CN105259060B - 金属材料应变硬化指数n值的检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料性能检测领域，具体涉及一种金属材料应变硬化指数n值的检测方法。本发明金属材料应变硬化指数n值的检测方法，包括以下步骤：a、测量某钢种的金属标准试件的应变硬化指数n0值、屈服强度σs0、抗拉强度σb0；b、代入公式(Ⅰ)中：得出该钢种金属材料的C值；c、测出该钢种金属待测试件的屈服强度σs和抗拉强度σb；d、将c步骤测得的σs和σb值代入公式(Ⅱ)中：计算出该金属材料的n值。本发明给出了新的材料n值与屈强比之间的对应关系，精度较高，方法简洁易用、高效快捷，可大幅度降低钢厂的检测工作量，具有创新性和突破性。
Description
技术领域
本发明属于金属材料性能检测领域，具体涉及一种金属材料应变硬化指数n值的检测方法。
背景技术
材料应变硬化指数n值是跟零件冲压成形性能直接相关的非常重要的力学参量，它有直接的工程意义。影响n值的因素相当多且复杂，为了简化材料n值的求解公式，数年来国内外学者对测定n值的方法做了大量的试验研究工作，曾经采用多种方法测定和计算应变硬化指数n值，有的采用经验关系式如Holloman关系式来计算n值，有的采用金属的均匀变形阶段的应变硬化指数同材料的屈服点与抗拉强度之比的关系来计算n值。典型的如李春光等《深冲IF钢应变硬化指数n值研究》[J].2014年全国轧钢生产技术会议文集(上).提出对于深冲IF钢，材料的n值与屈强比R0.2/Rm之间的关系式为：
翁文达等《应变硬化指数n值的确定方法》[J].物理测试,1991年第2期.提出材料的n值与屈强比σs/σb、屈强真应变比ε0.2/εb之间的关系式为：
式中α为常数，e为自然常数，e≈2.71828
杨尚林等《关于应变硬化指数影响因素的探讨》[J].物理测试,1996年第1期.，对实验数据进行线性回归分析，提出材料的n值与屈强比σs/σb之间的关系式为：
上式与实验数据的线性相关系数为0.78，预测结果基本上不能满足工程精度要求。
王印培《应变硬化指数的一种简易求法》[J].物理测试,1986年第3期.，提出了一种通过作图来计算应变硬化指数n的方法，李英发《估计应变硬化指数的一种简易方法》[J].Metal Progress,1985年8月.，报道了国外学者采用诺谟图(算图)来计算材料n值的方法，所得结果与实验室测量结果符合较好，但这两种方法都是作图过程更繁琐、低效。
张家义《一种测定应变硬化指数的简易方法》[J].钢铁研究,1990年5月,第2期.，翻译道：西班牙马德理大学两位学者根据工程应力-工程应变曲线和真应力-真应变曲线间的关系,结合Holloman关系式提出测定薄板材料n值与屈强比σs/σb的关系式为：
该公式认为Holloman关系式中的初始屈服应变固定为0.002，所求得的n值与实验值相差较大。
综上可知，已有方法要么繁琐、不便于直接利用，要么拟合精度差、不能普遍使用，反映了寻求材料n值简便公式的难度非常大。而且前人给出的材料n值与屈强比之间的关系式，均忽略了不同钢种之间成分、组织、晶粒度大小等因素对材料弹性模量、初始屈服应变等的影响，试图用一个经验公式包罗所有钢种，造成n值预测结果与实测结果相差较大。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明给出了一种简洁易用，精确度较高，可大幅度降低钢厂的检测工作量，提高生产效率的n值检测方法。
本发明金属材料应变硬化指数n值的检测方法，包括以下步骤：
a、测量某钢种的金属标准试件的应变硬化指数n0值、屈服强度σs0、抗拉强度σb0；
b、将a步骤测定的n0、σs0和σb0值代入公式(Ⅰ)中：
计算出该钢种金属材料的C值；其中，C为钢种常数；
c、测出该钢种金属待测试件的屈服强度σs和抗拉强度σb；
d、将c步骤测得的σs和σb值代入公式(Ⅱ)中：
计算出该种金属材料的n值。
上述所述金属材料应变硬化指数n值的检测方法，其中所述钢种类型为薄板钢材或带状钢材中的一种。
进一步的，作为更优选的技术方案，上述所述金属材料应变硬化指数n值的检测方法，其中所述薄板钢材或带状钢材包括冷轧钢板、镀锌/铝钢板、热轧钢板、热轧酸洗钢板中的一种。
进一步的，作为更优选的技术方案，上述所述金属材料应变硬化指数n值的检测方法，其中所述冷轧钢板牌号为DC01～DC07、st12～st16、170P1～250P1、240ZK、280VK中的一种。
上述所述金属材料应变硬化指数n值的检测方法，其中所述牌号为DC01～DC07中的DC06牌号冷轧钢板n值的检测方法，包括以下步骤：
①、测出DC06牌号冷轧钢板待测试件的屈服强度σs和抗拉强度σb；
②、将步骤①中测出的σs和σb值代入如下公式中：
计算出该种金属材料的n值。
上述所述金属材料应变硬化指数n值的检测方法，其中所述牌号为st12～st16中的st13型号冷轧钢板的n值的检测方法，包括以下步骤：
①、测出st13型号冷轧钢板待测试件的屈服强度σs和抗拉强度σb；
②、将步骤①中测出的σs和σb值代入如下公式中：
计算出该种金属材料的n值。
进一步的，作为更优选的技术方案，上述所述金属材料应变硬化指数n值的检测方法，其中所述镀锌/铝钢板牌号为DX51D～DX57D、DX51D+A～DX57D+A、DX51D+AZ～DX57D+AZ中的一种。
上述所述金属材料应变硬化指数n值的检测方法，其中所述牌号为DX51D～DX57D中的DX54D型号镀锌钢板的n值的检测方法，包括以下步骤：
①、测出DX54D型号镀锌钢板待测试件的屈服强度σs和抗拉强度σb；
②、将步骤①中测出的σs和σb值代入如下公式中：
计算出该种金属材料的n值。
本发明给出了新的材料n值与屈强比之间的对应关系，与实验数据对比结果表明本发明提出的n值计算方法精度较高，同时该方法简洁易用、高效快捷，可大幅度降低钢厂的检测工作量，具有创新性和突破性。
附图说明
附图1某DC06材料n值与屈强比的对应关系图。
具体实施方式
本发明金属材料应变硬化指数n值的检测方法，包括以下步骤：
a、测量某钢种的金属标准试件的应变硬化指数n0值、屈服强度σs0、抗拉强度σb0；
b、将a步骤测定的n0、σs0和σb0值代入公式(Ⅰ)中：
计算出该钢种金属材料的C值；其中，C为钢种常数；
c、测出该钢种金属待测试件的屈服强度σs和抗拉强度σb；
d、将c步骤测得的σs和σb值代入公式(Ⅱ)中：
计算出该金属材料的n值，从而得到同一钢种，不同规格下金属材料的n值。
上述所述金属材料应变硬化指数n值的检测方法，其中所述钢种类型为薄板钢材或带状钢材中的一种。
进一步的，作为更优选的技术方案，上述所述金属材料应变硬化指数n值的检测方法，其中所述薄板钢材或带状钢材包括冷轧钢板、镀锌/铝钢板、热轧钢板、热轧酸洗钢板中的一种。
进一步的，作为更优选的技术方案，上述所述金属材料应变硬化指数n值的检测方法，其中所述冷轧钢板牌号为DC01～DC07、st12～st16、170P1～250P1、240ZK、280VK中的一种。
进一步的，作为更优选的技术方案，上述所述金属材料应变硬化指数n值的检测方法，其中所述镀锌/铝钢板牌号为DX51D～DX57D、DX51D+A～DX57D+A、DX51D+AZ～DX57D+AZ中的一种。
其中，测量某钢种的金属标准试件的应变硬化指数n0值、屈服强度σs0、抗拉强度σb0，以及其他规格金属材料的常规力学性能σs和σb，均采用常规技术手段，其值按照国家标准《GB/T 5028-2008金属材料薄板和薄带拉伸应变硬化指数(n值)的测定》测定得出。
其中，公式的推导过程如下：
对Holloman关系式σ＝Kεn两边取对数,然后微分,则得：
由上式可知,n值的广义力学定义是指在拉伸变形任一瞬时变形应力对应变的敏感性,n值的几何涵义是在应力-应变对数坐标平面上拉伸曲线的斜率。由Holloman关系式可知，在最大均匀应变点(塑性失稳点)，有：
σj＝K*εj n
式中σj：最大均匀应变点真应力；εj：最大均匀应变点真应变。
由σj＝σb*(1+εj)＝σb*eεj，εj＝n，可得：
式中σb：抗拉强度(工程应力值)；e：自然常数。
在材料初始屈服点，因屈服点工程应力与屈服点真应力非常接近，可以认为两者数值相等，则有：
式中，σs：初始屈服应力；ε0：初始屈服真应变。
则材料n值与屈强比的关系式为：
初始屈服真应变ε0是一个与材料本身属性有关的数据，求出ε0之后即可绘出n值与屈强比的关系式。
以某0.8mm厚度的DC06材料为例，其实验室实测结果见表1.
表1 某DC06材料力学性能参数
| 厚度/mm | σs/MPa | σb/MPa | 延伸率A80 | n | 屈强比 |
| 0.8 | 140 | 302 | 44％ | 0.246 | 0.463576 |
由Holloman关系式可知，初始屈服真应变ε0为：
则该DC06材料n值与屈强比的关系式为：
对n值取0.1～0.4，利用上式计算出相应的屈强比数据，绘制出上式n值与屈强比的对应关系图，如附图1所示。
由附图1可知，随着n值的增加，屈强比逐渐减低，即对于确定的钢种来说，材料的n值与屈强比基本上成反比关系，因此材料n值与屈强比的对应关系可进一步表达为：
式中，C为常数。
将表1相关数据代入上式，解得该DC06材料的C值为：
C＝0.246×140÷302≈0.114
则该DC06材料n值与屈强比的对应关系为：
所以，上述所述DC06型号冷轧钢板n值的检测方法，包括以下步骤：
①、测出DC06型号冷轧钢板待测试件的屈服强度σs和抗拉强度σb；
②、将步骤①中测出的σs和σb值代入如下公式中：
计算出该金属材料的n值。
以某0.5mm厚度的st13材料为例，其实验室实测结果见表2，
表2 某st13材料力学性能参数
| 厚度/mm | σs/MPa | σb/MPa | 延伸率A80 | n |
| 0.5 | 134 | 294 | 42.5％ | 0.26 |
将表2相关数据代入解得该st13材料的C值为：
C＝0.26×134÷294≈0.1185
则该st13材料n值与屈服强度、抗拉强度的对应关系为：
所以，上述所述st13型号冷轧钢板的n值的检测方法，包括以下步骤：
①、测出st13型号冷轧钢板待测试件的屈服强度σs和抗拉强度σb；
②、将步骤①中测出的σs和σb值代入如下公式中：
计算出该种金属材料的n值。
以某0.6mm厚度DX54D材料力学性能参数测量结果见表3：
表3 某DX54D材料力学性能参数
| 厚度/mm | σs/MPa | σb/MPa | 延伸率A80 | n |
| 0.6 | 166 | 295 | 47％ | 0.2324 |
将表3相关数据代入解得该DX54D材料的C值为：
C＝0.2324×166÷295≈0.13
则该DX54D材料n值与屈强比的对应关系为：
所以，上述所述DX54D型号镀锌钢板的n值的检测方法，包括以下步骤：
①、测出DX54D型号镀锌钢板待测试件的屈服强度σs和抗拉强度σb；
②、将步骤①中测出的σs和σb值代入如下公式中：
计算出该金属材料的n值。
C值是与钢种属性有关的常数，仅与材料成分、组织、晶粒度等有关，与材料厚度及几何尺寸无关，即同一钢种、不同的厚度的材料，C值基本相等。
自此，测量出某一材料典型规格的n值代入公式求出C值，该钢种其他规格的材料只需测出基本力学性能参数σs、σb，即可代入公式求出该钢种其他厚度规格的n值，从而使确定同一钢种n值的工作大大简化。
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
某DC06冷轧钢板应变硬化指数n值的计算
以某0.8mm厚度的DC06材料为例，其实验室实测结果见表1，将表1相关数据代入解得该DC06材料的C值为：
C＝0.246×140÷302≈0.114
则该DC06材料n值与屈服强度、抗拉强度的对应关系为：
将实验室按照国家标准《GB/T 5028-2008金属材料薄板和薄带拉伸应变硬化指数(n值)的测定》测定得出的一系列0.7mm厚度DC06材料的屈服强度、抗拉强度与n标值为标准值，与按本发明得出的上式测算的n测值进行对比，见下表4：
表4 某DC06材料n标值与n测值对比
| σs/MPa | σb/MPa | n标 | n测 | 相对误差/％ |
| 126 | 296 | 0.26 | 0.26781 | 3.0037 |
| 124 | 300 | 0.27 | 0.275806 | 2.1505 |
| 123 | 291 | 0.27 | 0.269707 | -0.108 |
| 123 | 292 | 0.27 | 0.270634 | 0.2349 |
| 117 | 287 | 0.28 | 0.279641 | -0.128 |
| 124 | 296 | 0.27 | 0.272129 | 0.7885 |
| 134 | 283 | 0.26 | 0.240761 | -7.4 |
| 118 | 280 | 0.27 | 0.270508 | 0.1883 |
| 116 | 280 | 0.28 | 0.275172 | -1.724 |
| 127 | 293 | 0.26 | 0.263008 | 1.1569 |
| 117 | 284 | 0.27 | 0.276718 | 2.4881 |
| 130 | 281 | 0.26 | 0.246415 | -5.225 |
| 135 | 288 | 0.26 | 0.2432 | -6.462 |
| 128 | 291 | 0.26 | 0.259172 | -0.319 |
| 128 | 286 | 0.27 | 0.254719 | -5.66 |
| 126 | 280 | 0.26 | 0.253333 | -2.564 |
| 135 | 289 | 0.26 | 0.244044 | -6.137 |
| 137 | 296 | 0.26 | 0.246307 | -5.267 |
| 130 | 287 | 0.26 | 0.251677 | -3.201 |
由表4可知，DC06材料n值的测算值与标准值的最大相对误差为-7.4％，大多数情况下相对误差低于5％，平均相对误差为-1.79916％，n值的计算值的精度能够满足工程要求。
实施例2
某DX54D镀锌板材料应变硬化指数n值的计算
某0.6mm厚度DX54D材料力学性能参数测量结果见表3：
将表3相关数据代入解得该DX54D材料的C值为：
C＝0.2324×166÷295≈0.13
则该DX54D材料n值与屈强比的对应关系为：
将实验室按照国家标准《GB/T 5028-2008金属材料薄板和薄带拉伸应变硬化指数(n值)的测定》测定得出的一系列0.6mm厚度DX54D材料的屈服强度、抗拉强度与n标值为标准值，与按本发明得出的上式测算的n测值进行对比，见下表5：
表5 某DX54D材料n标值与n测值对比
| σs/MPa | σb/MPa | n标 | n测 | 相对误差/％ |
| 209 | 329 | 0.1938 | 0.204641 | 5.594 |
| 205 | 322 | 0.2016 | 0.204195 | 1.2873 |
| 203 | 324 | 0.2033 | 0.207488 | 2.0599 |
| 168 | 304 | 0.2226 | 0.235238 | 5.6775 |
| 169 | 302 | 0.2253 | 0.232308 | 3.1104 |
| 166 | 300 | 0.227 | 0.23494 | 3.4977 |
| 164 | 297 | 0.23 | 0.235427 | 2.3595 |
| 158 | 302 | 0.2319 | 0.248481 | 7.1501 |
| 162 | 298 | 0.232 | 0.239136 | 3.0758 |
| 164 | 293 | 0.2343 | 0.232256 | -0.872 |
由表5可知，DX54D材料n值测算值与标准值的最大相对误差为7.15％，大多数情况下相对误差低于5％，平均相对误差为3.29402％，n值的计算值的精度能够满足工程要求。
实施例3
某st13冷轧钢板应变硬化指数n值的计算
以某0.5mm厚度的st13材料为例，其实验室实测结果见表2，
将表2相关数据代入解得该st13材料的C值为：
C＝0.26×134÷294≈0.1185
则该st13材料n值与屈服强度、抗拉强度的对应关系为：
将实验室按照国家标准《GB/T 5028-2008金属材料薄板和薄带拉伸应变硬化指数(n值)的测定》测定得出的一系列0.5mm厚度st13材料的屈服强度、抗拉强度与n标值为标准值，与按本发明得出的上式测算的n测值进行对比，见下表6：
表6 某st13材料n标值与n测值对比
| σs/MPa | σb/MPa | n标 | n测 | 相对误差/％ |
| 134 | 294 | 0.26 | 0.259993 | -0.003 |
| 124 | 290 | 0.27 | 0.277137 | 2.6433692 |
| 125 | 291 | 0.27 | 0.275868 | 2.1733333 |
| 133 | 299 | 0.26 | 0.266402 | 2.462406 |
| 137 | 290 | 0.25 | 0.250839 | 0.3357664 |
| 162 | 304 | 0.23 | 0.22237 | -3.3172303 |
| 132 | 297 | 0.26 | 0.266625 | 2.5480769 |
| 137 | 298 | 0.25 | 0.257759 | 3.1036496 |
| 126 | 290 | 0.26 | 0.272738 | 4.8992674 |
| 124 | 296 | 0.27 | 0.282871 | 4.7670251 |
| 154 | 309 | 0.24 | 0.237769 | -0.9293831 |
| 124 | 295 | 0.27 | 0.281915 | 4.4130824 |
| 132 | 300 | 0.26 | 0.269318 | 3.5839161 |
| 128 | 296 | 0.26 | 0.274031 | 5.3966346 |
| 136 | 296 | 0.26 | 0.257912 | -0.8031674 |
| 128 | 299 | 0.26 | 0.276809 | 6.4648438 |
| 129 | 296 | 0.26 | 0.271907 | 4.5796064 |
| 131 | 297 | 0.26 | 0.26866 | 3.3308867 |
| 128 | 298 | 0.26 | 0.275883 | 6.108774 |
| 123 | 289 | 0.27 | 0.278427 | 3.1210479 |
| 138 | 287 | 0.26 | 0.246446 | -5.2132107 |
| 124 | 291 | 0.27 | 0.278093 | 2.9973118 |
| 125 | 285 | 0.26 | 0.27018 | 3.9153846 |
| 131 | 297 | 0.26 | 0.26866 | 3.3308867 |
| 138 | 284 | 0.26 | 0.24387 | -6.2040134 |
| 133 | 294 | 0.26 | 0.261947 | 0.7489879 |
| 137 | 288 | 0.25 | 0.249109 | -0.3562044 |
| 130 | 289 | 0.26 | 0.263435 | 1.3210059 |
由表6可知，st13材料n值测算值与标准值的最大相对误差为6.46％，大多数情况下相对误差低于5％，平均相对误差为1.979252％，n值的计算值的精度能够满足工程要求。
Claims (8)
1.金属材料应变硬化指数n值的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
a、测量某钢种的金属标准试件的应变硬化指数n0值、屈服强度σs0、抗拉强度σb0；n0，σs0和σb0的值按照国标GB/T5028-2008测定得出；
b、将a步骤测定的n0、σs0和σb0值代入公式(Ⅰ)中：
(Ⅰ)
计算出该钢种金属材料的C值；其中，C为钢种常数；
c、测出该钢种金属待测试件的屈服强度σs和抗拉强度σb；
d、将c步骤测得的σs和σb值代入公式(Ⅱ)中：
(Ⅱ)
计算出该金属材料的n值。
2.根据权利要求1所述金属材料应变硬化指数n值的检测方法，其特征在于：所述钢种类型为薄板钢材或带状钢材中的一种。
3.根据权利要求2所述金属材料应变硬化指数n值的检测方法，其特征在于：所述薄板钢材或带状钢材包括冷轧钢板、镀锌/铝钢板、热轧钢板、热轧酸洗钢板中的一种。
4.根据权利要求3所述金属材料应变硬化指数n值的检测方法，其特征在于：所述冷轧钢板牌号为DC01～DC07、st12～st16、170P1～250P1、240ZK、280VK中的一种。
5.根据权利要求4所述金属材料应变硬化指数n值的检测方法，其特征在于：所述DC06牌号冷轧钢板n值的检测方法，包括以下步骤：
①、测出DC06牌号冷轧钢板待测试件的屈服强度σs和抗拉强度σb；
②、将步骤①中测出的σs和σb值代入如下公式中：
计算出该种金属材料的n值。
6.根据权利要求4所述金属材料应变硬化指数n值的检测方法，其特征在于：所述st13牌号冷轧钢板的n值的检测方法，包括以下步骤：
①、测出st13牌号冷轧钢板待测试件的屈服强度σs和抗拉强度σb；
②、将步骤①中测出的σs和σb值代入如下公式中：
计算出该种金属材料的n值。
7.根据权利要求3所述金属材料应变硬化指数n值的检测方法，其特征在于：所述镀锌/铝钢板牌号为DX51D～DX57D、DX51D+A～DX57D+A、DX51D+AZ～DX57D+AZ中的一种。
8.根据权利要求7所述金属材料应变硬化指数n值的检测方法，其特征在于：所述DX54D牌号镀锌钢板的n值的检测方法，包括以下步骤：
①、测出DX54D牌号镀锌钢板待测试件的屈服强度σs和抗拉强度σb；
②、将步骤①中测出的σs和σb值代入如下公式中：
计算出该种金属材料的n值。
Priority Applications (1)
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