、通过磁控单元10调至零磁场；十一、分别去掉的左模腔9及右模腔2；十二、取下板材试样1。本实施方式中的板材形状如图3所示。
本实施方式在步骤四中，磁性颗粒6和基液7的重量比为4～13。在外加磁场作用下，悬浮于基液7中的磁性颗粒6产生极化，形成偶极矩，使磁性颗粒6沿磁力线方向形成链状结构。宏观表现为在常态下的牛顿流体在加磁后转变为半固态粘塑性体，此项转变可逆。
具体实施方式二：下面结合图1、图2、图4、图5、图6和图7具体说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式一的不同点在于板材试样1为矩形，其它组成及连接关系于与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：下面结合图1、图2具体说明本实施方式，所述测试装置包括右模腔2、S极3、高压油管4、液压控制系统5、磁性颗粒6、基液7、N极8、左模腔9和磁控单元10，左模腔9和右模腔2合在一起并周向固接形成组合模腔，由磁性颗粒6和基液7构成的磁性介质充满组合模腔中部空隙，所述组合模腔上的油孔通过高压油管4与液压控制系统5连通；液压控制系统5通过高压油管4向由左模腔9和右模腔2形成的空腔内增压；N极8、S极3相对设置并分别固定在左模腔9、右模腔2的外侧壁上。
Claims (3)
1.一种三维应力状态下的材料力学性能测试方法，其特征在于：所述测试方法是按照以下步骤实现的：步骤一、将组合式模腔的左模腔(9)及右模腔(2)进行合模；步骤二、将加工好的板材试样(1)放置并固定于左模腔(9)与右模腔(2)之间；步骤三、将板材试样(1)上下端分别装卡于材料力学性能试验机夹具上；步骤四、将磁性颗粒(6)和基液(7)混合并充分搅拌，制成磁性介质；步骤五、将磁性介质注入板材试样(1)与左模腔(9)及右模腔(2)形成的空隙中；步骤六、液压控制系统(5)通过高压油管(4)向由左模腔(9)和右模腔(2)形成的空腔内增压；步骤七、利用磁控单元(10)对来调控S极(3)和N极(8)间磁场力大小；步骤八、通过磁性颗粒(6)的定向排布对板材试样(1)施加法向压力；步骤九、试样拉伸成形完毕后，卸去腔内压力；步骤十、通过磁控单元(10)调至零磁场；步骤十一、分别去掉的左模腔(9)及右模腔(2)；步骤十二、取下板材试样(1)。
2.根据权利要求1所述的三维应力状态下的材料力学性能测试方法，其特征在于：在步骤四中，磁性颗粒(6)和基液(7)的重量比为4～13。
3.一种实现权利要求1所述三维应力状态下的材料力学性能测试方法的测试装置，其特征在于：所述测试装置包括右模腔(2)、S极(3)、高压油管(4)、液压控制系统(5)、磁性颗粒(6)、基液(7)、N极(8)、左模腔(9)和磁控单元(10)，左模腔(9)和右模腔(2)合在一起并周向固接形成组合模腔，由磁性颗粒(6)和基液(7)构成的磁性介质充满组合模腔中部空隙，所述组合模腔上的油孔通过高压油管(4)与液压控制系统(5)连通；液压控制系统(5)通过高压油管(4)向由左模腔(9)和右模腔(2)形成的空腔内增压；N极(8)、S极(3)相对设置并分别固定在左模腔(9)、右模腔(2)的外侧壁上。
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