CN107991177B - 一种测试金属板材双轴屈服和硬化行为的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属板材变形测试技术领域，具体涉及一种测试金属板材双轴屈服与硬化行为的方法。该方法设计新的十字形试样几何结构，通过测量双轴载荷直接获得金属板材的双轴初始和后续屈服应力；所设计的试样特征为带缝隙开口沟槽和中心变形区减薄，通过实时测量减薄区固定中心点的应变确定金属板材发生屈服的时刻和后续硬化对应的应变。本发明可以在固定应变跟踪点条件下，通过测量双轴载荷直接获得金属板材的初始双轴屈服应力和后续屈服应力(硬化)。本发明利用新型十字形试样双轴加载过程中跟踪固定中心点位置的应变，通过测量得到的双轴载荷可以直接获得初始双轴屈服应力和后续屈服应力值，测试方法简单，可控性高。

Description

一种测试金属板材双轴屈服和硬化行为的方法
技术领域
本发明涉及金属板材变形测试领域，具体涉及一种新的测试金属板材双轴屈服与硬化行为的方法，利用十字形试样获得金属板材不同应变路径下屈服和硬化行为。
背景技术
金属材料的屈服与硬化是金属塑性变形过程中的重要变形行为，不仅体现了金属材料的变现特点(各向异性屈服与硬化等)，同样影响金属零件的尺寸精度(零件厚度变化与回弹等)。宏观本构方程旨在精确的描述金属材料的屈服和硬化行为，进而给出其塑性加工过程中准确的力学响应和尺寸精度预测。
目前，为描述不同金属材料的变形行为，研究人员已提出大量的宏观本构模型，并且随着金属材料不断更新，宏观本构方程所需参数日益增多，传统单轴实验方法已无法满足本构模型的参数拟合需要。
金属材料的双轴变形行为一般采用双轴加载设备通过控制双轴的速度比对双轴试样进行加载，并可通过设定不同的双轴速度比，获得材料不同加载路径的屈服和硬化行为。如图1所示，双轴加载试样主要为十字花型试样，十字花试样臂部均匀开设两端不贯通的缝隙1(缝隙宽度为0.2mm)。为了获得小的臂部变形，并保证中心区域均匀变形，试样设计思路如下：(1)在试样臂部设计不同缺口圆角半径；(2)对中心区进行减薄处理；(3)在试样臂部设计一定数量和长度的开口沟槽以减小臂部刚度。获得双轴屈服应力的方法为：首先通过数值模拟获得最佳的应变跟踪位置，调整双轴加载速度比控制实现不同应变路径，测量双轴载荷获得双轴应力。该方法目前被广泛采用，但存在如下问题：(1)应变跟踪位置确定比较复杂，需要大量的数值模拟工作，而且模拟输入的材料本构为虚拟的，导致计算结果与实际存在较大偏差；(2)确定的应变跟踪位置由于不在试样中心，因此实际应变测试时的定位也很难准确；(3)仅能用来测试获得金属板材的初始屈服应力，不能获得后续屈服应力。上述问题导致目前的测试方法实施复杂且测量误差较大，同时不同测试后续屈服应力。
发明内容
针对目前金属板材双轴屈服和硬化行为测试存在的问题，本发明提供了一种新的测试金属双轴屈服与硬化行为的方法，采用双轴加载设备和新设计十字花试样，固定几何中心作为应变跟踪位置，利用实验装置采集的轴向力数据，通过简单计算即可获得金属材料准确的双轴屈服与硬化变形行为。
本发明的技术方案是：
一种测试金属板材双轴屈服和硬化行为的方法，该方法设计新的十字形试样几何结构，通过测量双轴载荷直接获得金属板材的双轴初始和后续屈服应力；所设计的试样特征为带缝隙开口沟槽和中心变形区减薄，通过实时测量减薄区固定中心点的应变确定金属板材发生屈服的时刻和后续硬化对应的应变。
所述的测试金属板材双轴屈服和硬化行为的方法，缝隙开口沟槽长度是控制测试精度的关键参数，对于不同厚度的金属板材，对应不同的缝隙开口沟槽长度。
所述的测试金属板材双轴屈服和硬化行为的方法，通过改变双轴加载的速度比获得不同的应变路径。
所述的测试金属板材双轴屈服和硬化行为的方法，金属板材的双轴应力由测量获得的双轴载荷直接求得。
所述的测试金属板材双轴屈服和硬化行为的方法，具体包括如下步骤：
(1)十字花试样加工
十字花试样臂部采用双圆角过渡，并在臂部中间加工贯通性的缝隙开口沟槽，并结合减薄中心变形区，促使试样中心发生均匀变形；
(2)十字花试样测量标定
在试样观测区域表面通过喷漆方式形成随机分布的散斑并将其烘干，作为后续光学测量的标准；
(3)双轴加载实验
采用配备数字图像捕捉设备的双轴拉伸试验机进行双向加载实验，试样开始前进行拍照标定，试样过程中固定时间间隔进行拍照，并准确记录双轴拉伸实验机的夹头加载力的实时数据；
(4)双轴加载实验数据处理
利用数值图像分析软件对变形试样进行分析，以试样的几何中心点为应变跟踪点，获得该点的应变—时间数据，选取εp0.2％作为屈服应变点，利用(3)中测试得到的双轴载荷数据，计算得到双轴屈服应力σ0.2%，并采用相似方法获得金属材料后续硬化行为，对应不同的跟踪应变下的后续屈服应力。
本发明的优点及有益效果是：
1、十字花试样开有贯通的缝隙开口，可以保证开口对应的截面上变形只发生在未开口的中心区域，因此截面平均应力可以直接有加载载荷除于开口处对应的变形区截面面积得到。
2、缝隙开口沟槽长度是个关键参数，合理的缝隙开口沟槽长度可以保证试样几何中心点的应力可以代表开口处变形区截面的平均应力，即可以采用固定中心点作为跟踪点来表征金属板材的屈服和硬化。
3、由于应变跟踪点可以固定在试样几何中心点，因此上述设计和方法无需繁琐的数值模拟来选择应变跟踪点，且试样中心点定位较容易，也可保证测量结果的可靠行。
附图说明
图1是目前普遍采用测试金属板材双轴屈服应力的十字型试样示意图。
图2(a)是本发明设计试样的三维示意图，图2(b)-图2(c)是设计试样的关键结构尺寸。其中：图2(b)为主视图，图2(c)为图2(b)中的A-A剖视放大图。
图3(a)-图3(b)是实施例1具体结构尺寸。其中：图3(a)为主视图，图3(b)为图3(a)中的A-A剖视放大图。
图4(a)是不同测试屈服圆对比图，图4(b)是Mises虚拟测试结果(图中1、2、3、4分别表示σx:σy为1:1、1:0.4、1:0.2、1：0.01，其中σx和σy分别为两个加载方向的屈服应力)，图4(c)是Hill 48虚拟测试结果，图4(d)是Balart_lian 89虚拟测试结果，图4(e)是YLD 2000虚拟测试结果。图中，横坐标σx/σ0代表归一化的x轴加载方向的屈服应力，纵坐标σy/σ0代表归一化的y轴加载方向的屈服应力。
图5是不同变形区宽度L4测试结构对比图。图中，横坐标σx/σ0代表归一化的x轴加载方向的屈服应力，纵坐标σy/σ0代表归一化的y轴加载方向的屈服应力。
图6是Balart_lian89虚拟测试屈服和后续硬化结果。图中，横坐标σx/σ0代表归一化的x轴加载方向的屈服应力，纵坐标σy/σ0代表归一化的y轴加载方向的屈服应力。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明提供一种新的测试金属双轴屈服与硬化行为的方法，该方法主要特征在于设计了一种新型的试样结构，可以在固定应变跟踪点条件下，通过测量双轴载荷直接获得金属板材的初始双轴屈服应力和后续屈服应力(硬化)，具体包括如下步骤：
(1)十字花试样加工。本发明十字花试样臂部采用双圆角过渡，并在臂部中间加工贯通性的缝隙开口沟槽2，并结合减薄中心变形区，促使试样中心发生均匀变形。
(2)十字花试样测量标定。在试样观测区域表面通过喷漆方式形成随机分布的散斑并将其烘干，作为后续光学测量的标准。
(3)双轴加载实验。采用配备数字图像捕捉设备的双轴拉伸试验机进行双向加载实验，试样开始前进行拍照标定，试样过程中固定时间间隔进行拍照，并准确记录双轴拉伸实验机的夹头加载力的实时数据。
(4)双轴加载实验数据处理。利用专业数值图像分析软件对变形试样进行分析，以试样的几何中心点为应变跟踪点(中心应变测量点O)，获得该点的应变—时间数据，选取εp0.2％作为屈服应变点，利用(3)中测试得到的双轴载荷数据，计算得到双轴屈服应力σ0.2％，其中x和y分别代表两个加载方向的应力，并采用相似方法获得金属材料后续硬化行为(对应不同的跟踪应变下的后续屈服应力)。
本发明利用新型十字形试样双轴加载过程中跟踪固定中心点位置的应变，通过测量得到的双轴载荷可以直接获得初始双轴屈服应力和后续屈服应力值，测试方法简单，可控性高，为准确测试金属板材的初始屈服圆和后续硬化行为提供了新的可靠方法。
现结合附图2(a)-图2(c)，阐明其核心思想：
本发明方法创新性的结合十字花试样臂部双圆角缺口、缝隙开口沟槽设计和中心变形区减薄等设计特点，十字花试样为沿十字中心线的对称结构，十字花试样的总长度和总宽度均为L1，十字花试样臂部侧面至其上缝隙开口沟槽中心线的宽度为L2，十字花试样臂部端面至其上缺口的宽度为L3，缝隙开口沟槽的根部直径为Φ1，通过控制试样关键结构尺寸：相邻试样臂双圆角缺口圆角半径R1、R2(相邻试样臂双圆角缺口为位于相邻试样臂根部的圆角(圆角半径R2)，与位于相邻试样臂侧面的圆角(圆角半径R1)组合结构)，中心变形区尺寸L5(相对两个缝隙开口沟槽2根部之间的长度)、L6(中心变形区长度或宽度)、T1(中心变形区厚度)和T2(十字花试样臂部厚度)，保证试样中心区变形均匀性，特别是设计了贯通性的缝隙开口沟槽2(其宽度L4)，根据板材厚度T2合理选定其长度L5的数值，使得仅通过跟踪几何中心点的应变数据，即可确定测试金属的屈服(εp0.2％)和硬化行为；并且，通过调整双轴加载的速度比可以获得心部(中心变形区)跟踪点的不同加载路径，利用实验装置采集的轴向力数据Fx,Fy，通过简单计算即可获得金属材料准确的屈服与硬化轴向应力σx、σy，其中：
Figure GDA0002386029390000051
Figure GDA0002386029390000052
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
实施例1：
如图3(a)-图3(b)所示，本实施例中试样尺寸：采用的缺口圆角半径R1＝9.08mm、R2＝2.77mm，中心变形区尺寸L6＝16mm、L5＝18.5mm、T1＝0.9mm和T2＝1.5mm。
本实施例采用数值方法说明本发明的可行性和准确性，其基本过程如下：
(1)十字花试样模型。采用三维造型软件对该模型建模，并进行网格划分。模型中参数拟合采用单轴实验屈服应力和各向异性参数拟合得到，并采用Mises、Hill 48、Balart_Lian 89、YLD 2000验证试样的可行性和准确性。
(2)十字花试样模型加载。分别在x轴和y轴分别施加应力σx:σy为1:1、1:0.4、1:0.2、1：0.01载荷条件。
(3)模型验证对比。以中心应变测量点O为变形参考点，获得该点的时间—应变数据，选取εp0.2％作为屈服应变点，计算得到屈服应力σ0.2％。提取轴向力数据Fx，Fy数据，采用公式(1)、(2)方法计算金属材料的屈服时的轴向应力σx、σy。
如图4(a)-图4(e)所示，将不同测试屈服圆对比，从图4(b)Mises虚拟测试结果(图中1、2、3、4分别表示σx:σy为1:1、1:0.4、1:0.2、1：0.01)、图4(c)Hill 48虚拟测试结果、图4(d)Balart_lian 89虚拟测试结果、图4(e)YLD 2000虚拟测试结果看出，误差范围都在±3％以内，说明本方法对于各向同性和各向异性材料都具有较好的可行性和准确性。
另外，采用不同的缝隙开口沟槽长度，即对于相同的L6，L5采用不同值，分别为L5＝17.75mm,18mm,18.5mm,利用公式(1)、(2)计算得到金属材料屈服时的轴向应力σx、σy，结果如图5所示，说明本发明具有较好的可行性和稳健性，L5在一定的尺寸范围内都能得到准确的屈服金属材料屈服行为。
如图6所示，本发明同样可以用于测试金属材料的后继硬化行为(不同塑性应变下对应的双轴屈服应力)。
综上所述，以上仅为本发明实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种测试金属板材双轴屈服和硬化行为的方法，其特征在于，该方法设计新的十字形试样几何结构，通过测量双轴载荷直接获得金属板材的双轴初始和后续屈服应力；所设计的试样特征为：十字花试样为沿十字中心线的对称结构，十字花试样臂部双圆角缺口、在十字花试样的每个臂部中间加工一个贯通性的带缝隙开口沟槽和中心变形区减薄，通过实时测量减薄区固定中心点的应变确定金属板材发生屈服的时刻和后续硬化对应的应变；
利用实验装置采集的轴向力数据Fx、Fy，通过简单计算获得金属材料准确的屈服与硬化轴向应力σx、σy，其中：
Figure FDA0002580473670000011
Figure FDA0002580473670000012
σx和σy分别代表x轴、y轴两个加载方向的屈服应力，Fx和Fy分别代表x轴、y轴两个加载方向的轴向力，L6代表中心变形区长度或宽度，T1代表中心变形区厚度，L5代表相对两个缝隙开口沟槽根部之间的长度，T2代表十字花试样臂部厚度。
2.根据权利要求1所述的测试金属板材双轴屈服和硬化行为的方法，其特征在于，缝隙开口沟槽长度是控制测试精度的关键参数，对于不同厚度的金属板材，对应不同的缝隙开口沟槽长度。
3.根据权利要求1所述的测试金属板材双轴屈服和硬化行为的方法，其特征在于，通过改变双轴加载的速度比获得不同的应变路径。
4.根据权利要求1所述的测试金属板材双轴屈服和硬化行为的方法，其特征在于，金属板材的双轴应力由测量获得的双轴载荷直接求得。
5.根据权利要求1所述的测试金属板材双轴屈服和硬化行为的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
(1)十字花试样加工
十字花试样臂部采用双圆角过渡，并在臂部中间加工贯通性的缝隙开口沟槽，并结合减薄中心变形区，促使试样中心发生均匀变形；
(2)十字花试样测量标定
在试样观测区域表面通过喷漆方式形成随机分布的散斑并将其烘干，作为后续光学测量的标准；
(3)双轴加载实验
采用配备数字图像捕捉设备的双轴拉伸试验机进行双向加载实验，试样开始前进行拍照标定，试样过程中固定时间间隔进行拍照，并准确记录双轴拉伸实验机的夹头加载力的实时数据；
(4)双轴加载实验数据处理
利用数值图像分析软件对变形试样进行分析，以试样的几何中心点为应变跟踪点，获得该点的应变—时间数据，选取εp0.2％作为屈服应变点，利用(3)中测试得到的双轴载荷数据，计算得到双轴屈服应力σ0.2％，并采用相似方法获得金属材料后续硬化行为，对应不同的跟踪应变下的后续屈服应力。
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"十字形双轴试验在板料成形性能研究中的应用";刘维 等;《锻压技术》;20160331;第41卷(第3期);全文 *

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