CN109115603B - 一种获取金属材料在静态拉伸状态下应力应变曲线的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种获取金属材料在静态拉伸状态下应力应变曲线的方法。该方法是基于应变控制或者位移控制情况下的改进拉伸实验和实验数据处理分析的一种方法，主要包含两部分内容：首先是通过改进的拉伸实验获取实验数据，其次通过实验数据处理获取材料在极限慢拉伸即静态拉伸状态下的真实应力应变曲线。本发明的效果是可以通过实验获取材料在长期处于拉伸服役过程中材料的真实应力应变曲线，从而可以有效评价材料的真实使用性能，对长期处于拉伸服役状态下的金属材料的使用具有重要的指导意义。

Description

一种获取金属材料在静态拉伸状态下应力应变曲线的方法
技术领域
本发明涉及一种金属材料性能检测领域，涉及一种获取金属材料在极限慢拉伸(静态拉伸)状态下的不同温度环境下的真实应力应变曲线的方法。
背景技术
金属材料在长期承受拉伸载荷服役状态下，尤其在高温环境下，因为材料强度的降低，往往会引发结构失效，造成巨大的经济损失，该方法可以有效的评价材料在该状态下性能的衰减。对材料的安全服役具有重要的指导意义。
在本发明之前，金属材料进行拉伸实验，实验加载速率一般保持在10-5s-1以上，无法有效模拟长期受力的使用情况，而且拉伸加载速率越快检测到的材料性能越高，与材料在长期承受拉伸在状态下的真实材料性能差距越大。松弛实验可以测得单点的真实应力情况，但是其无法得到完整材料拉伸曲线，而且松弛实验耗费时间很长，实验时间成本较高。
发明内容
本发明的目是提供一种获取金属材料在极限慢拉伸(静态拉伸)状态下的不同温度环境下的真实应力应变曲线的方法，该方法可以得到金属材料在恒拉伸服役状态下的真实应力应变曲线，同时可以比松弛实验节约大量时间成本。对长期处于拉伸服役状态下的金属材料的使用具有重要的指导意义。
为实现上述目的，本发明提供的一种获取金属材料在极限慢拉伸即静态拉伸状态下的不同温度环境下的真实应力应变曲线的方法包括以下步骤：
1、改进型拉伸实验方法，该方法可以获取后续处理分析所用的数据，具体包含一下步骤：
1)实验条件：首先，拉伸实验机必须具备配套实验环境温度箱和可以应用在对应环境温度下的引伸计，如不具备此功能，该方法只可以获取常温下的实验数据；其次拉伸实验机必须具备应变控制或者位移控制功能，如果不具备应变控制或者位移控制，该实验无法进行，推荐采用MTS809、MTS810或者高温电子蠕变试验机等试验设备进行该试验。
2)制备金属材料拉伸实验用样，并将实验用样加热到预定实验温度，并在整个实验过程中保持实验温度恒定不变。
3)在一定载荷速率情况下进行拉伸，当拉伸到材料的应变数值在0.5％、1.0％、1.5％、2.0％、2.5％、3.0％、3.5％、4.0％处进行应变控制或者位移控制，保持在该应变30分钟到2小时不等，采集该过程中所有应力、应变、时间数据。
2、实验数据处理，该方法可以获取金属材料在极限慢拉伸即静态拉伸状态下的不同温度环境下的真实应力应变曲线，具体实验步骤如下：
1)将从上一步实验数据导出应力应变曲线、应力时间曲线。
2)将工程应变转化为常规拉伸状态下的真实应变。
3)将工程应力转化为常规拉伸状态下的真实应力。
4)分别对0.5％、1.0％、1.5％、2.0％、2.5％、3.0％、3.5％、4.0％应变处时间应力曲线进行数据拟合求解。
5)根据拟合求解得出公式，求解时间对应无穷大情况下对应的应力值σs。
6)将不同应变点对应的σs连接绘制金属材料在极限慢拉伸即静态拉伸状态下的不同温度环境下的真实应力应变曲线。
本发明的效果是，通过一种获取金属材料在极限慢拉伸即静态拉伸状态下的不同温度环境下的真实应力应变曲线的方法，能够精确的获得金属材料在不同温度环境下承受恒定拉伸时金属材料的实际应力应变曲线。本发明得到的材料性能曲线，对长期处于拉伸服役状态下的金属材料的使用具有重要的指导意义。
附图说明
图1是由拉伸实验机直接获取的工程拉伸应力应变数据曲线图；
图2是通过计算得出的真实应力应变曲线图；
图3、图6、图9、图12、图15分别是0.5％、1.5％、3.5％、5.5％、7.5％应变处时间应力曲线以及数据拟曲线图；
图4、图7、图10、图13、图16分别是0.5％、1.5％、3.5％、5.5％、7.5％应变处时间应变曲线图；
图5、图8、图11、图14、图17分别是0.5％、1.5％、3.5％、5.5％、7.5％应变处时间温度曲线图；
图18是极限慢拉伸情况下对应的真实应力应变曲线图；
图19是工程拉伸应力应变数据曲线、真实应力应变曲线和极限慢拉伸下的应力应变曲线对比图。
具体实施方式
结合附图对本发明的一种获取金属材料在极限慢拉伸即静态拉伸状态下的不同温度环境下的真实应力应变曲线的方法加以说明
本发明的一种获取金属材料在极限慢拉伸即静态拉伸状态下的不同温度环境下的真实应力应变曲线的方法包括一下步骤：
1、改进型拉伸实验方法，该方法可以获取后续处理分析所用的数据，具体包含一下步骤：
1)实验条件：首先，拉伸实验机必须具备配套实验环境温度箱和可以应用在对应环境温度下的引伸计，如不具备此功能，该方法只可以获取常温下的实验数据；其次拉伸实验机必须具备应变控制或者位移控制功能，如果不具备应变控制或者位移控制，该实验无法进行。
2)制备金属材料拉伸实验用样，试样一般根据所采用实验设备接头夹具规格和试验用该种材料的拉伸试样国标进行加工，圆拉或者板拉都可以被接受，但如果需要获取特定高温环境下的结果，推荐采用圆拉试样，并将实验用样加热到预定实验温度(实验用样加热到预定温度后，需要进行保温20min-60min后开始正式试验)，并在整个实验过程中保持实验温度恒定不变，如图5、图8、图11、图14、图17时间温度曲线所示，在整个实验保温过程中应保持试验温度温差不超过±3℃，如果温差较大试验结果不建议采用。拉伸实验应变加载速率保持在1.0×10-4s-1-1.0×10-6s-1之间，试验加载速率越慢试验越稳定，得到的试验结果越接近真实值。
3)在一定载荷速率情况下进行拉伸，当拉伸到材料的应变数值在0.5％、1.0％、1.5％、2.0％、2.5％、3.0％、3.5％、4.0％处进行应变控制或者位移控制，如图4、图7、图10、图13、图16时间应变曲线所示，在每个保载时间内控制应变波动在0-0.01％范围内，如果应变波动超出上限，试验结果不建议采用，保持在该应变30分钟到2小时不等，优选时间1小时，时间越长最终应力数值越稳定，但由于考虑到时间成本和实验设备承受能力，最终推荐时间1小时，采集该过程中所有应力、应变、时间数据。
图3、图6、图9、图12、图15所示分别是0.5％、1.5％、3.5％、5.5％、7.5％应变处时间应力曲线以及数据拟曲线图。
2、实验数据处理，该方法可以获取金属材料在极限慢拉伸(静态拉伸)状态下的不同温度环境下的真实应力应变曲线，具体实验步骤如下：
1)将从上一步实验数据导出应力应变曲线，如图1所示。
2)将工程应变转化为常规拉伸状态下的真实应变。拉伸试样在加载过程中存在由于拉伸变形的情况，此情况是完全无法避免的，同时实验设备采集到应力应变数据是没考虑这种变形存在的前提下的一种数据，因此称之为工程应力应变数据，所以要通过计算得到材料的真实应力应变数据，真实应变S真实与工程应变S工程的计算公式如下：
S真实＝S工程*(1+σ工程)
3)将工程应力转化为真实应力，真实应力σ真实与工程应力σ工程的计算公式如下：
σ真实＝ln(1+σ工程)*100
通过数据计算的到真实应力与真实应变数据，将真实应力与真实应变进行数据绘制得到真实应力应变曲线，如图2所示。
4)分别对0.5％、1.0％、1.5％、2.0％、2.5％、3.0％、3.5％、4.0％等应变处时间应力曲线进行数据拟合求解。
由于材料在保持位移或者应变恒定的情况下，随着时间的增长存在载荷降低的情况，而且随着时间增长载荷降低的趋势会逐渐降低，载荷值最终会趋近于一个恒定不变的较小稳定数值。图3所示蓝色曲线记录了在0.5％应变处的时间真实应力曲线。
由于试验时间、成本、设备等的因素的考虑，试验时间不能过长，因此需要通过计算获取对应时间下的载荷值，因此根据曲线特点采用如下公式进行数据计算：
σ真实＝σ最终+a*exp(-t/b)+c*exp(-t/d)
式中σ真实是通过上步计算得到的各个点对应的真实应力值；σ最终是曲线最终趋近的稳定最小真实应力值，也是需要通过数据计算得出的常数值；a、b、c、d是需要通过数据计算得到的常数值；t是对应曲线里面的时间值。
利用以上公式进行数据计算计算得到如下数值与公式：
σ最终＝448.04，a＝1.6e9，b＝15.79，c＝35.83，d＝346.48
σ真实＝448.04-1.6e9*exp(-t/15.79)+35.83*exp(-t/346.48)
该公式对应的曲线如图3所示，同时在该应变情况下材料长期服役的材料的真实性能σ最终＝448.04MPa。
5)根据拟合求解得出公式，求解时间对应无穷大情况下对应的应力值σs。
根据上步拟合求解得到的公式，时间t带入无限大，求得
σs＝σ最终＝450.13MPa
6)将不同应变点对应的σs连接绘制金属材料在极限慢拉伸(静态拉伸)状态下的不同温度环境下的真实应力应变曲线，如图8所示。
下面给出四个具体计算实例。
实施例1
如图4是拉伸试样在应变1.5％处的真实应力应变曲线，利用该公式σ真实＝σ最终+a*exp(-t/b)+c*exp(-t/d)对试验获取的真实应力应变数据进行数据拟合，得到如下结果：
σ最终＝461.76，a＝-548.89，b＝671.92，c＝8653.88，d＝671.81
σ真实＝461.76-548.89*exp(-t/671.92)+8653.88*exp(-t/671.81)
拟合曲线如图4所示，根据上步拟合求解得到的公式，时间t带入无限大，求得
σs＝σ最终＝464.76MPa
实施例2
如图5是拉伸试样在应变3.5％处的真实应力应变曲线，利用该公式σ真实＝σ最终+a*exp(-t/b)+c*exp(-t/d)对试验获取的真实应力应变数据进行数据拟合，得到如下结果：
σ最终＝552.36，a＝1.01e5，b＝1015.81，c＝8.92e78，d＝51.91
σ真实＝552.36+1.01e5*exp(-t/1015.81)+8.92e78*exp(-t/51.91)
拟合曲线如图4所示，根据上步拟合求解得到的公式，时间t带入无限大，求得
σs＝σ最终＝552.36MPa
实施例3
如图6是拉伸试样在应变5.5％处的真实应力应变曲线，利用该公式σ真实＝σ最终+a*exp(-t/b)+c*exp(-t/d)对试验获取的真实应力应变数据进行数据拟合，得到如下结果：
σ最终＝618.91，a＝1.75e5，b＝1492.81，c＝3.12e29，d＝215.55
σ真实＝651.98+1.75e5*exp(-t/1492.81)+3.12e29*exp(-t/215.55)
拟合曲线如图4所示，根据上步拟合求解得到的公式，时间t带入无限大，求得
σs＝σ最终＝618.91MPa
实施例4
如图7所示是拉伸试样在应变5.5％处的真实应力应变曲线，利用该公式σ真实＝σ最终+a*exp(-t/b)+c*exp(-t/d)对试验获取的真实应力应变数据进行数据拟合，得到如下结果：
σ最终＝651.98，a＝1e8，b＝1199.76，c＝5e21，d＝397.08
σ真实＝651.98+1e8*exp(-t/1199.76)+5e21*exp(-t/397.08)
拟合曲线如图4所示，根据上步拟合求解得到的公式，时间t带入无限大，求得
σs＝σ最终＝651.98MPa
如图18所示是极限慢拉伸情况下对应的真实应力应变曲线图；如图19所示是工程拉伸应力应变数据曲线、真实应力应变曲线和极限慢拉伸下的应力应变曲线对比图。

Claims (6)

1.一种获取金属材料在静态拉伸状态下应力应变曲线的方法，包括以下步骤：
步骤S1、采用改进型拉伸实验方法获取处理分析用数据，具体包含以下步骤：
S101实验条件：拉伸实验机具备配套实验环境温度箱和应用在对应环境温度下的引伸计；拉伸实验机具备应变控制或者位移控制功能；
S102金属材料拉伸实验用样要求：将实验用样加热到预定实验温度，并在整个实验过程中保持实验温度恒定不变；
S103拉伸载荷速率要求：应变加载速率保持在1.0×10-4s-1—1.0×10-6s-1之间；
步骤S2、拉伸试验：在拉伸实验机上安装制备好的试样开始拉伸，当拉伸到材料的应变数值在0.5％、1.0％、1.5％、2.0％、2.5％、3.0％、3.5％、4.0％处进行应变控制，分别在上述应变数值处保持30—120分钟并采集该过程中所有应力、应变、时间数据；
步骤S3、实验数据处理并绘制应力应变曲线：对步骤S2实验数据进行处理获取金属材料在静态拉伸状态下的不同温度环境下的真实应力应变曲线，具体实验步骤如下：
S301将步骤S2实验数据导出绘制应力应变曲线、应力时间曲线；
S302将工程应变转化为真实应变；
S303将工程应力转化为真实应力；
S304分别对0.5％、1.0％、1.5％、2.0％、2.5％、3.0％、3.5％、4.0％应变处时间应力曲线进行数据拟合求解；
S305根据拟合求解得出公式，求解时间对应无穷大情况下对应的应力值σs；
S306将不同应变点对应的σs连接绘制金属材料在静态拉伸状态下的不同温度环境下的真实应力应变曲线。
2.根据权利要求1所述的一种获取金属材料在静态拉伸状态下应力应变曲线的方法，其特征是：S101实验条件所述拉伸实验机采用MTS809轴/扭材料试验机或MTS810疲劳试验机或高温电子蠕变试验机。
3.根据权利要求1所述的一种获取金属材料在静态拉伸状态下应力应变曲线的方法，其特征是：步骤S102所述金属材料拉伸实验用样为圆拉或者板拉。
4.根据权利要求1所述的一种获取金属材料在静态拉伸状态下应力应变曲线的方法，其特征是：步骤S2中保持时间为1小时。
5.根据权利要求1所述的一种获取金属材料在静态拉伸状态下应力应变曲线的方法，其特征是：步骤S3所述不同温度环境范围：室温—1000℃。
6.根据权利要求1所述的一种获取金属材料在静态拉伸状态下应力应变曲线的方法，其特征是：所述步骤S2至步骤S3采用位移控制。
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