CN109855963A - 一种拉伸剪切组合延性断裂实验系统及实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种拉伸剪切组合延性断裂实验系统，包括控制装置和拉伸试验机，拉伸试验机的上夹头和下夹头之间装夹有拉伸剪切组合试样，试样中部具有平行段，平行段为平板，在其表面开有相对设置、大小相同且贯穿厚度的两个缺口，两缺口的对称轴线与试样的中心轴线之间形成预设夹角，平行段沿中心轴线的两侧设有环形凸台；环形凸台连接引伸杆，引伸杆包括上、下引伸杆，下引伸杆与光栅测微仪固接，光栅测微仪的测量端正对上引伸杆。本发明还提供一种拉伸剪切组合延性断裂实验方法。本发明由于采用了具有两个缺口的试样，且试样的预设夹角可以改变，因此通过改变试样尺寸，且仅在单向拉伸的加载情况下，可获得宽范围的应力三轴度水平和罗德参数水平。
Description
技术领域
本发明涉及材料性能测试领域，具体涉及一种拉伸剪切组合延性断裂实验系统及实验方法。
背景技术
材料的延性断裂是结构部件主要的断裂失效形式，而工程上的结构构件又多处于复杂的多轴应力状态，研究多轴应力状态下材料延性断裂性能响应对保证工程结构构件安全运行有很重要的工程意义。多轴应力状态一般用应力三轴度(平均应力与米塞斯应力的比值)和罗德参数来表征，开展宽范围多轴应力状态下的断裂实验可以更深入了解多轴应力状态对金属材料的延性、损伤机制以及失效模式的影响
检索现有的公开文献与技术资料发现，目前多数实验都采用圆棒缺口试样，平板试样等来研究多轴应力状态对材料延性断裂性能的影响，其只能够反映出应力三轴度大于1/3且罗德参数为-1、0、1的应力状态，而应力三轴度水平在0-1/3之间和其它数值的罗德参数水平下的实验方案还很少见，其中，瑞典皇家理工学院的Faleskog(I.Barsoum,J.Faleskog,Rupture mechanisms in combined tension and shear-experiments,Int JSolids Struct 44(6)(2007)1768-1786.)和麻省理工学院的Mohr(D.Mohr,S.Henn,Calibration of stress-triaxiality dependent crack formation criteria:a newhybrid experimental–numerical method,Exp Mech 47(6)(2007)805-820.)分别采用拉扭双缺口管试样和蝴蝶试样来研究较低的应力三轴度水平和不同的罗德参数对材料断裂性能的影响。然而，上述两个实验方案存在如下问题，(1)拉扭实验对双缺口管试样的加工精度要求较高，且试样变形较难直接测量；(2)双缺口管试样为空心圆柱管状且需在内壁表面制备缺口，在现有的加工技术下制备难度较大；(3)蝴蝶试样因其需要在特殊的试验装备上通过专门设计的夹具来加载，故其实验搭建较复杂。
中国专利公开号CN107991149A，发明名称为“一种利用单向拉伸获得金属板材拉剪复合变形的方法”，该专利文件设计了一种带弧形缺口和中心减薄的板状试样，在单向拉伸的情况下，在变形区获得拉剪复合变形，然后该试样因为中心带有弧度的缺口且壁厚较薄，不易加工，且在加工制备过程中容易在中心部位产生较大的加工变形，进而影响实验的可靠性。中国专利公开号CN106989990A和CN103335898A，发明名称分别为“新型板料拉伸-剪切双向加载试验系统”和“拉伸-剪切复合加载模式下材料微观力学性能原位测试装置”的两个专利文件都设计了一种通过两个驱动机构在垂直方向上对试样施加载荷，进而构造出拉伸剪切受力状态的实验装置，主要不同的是后者开展的是原位实验，然而，两个专利文件只有搭建其复杂的实验装置才能开展拉伸剪切实验，实验实施不便捷，且难度较大，其次，装置的装配精度等因素也会影响其加载情况。由此可见，现在迫切需要一搭建简单、操作容易且试样易于加工的多轴延性断裂实验系统，以研究低应力三轴度水平和其他罗德参数水平对材料损伤机制的影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种拉伸剪切组合延性断裂实验系统及实验方法，以研究宽范围的应力三轴度水平和罗德参数水平对材料延性断裂性能的影响，具有搭建简单、操作容易，试样易于加工等特点。
为了实现上述目的，本发明提供了一种拉伸剪切组合延性断裂实验系统，包括控制装置和与控制装置通信相连的拉伸试验机，所述拉伸试验机的上夹头和下夹头之间竖直装夹有一拉伸剪切组合试样，所述拉伸剪切组合试样中部具有平行段，该平行段为平板，在平板表面上开有相对设置、大小相同且贯穿厚度的两个缺口，两个缺口的对称轴线与拉伸剪切组合试样的中心轴线之间形成一介于0°到90°之间的预设夹角α，该平行段沿中心轴线的两侧分别设有环形凸台；所述环形凸台分别连接引伸杆，所述引伸杆包括上引伸杆和下引伸杆，其中下引伸杆与光栅测微仪固定连接，且光栅测微仪的测量端正对上引伸杆。
所述拉伸试验机的下夹头下方设有力传感器。
所述拉伸剪切组合试样的两端为夹持端，其上设有外螺纹，与所述拉伸试验机的上、下夹头的内螺纹配合。
所述上引伸杆和下引伸杆分别卡接在所述拉伸剪切组合试样的环形凸台上，并采用卡环固定。
所述光栅测微仪的数量为一个或两个。
光栅测微仪通过下引伸杆上的紧固螺栓固定在下引伸杆的底端，且其测量端正对上引伸杆的底端。
所述拉伸剪切组合试样的平行段厚度为3-8mm，且所述缺口之间最小相对距离为1mm-4mm。
所述拉伸剪切组合试样的缺口的根部为圆弧状。
另一方面，本发明还提供了一种拉伸剪切组合延性断裂实验方法，包括：
S1：设计并制备拉伸剪切组合试样，包括：
S11：设计试样尺寸，其中，所述拉伸剪切组合试样具有平行段，该平行段为平板，在平板表面上开有相对设置、大小相同且贯穿厚度的两个缺口，两个缺口的对称轴线与拉伸剪切组合试样的中心轴线之间形成一预设夹角α；随后通过有限元分析获取拉伸剪切组合试样在不同预设夹角α下的应力三轴度和罗德参数水平；
S12：根据S11的设计结果加工拉伸剪切组合试样；
S2：搭建一根据上文所述的拉伸剪切组合延性断裂实验系统，装夹所述拉伸剪切组合试样，逐一对步骤S11中确定的不同预设夹角α的试样进行拉伸实验，测试并记录实验过程中的轴向拉力和轴向位移；
S3：处理和分析实验数据，获得载荷-轴向位移曲线。
其中，所述步骤S11中进行拉伸实验的加载方式为位移控制。
本发明的拉伸剪切组合延性断裂实验系统，由于采用了具有两个缺口的拉伸剪切组合试样，其缺口为U形，使得试样易于加工，且该试样的预设夹角α可以在0°到90°之间改变，通过改变试样尺寸，且仅在单向拉伸的加载条件下，可以获得宽范围的应力三轴度水平和罗德参数水平，因此搭建简单、操作容易，进而为损伤模型的建立提供实验数据支持与验证。另外，利用该实验系统可开展宽范围应力状态下的延性断裂实验。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的拉伸剪切组合延性断裂实验系统的整体结构示意图；
图2是如图1所示的拉伸剪切组合延性断裂实验系统的拉伸剪切组合试样结构示意图；
图3是如图1所示的拉伸剪切组合延性断裂实验系统的拉伸剪切组合试样在预设夹角α为45°下的立体结构图；
图4是如图1所示的拉伸剪切组合延性断裂实验系统的光栅测微仪的安装示意图。
图5是根据本发明的一个实施例的拉伸剪切组合延性断裂实验方法的流程图；
图6是本发明所设计的拉伸剪切组合试样在不同预设夹角α下沿厚度方向上初始应力三轴度变化趋势；
图7是本发明所设计的拉伸剪切组合试样在不同预设夹角α下沿厚度方向上初始罗德参数变化趋势；
图8是本发明在不同预设夹角α下的获取载荷轴向位移曲线。
具体实施方式
如图1所示为根据本发明的一个实施例的拉伸剪切组合延性断裂实验系统，其包括控制装置1、分别与控制装置1通信相连的拉伸试验机2和光栅测微仪5、以及引伸杆4。由此，通过控制装置1对拉伸试验机2进行控制以及采集记录光栅测微仪5的测量数据。
所述拉伸试验机2优选为中机试验装备股份有限公司的RDL50型号的电子蠕变试验机，其上夹头21和下夹头22之间通过螺纹连接方式竖直装夹一拉伸剪切组合试样3，位于下夹头22下方的力传感器23测量轴向拉力(即载荷)。
图2和图3示出了本发明的拉伸剪切组合延性断裂实验系统的拉伸剪切组合试样3，在本实施例中该拉伸剪切组合试样3的材料选取为奥氏体不锈钢316L，其两端分别为夹持端31，该夹持端31上设有外螺纹，与拉伸试验机2的上、下夹头21、22的内螺纹配合。自两夹持端31分别轴向向内依次设有一直径渐缩的过渡段32、一环形凸台33和平行段34，该平行段34为具有一定厚度的平板，其厚度为3-8mm，在本实施例中采用较佳的5mm。
如图2所示，在平板表面上开有相对设置、大小相同且贯穿厚度的两个缺口341，且缺口341为U形，其根部3411为圆弧状，其半径为0.2-1mm,在本实施例中采用较佳的0.75mm,缺口341之间最小相对距离为1mm-4mm,在本实施例中采用较佳的2.5mm。两个缺口341的对称轴线C与拉伸剪切组合试样3的中心轴线I之间形成一预设夹角α，预设夹角α可以选取介于0°到90°之间的任意数值，由此，当在拉伸剪切组合试样3的一端仅仅施加轴向位移，通过更改拉伸剪切组合试样3的预设夹角α的大小，在缺口部位将承受不同的拉伸和剪切的受力组合，进而可以获得不同的应力三轴度水平和不同的罗德参数水平。图3示出的是预设夹角α为45°的情况下的拉伸剪切组合试样3的立体结构图。
如图4所示为图1所示的拉伸剪切组合延性断裂实验系统的光栅测微仪的安装示意图。引伸杆4包括上引伸杆41和下引伸杆42，其分别卡接在拉伸剪切组合试样3的上部和下部的环形凸台33(如图2和图3所示)上，并采用卡环6进行固定。光栅测微仪5通过下引伸杆42上的紧固螺栓7固定在下引伸杆42的底端，且其测量端正对上引伸杆41的底端，从而光栅测微仪5可以测量拉伸剪切组合试样3的上部环形凸台和下部环形凸台之间距离的变化，此距离的变化量就是拉伸剪切组合试样3的轴向变形，由此，拉伸剪切组合试样3的轴向变形通过该引伸杆4传递到光栅测微仪5，并通过光栅测微仪5进行测量。在本实施例中，光栅测微仪5的数量为两个，以一次性测出拉伸剪切组合试样双侧的变形，从而减小实验数据的误差，在本实施例中，光栅测微仪5采用成都远恒精密测控技术有限公司的TG115型。
如图5所示为根据本发明的一个实施例的拉伸剪切组合延性断裂实验方法的流程图，其包括以下步骤：
S1：设计并制备拉伸剪切组合试样3，包括：
S11：设计试样尺寸，其中，所述拉伸剪切组合试样3如上文所述，其两端分别为夹持端31，该夹持端31上设有螺纹，自夹持端31分别轴向向内依次为内径逐渐减小的过渡段32、环形凸台33和平行段34，该平行段34如上文所述，为具有一定厚度的平板，在平板表面上开有相同大小且贯穿厚度的两个缺口341，两个缺口341彼此相对设置，两个缺口341的对称轴线C与拉伸剪切组合试样3的中心轴线I之间形成一预设夹角α；随后通过有限元分析获取拉伸剪切组合试样3在不同预设夹角α下的应力三轴度和罗德参数水平。
其具体包括以下步骤：
S111：对与拉伸剪切组合试样3同材质的光滑圆棒状或板状试样进行准静态单轴拉伸试验，可以根据国家标准GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分》进行；
S112：建立三维有限元模型，输入步骤S111的准静态单轴拉伸试验获取的真应力真应变数据、弹性模量、泊松比等材料参数，模型一端施加固定约束，另一端施加轴向位移，得到相应的应力三轴度和罗德参数。
应力三轴度T和罗德参数L定义为：
上式中，σm为静水压力，σe为米塞斯应力(即Mises应力)，σ1，σ2，σ3分别为第一主应力，第二主应力，第三主应力，单位为兆帕斯卡。
S113：通过改变预设夹角α的大小，得到对应于不同预设夹角α下的初始应力三轴度和初始罗德参数，并记录相应数值。所记录的部分数据详见表1。通过表1中可以发现，随着夹角α的增大，其应力三轴度逐渐变小，罗德参数先减小后增大。预设夹角α可以选取介于0°到90°之间的任意数值，不同的数值会构造出不同的多轴应力状态。
表1不同预设夹角α下的初始应力三轴度和初始罗德参数
图6和图7分别示出了不同预设夹角α下拉伸剪切组合试样缺口处沿厚度方向的初始应力三轴度和初始罗德参数随归一化距离的变化趋势，其中该归一化距离表示一经过试样缺口对称轴线C且平行于平行段34的厚度方向的截面沿平行段34的厚度方向的距离的归一化，图6和图7均表明所设计的拉伸剪切组合试样在厚度方向上的初始应力三轴度和初始罗德参数相对均匀，此外，通过更改两个缺口对称轴线与试样中心的轴线夹角α的大小，且仅在单向拉伸的加载情况下，所设计的拉伸剪切组合试样的初始应力三轴度范围为0-0.68，初始罗德参数范围为-1-0。
S12：根据S11的设计结果加工拉伸剪切组合试样3；
S2：搭建一拉伸剪切组合延性断裂实验系统，装夹所述拉伸剪切组合试样3，逐一对步骤S11中确定的不同预设夹角α的试样进行加载方式为位移控制的拉伸实验，测试并记录实验过程中的轴向拉力和轴向位移；其中，轴向位移为两个光栅测微仪5测出的引伸杆4之间的相对位移的平均值；所述拉伸剪切组合延性断裂实验系统如图1所示且如上文所述，包括控制装置1、拉伸试验机2、光栅测微仪5以及引伸杆4。
S3，处理和分析步骤S2中所记录的轴向拉力和轴向位移的实验数据，获得载荷-轴向位移曲线。其中，载荷为S2步骤中记录的轴向拉力。
图8是本发明在不同预设夹角α下的获取载荷轴向位移曲线。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化，例如本发明的拉伸剪切组合延性断裂实验系统的光栅测微仪的数量也可以为一个。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
Claims (10)
1.一种拉伸剪切组合延性断裂实验系统，包括控制装置(1)和与控制装置(1)通信相连的拉伸试验机(2)，所述拉伸试验机(2)的上夹头(21)和下夹头(22)之间竖直装夹有一拉伸剪切组合试样(3)，其特征在于，
所述拉伸剪切组合试样(3)中部具有平行段(34)，该平行段(34)为平板，在平板表面上开有相对设置、大小相同且贯穿厚度的两个缺口(341)，两个缺口(341)的对称轴线(C)与拉伸剪切组合试样(3)的中心轴线(I)之间形成一介于0°到90°之间的预设夹角α，该平行段(34)沿中心轴线(I)的两侧分别设有环形凸台(33)；
所述环形凸台(33)分别连接引伸杆(4)，所述引伸杆(4)包括上引伸杆(41)和下引伸杆(42)，其中下引伸杆(42)与光栅测微仪(5)固定连接，且光栅测微仪(5)的测量端正对上引伸杆(41)。
2.根据权利要求1所述的拉伸剪切组合延性断裂实验系统，其特征在于，所述拉伸试验机(2)的下夹头(22)下方设有力传感器(23)。
3.根据权利要求1所述的拉伸剪切组合延性断裂实验系统，其特征在于，所述拉伸剪切组合试样(3)的两端为夹持端(31)，其上设有外螺纹，与所述拉伸试验机(2)的上、下夹头(21、22)的内螺纹配合。
4.根据权利要求1所述的拉伸剪切组合延性断裂实验系统，其特征在于，所述上引伸杆(41)和下引伸杆(42)分别卡接在所述拉伸剪切组合试样(3)的环形凸台(33)上，并采用卡环(6)固定。
5.根据权利要求1所述的拉伸剪切组合延性断裂实验系统，其特征在于，所述光栅测微仪(5)的数量为一个或两个。
6.根据权利要求1所述的拉伸剪切组合延性断裂实验系统，其特征在于，光栅测微仪(5)通过下引伸杆(42)上的紧固螺栓(7)固定在下引伸杆(42)的底端，且其测量端正对上引伸杆(41)的底端。
7.根据权利要求1所述的拉伸剪切组合延性断裂实验系统，其特征在于，所述拉伸剪切组合试样(3)的平行段(34)厚度为3-8mm，且所述缺口(341)之间最小相对距离为1mm-4mm。
8.根据权利要求1所述的拉伸剪切组合延性断裂实验系统，其特征在于，所述拉伸剪切组合试样(3)的缺口(341)为U形，其根部(3411)为圆弧状。
9.一种拉伸剪切组合延性断裂实验方法，其特征在于，包括：
S1：设计并制备拉伸剪切组合试样(3)，包括：
S11：设计试样尺寸，其中，所述拉伸剪切组合试样(3)具有平行段(34)，该平行段(34)为平板，在平板表面上开有相对设置、大小相同且贯穿厚度的两个缺口(341)，两个缺口(341)的对称轴线(C)与拉伸剪切组合试样(3)的中心轴线(I)之间形成一预设夹角α；随后通过有限元分析获取拉伸剪切组合试样(3)在不同预设夹角α下的应力三轴度和罗德参数水平；
S12：根据S11的设计结果加工拉伸剪切组合试样(3)；
S2：搭建一根据权利要求1-8之一所述的拉伸剪切组合延性断裂实验系统，装夹所述拉伸剪切组合试样(3)，逐一对步骤S11中确定的不同预设夹角α的试样进行拉伸实验，测试并记录实验过程中的轴向拉力和轴向位移；
S3：处理和分析实验数据，获得载荷-轴向位移曲线。
10.根据权利要求9所述的拉伸剪切组合延性断裂实验方法，其特征在于，所述步骤S11中进行拉伸实验的加载方式为位移控制。
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