CN111829888B - 一种电磁成形用材料的力学性能实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电磁成形用材料性能检测领域，公开了一种电磁成形用材料的力学性能实验方法，其中的电磁胀环直接实验方法包括以下步骤：(1)制备标准形状圆环试样；(2)利用有限元分析模拟胀环的电磁成形过程；(3)将标准形状圆环试样置于电磁胀环测试装置上；(4)施加电磁成形作用，实现标准形状圆环的胀形断裂；(5)计算试样的断后延伸率A；(6)利用等效展开后的条状试样检测其断后延伸率A’，利用A’与A的对比，从而比较待测试的电磁成形用材料在不同工艺下的塑性。本发明基于电磁成形工艺条件下金属材料力学性能的实验方法，能够解耦电磁成形过程中电磁力下多缩颈转移作用，使其断裂缺口情况匹配实际应用情况。
Description
技术领域
本发明属于电磁成形用材料性能检测领域，更具体地，涉及一种电磁成形用材料的力学性能实验方法，为用在电磁成形的材料提供了比较电磁成形与其他传统工艺(如液压成形)对材料的塑性影响的一种可比度较高的测试标准。
背景技术
电磁成形是利用电磁感应在金属材料表面产生高能率的洛伦兹力，从而使金属材料发生塑性变形的一种工艺。正因为其高能率、无接触体积力等优势，该工艺被广泛应用在航天航空、核电、兵器、石油化工等领域，具体在钣金成形工艺上应用较多。
实际应用时，钣金的塑性有时比强度更加重要，比如一张1mm的钣金，小孩子就能将之折弯变形。但一旦变成了弧形，如炒锅就有了刚性，或在钣金上压两道简单的加强筋，就不容易将之折弯。对于电磁成形工艺能否增强金属材料的塑性这个问题一直没有定论，究其根源在于没有一种具有完全可比性的测试方案，使之在相似受力、断裂数量等条件下得出电磁成形和准静态拉伸实验的数据，即现有的数据在不同的模拟实验下测试，结果可比性较为不足。
目前在电磁成形研究中用的比较多的测试方法主要有如下几类。在文献“Strengthening mechanism in laser-welded 2219aluminium alloy under thecooperative effects of aging treatment and pulsed electromagnetic loadings”中，国内华中科技大学朱辉、黄亮等率先提出并应用了跑道式电磁驱动的拉伸实验，其基本思想是应用跑道式电磁成形线圈驱动试样变形，该方案的提出填补了相关测试手段的空白。但是该试样在受力向上变形时，呈不规则拱形，所以金属材料上的一点的受力方向已经不在垂直于该点的法线方向。而且在标距方向上，由于金属材料与电磁线圈的间距变化，金属材料上力的分布也不均匀，导致试样应力已不是简单的一维拉伸均匀受力状态。所以在应力状态上可比性略有不足。在“Forming limits for electromagnetically expandedaluminum alloy tubes:Theory and experiment”中，国外密歇根大学的Thomas等运用了简单环形的电磁胀环实验，其基本思想是将一个厚度和高度都很小的金属环套在空间圆柱螺旋形电磁线圈外侧，通过电磁成形将之胀破，收集碎片测量长度之差。Grady和Benson定义了断裂时刻的工程应变率ef＝r0/rf，但并未给出rf的确定方法。由于多处断裂几乎瞬间发生，很难测定首次断裂时刻的数据。而且，虽然该法在受力上能够做到等效于单向拉伸，但是不可避免一个问题，即实验中圆环发生断裂时存在多缩颈和多断裂现象。根据Mott对爆炸成形研究的断裂理论，圆环断裂成多块是体积力和缩颈转移的耦合结果。而现实单向拉伸实验中，不可能出现多处断裂的情况，在电磁成形运用在实际加工过程中，断裂一般只在一处发生，所以该实验方法的结果应用可比性也略有不足。双瓣胀形实验的施力件是将一个圆柱分成两半，将两半圆柱合起来放进圆环内，两半圆柱分别在径向向外方向施加力，将圆环胀破，计算其长度的变化。该方案中圆柱与圆环是接触力，人为的添加了不可预测的摩擦力的影响。而且随着半径扩大，金属材料总有一部分不受径向力，所以也略缺相似性。
基于以上现状，目前在电磁成形缩颈和胀形中，还没有严格意义上具有完全可比性的材料力学性能测试方法，本发明提出一种可比性较高的实验方法。
发明内容
针对现有技术测试方法的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种电磁成形用材料的力学性能实验方法，是种基于电磁成形工艺条件下金属材料力学性能的实验方法，能够解耦电磁成形过程中电磁力下多缩颈转移作用，使其断裂缺口情况匹配实际应用情况。本发明可以同时建立基于标准形状圆环的等效展开状单向拉伸试样标准，具有直接的可比性。本发明克服了以往针对电磁成形工艺下塑性性能研究的测试方法存在的摩擦力不定、应力不匹配等问题，最大程度提高了测试方法与经典单向拉伸实验方法的可比性，为电磁成形工艺对金属材料的塑性性能的研究提供了新方法。基于相似的原理，可实现对材料的冲击韧性、剪切性能以及断裂韧性的检测。以电磁成形用材料的电磁胀环直接实验方法为例，本发明通过设计特定的圆环形试样，保证其受力分布沿轴向近似均匀、解耦电磁力下多缩颈现象、克服摩擦力的影响，以最大的可比性来研究比较金属材料在准静态与电磁成形态下的力学性能；本发明基于标准形状圆环等圆环试样的电磁胀形检测方法，能够为电磁成形是否提升金属材料的塑性这一关键问题提供新思路，并且检测方法可比性较高。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种电磁成形用材料的电磁胀环直接实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用待测试的电磁成形用材料制备标准形状圆环试样，记该标准形状圆环的轴向宽度为b，内径为
径向厚度为δ，则：
且b≥3δ；并且，在该标准形状圆环周向上一段弧长长度为L的区域内，还开设有两个圆弧过渡的凹槽，这两个凹槽一个位于该标准形状圆环的上边缘，一个位于该标准形状圆环的下边缘，两者对称设置，且任意一个凹槽左右对称；
并且，对于任意一个凹槽，其边缘自左至右包括第一圆弧过渡区、直线标距区及第二圆弧过渡区；利用这两个凹槽由此在所述标准形状圆环上形成一个轴向宽度自左至向先逐渐变小、中间保持固定、后逐渐变大的狭长区，且该狭长区在所述标准形状圆环周向上的弧长长度等于L；记该狭长区内轴向宽度保持固定的区域为标距区，所述标距区的轴向宽度为t，所述标距区在所述标准形状圆环周向上的弧长长度为m，则：δ≤t≤b/2，
且L≥m+2t；
(2)基于所述步骤(1)制得的标准形状圆环试样，构建有限元模型，利用有限元分析模拟胀环的电磁成形过程，模拟得出使标准形状圆环试样被胀破所对应的电磁成形过程中所采用的成形线圈的形状参数及放电电压，所述成形线圈的形状参数包括成形线圈的横截面积及匝间距；
(3)利用所述步骤(2)得到的成形线圈的形状参数建立成形线圈实物，并进一步建立包括该成形线圈实物的电磁胀环测试装置；该电磁胀环测试装置包括绝缘工作台、内部固定有所述成形线圈的环氧树脂模芯、以及用于向所述成形线圈供电的外部脉冲放电电路；
将所述步骤(1)制得的标准形状圆环试样置于所述电磁胀环测试装置上，使该标准形状圆环试样套设在所述环氧树脂模芯的外部；所述绝缘工作台为可拆卸式绝缘工作台，用于调整该标准形状圆环试样在所述环氧树脂模芯上的放置高度，使所述标准形状圆环试样在所述成形线圈中心轴线上的投影位于所述成形线圈在其中心轴线上投影的正中间；
(4)基于所述步骤(2)得到的放电电压，利用所述外部脉冲放电电路对所述成形线圈进行供电，在所述标准形状圆环上产生感应电流，进而产生电磁力实现所述标准形状圆环的胀形断裂；
(5)将所述步骤(4)得到的断裂圆环取下，将断口拼在一起测量该圆环的内圆周长，记该外加周长为l，则计算试样的断后延伸率
其中，
(6)利用待测试的电磁成形用材料制备条状试样，该条状试样的形状为所述步骤(1)制得的标准形状圆环试样等效展开后的形状，条状试样的长度满足
并且，与所述标准形状圆环中所述狭长区相对应的区域位于该条状试样的正中间；利用该条状试样进行单向拉伸实验，得到相应的断后延伸率A’；利用A’与所述步骤(5)所得A的对比，从而比较待测试的电磁成形用材料在不同工艺下的塑性。
按照本发明的另一方面，提供了一种电磁成形用材料的电磁胀环间接实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用待测试的电磁成形用材料制备两个结构及形状尺寸相同的标准形状圆环试样，对于其中任意一个标准形状圆环试样：
记该标准形状圆环的轴向宽度为b，内径为
径向厚度为δ，则：
且b≥3δ；并且，在该标准形状圆环周向上一段弧长长度为L的区域内，还开设有两个圆弧过渡的凹槽，这两个凹槽一个位于该标准形状圆环的上边缘，一个位于该标准形状圆环的下边缘，两者对称设置，且任意一个凹槽左右对称；
并且，对于任意一个凹槽，其边缘自左至右包括第一圆弧过渡区、直线标距区及第二圆弧过渡区；利用这两个凹槽由此在所述标准形状圆环上形成一个轴向宽度自左至向先逐渐变小、中间保持固定、后逐渐变大的狭长区，且该狭长区在所述标准形状圆环周向上的弧长长度等于L；记该狭长区内轴向宽度保持固定的区域为标距区，所述标距区的轴向宽度为t，所述标距区在所述标准形状圆环周向上的弧长长度为m，则：δ≤t≤b/2，
且L≥m+2t；
(2)基于所述步骤(1)制得的任意一个标准形状圆环试样，构建有限元模型，利用有限元分析模拟胀环的电磁成形过程，模拟得出使标准形状圆环试样被胀形但不断裂所对应的电磁成形过程中所采用的成形线圈的形状参数及放电电压，所述成形线圈的形状参数包括成形线圈的横截面积及匝间距；
(3)利用所述步骤(2)得到的成形线圈的形状参数建立成形线圈实物，并进一步建立包括该成形线圈实物的电磁胀环测试装置；该电磁胀环测试装置包括绝缘工作台、内部固定有所述成形线圈的环氧树脂模芯、以及用于向所述成形线圈供电的外部脉冲放电电路；
将所述步骤(1)制得的一个标准形状圆环试样置于所述电磁胀环测试装置上，使该标准形状圆环试样套设在所述环氧树脂模芯的外部；所述绝缘工作台为可拆卸式绝缘工作台，用于调整该标准形状圆环试样在所述环氧树脂模芯上的放置高度，使所述标准形状圆环试样在所述成形线圈中心轴线上的投影位于所述成形线圈在其中心轴线上投影的正中间；
(4)基于所述步骤(2)得到的放电电压，利用所述外部脉冲放电电路对所述成形线圈进行供电，在所述标准形状圆环上产生感应电流，进而产生电磁力实现所述标准形状圆环的胀形但不断裂；
(5)测量所述步骤(4)得到的胀形圆环的内径；
(6)利用液压胀形设备，以所述步骤(1)制得的另一个标准形状圆环试样为对象，由该标准形状圆环试样的内壁向该标准形状圆环试样施加沿标准形状圆环周向均匀分布的液压力，使该标准形状圆环同样胀形但不断裂，并且得到的胀形圆环的内径与所述步骤(5)测量得到的内径值保持一致；
(7)记所述步骤(4)得到的试样为第一试样，所述步骤(6)得到的试样为第二试样，将所述第一试样和所述第二试样自然冷却后，在所述第一试样和所述第二试样上分别取以胀形后的狭长区为中心、且在圆环周向上弧长长度满足L2+2b的试样区域切割后作为第一切割试样及第二切割试样，其中，L2为胀形后的狭长区在圆环周向上的弧长长度；然后进行单向拉伸力学测试，进行准静态单向拉伸变形；
(8)比较所述步骤(7)中所述第一切割试样和所述第二切割试样的单向拉伸力学实验应力应变曲线，进而比较抗拉强度、断后延伸率中的至少一者。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(6)中，利用所述液压胀形设备时，应变速率不超过0.0025s-1。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(1)中，对于所述标准形状圆环试样，所述标距区内还额外设置有一个缺口；
或者，所述标准形状圆环试样的外壁上还被侵蚀出网格。
按照本发明的又一方面，提供了一种电磁成形用材料的冲击韧性实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用待测试的电磁成形用材料制备(2n+1)个结构及形状尺寸相同的冲击韧性适配性圆环试样，n为预先设定的正整数，对于其中任意一个冲击韧性适配性圆环：记该冲击韧性适配性圆环的轴向宽度为b，内径为
径向厚度为δ，则：
且b≥3δ；并且，在该冲击韧性适配性圆环的外壁上，具有沿轴向分布的一个缺口，该缺口在垂直于轴向所在平面上的投影为V型、半圆形或U型，缺口沿径向方向的最大深度为δ/2；
(2)基于所述步骤(1)制得的任意一个冲击韧性适配性圆环试样，构建有限元模型，利用有限元分析模拟胀环的电磁成形过程，模拟得出使冲击韧性适配性圆环试样被胀破所对应的电磁成形过程中所采用的成形线圈的形状参数及临界放电电压U0kV，向上取整、向下取整或四舍五入取整后得到[U0]kV；所述成形线圈的形状参数包括成形线圈的横截面积及匝间距；
(3)利用所述步骤(2)得到的成形线圈的形状参数建立成形线圈实物，并进一步建立包括该成形线圈实物的电磁胀环测试装置；该电磁胀环测试装置包括绝缘工作台、内部固定有所述成形线圈的环氧树脂模芯、以及用于向所述成形线圈供电的外部脉冲放电电路；
将所述步骤(1)制得的一个冲击韧性适配性圆环试样置于所述电磁胀环测试装置上，使该冲击韧性适配性圆环试样套设在所述环氧树脂模芯的外部；所述绝缘工作台为可拆卸式绝缘工作台，用于调整该冲击韧性适配性圆环试样在所述环氧树脂模芯上的放置高度，使所述冲击韧性适配性圆环试样在所述成形线圈中心轴线上的投影位于所述成形线圈在其中心轴线上投影的正中间；
(4)基于所述步骤(2)得到的[U0]kV，利用所述外部脉冲放电电路对所述成形线圈进行供电，具体是将所述步骤(1)得到的(2n+1)个冲击韧性适配性圆环试样按照与([U0]-n×△V)kV、([U0]-(n-1)×△V)kV、……、([U0]-△V)kV、([U0])kV、([U0]+△V)kV、([U0]+2×△V)kV、……、([U0]+n×△V)kV这一放电电压序列中的放电电压一一对应的放电电压值进行放电试验，记录下使冲击韧性适配性圆环试样发生断裂的临界电压值取整后记为UCkV，其中，△V为预先设定的电压变化步长；
(5)利用能量法或电压法得到材料冲击韧性值；其中，
所述能量法具体是：
电磁成形设备放电所提供的临界总能量：
其中，C为电磁胀环测试装置中电容器组的电容值；
电磁成形过程中冲击韧性适配性圆环受力断裂吸收的能量即冲击功为：
AKE＝ηE (2)
其中，η为圆环发生形变时对电磁放电能量的利用率，为能够经模拟预先得知大小的常量；
材料的相对冲击功计算公式如下：
其中，FE表示缺口截面积，FE＝δb/2；
得到的相对冲击功即能够反映材料的冲击韧性；
所述电压法具体是：
定义冲击电压等于所述步骤(4)测得的临界电压值：
UKE＝UC (4)
材料的相对冲击电压计算公式如下：
其中，FE表示缺口截面积，FE＝δb/2；
得到的相对冲击电压即能够反映材料的冲击韧性。
按照本发明的再一方面，提供了一种电磁成形用材料的剪切性能实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用待测试的电磁成形用材料制备剪切适配性圆环试样，记该剪切适配性圆环的轴向宽度为b，内径为
径向厚度为δ，则：
且b≥3δ；并且，在该剪切适配性圆环的外壁上，具有两个相互平行的线切割口，其中一个线切割口位于该剪切适配性圆环的上边缘，另一个线切割口位于该剪切适配性圆环的下边缘，任意一个线切割口与边缘线之间的夹角均为45°，任意一个线切割口的宽度均为v，且任意一个线切割口的中心线在轴向上的切割深度均为b/2，这两个线切割口均用于指向用于发生剪切作用的同一个目标区域，该目标区域沿在所述剪切适配性圆环周向上的弧长长度为u；此外，该长度为u的目标区域与线切割口接触的两个界面，还均设置有两个圆弧倒角界面或均设置有平面平行于轴向方向的两个平面界面；当所述目标区域设置有两个平面界面时，该目标区域的实际长度满足0.8u；
(2)基于所述步骤(1)制得的剪切适配性圆环试样，构建有限元模型，利用有限元分析模拟胀环的电磁成形过程，模拟得出使剪切适配性圆环试样被胀破所对应的电磁成形过程中所采用的成形线圈的形状参数及放电电压，所述成形线圈的形状参数包括成形线圈的横截面积及匝间距；
(3)利用所述步骤(2)得到的成形线圈的形状参数建立成形线圈实物，并进一步建立包括该成形线圈实物的电磁胀环测试装置；该电磁胀环测试装置包括绝缘工作台、内部固定有所述成形线圈的环氧树脂模芯、以及用于向所述成形线圈供电的外部脉冲放电电路；
将所述步骤(1)制得的剪切适配性圆环试样置于所述电磁胀环测试装置上，使该剪切适配性圆环试样套设在所述环氧树脂模芯的外部；所述绝缘工作台为可拆卸式绝缘工作台，用于调整该剪切适配性圆环试样在所述环氧树脂模芯上的放置高度，使所述剪切适配性圆环试样在所述成形线圈中心轴线上的投影位于所述成形线圈在其中心轴线上投影的正中间；
(4)基于所述步骤(2)得到的放电电压，利用所述外部脉冲放电电路对所述成形线圈进行供电，在所述剪切适配性圆环上产生感应电流，进而产生电磁力实现所述剪切适配性圆环的胀形断裂或胀形但不断裂；
(5)当所述剪切适配性圆环被胀形断裂时，能够从中得出材料的极限剪切性能；当所述剪切适配性圆环被胀形但不断裂时，能够从中得出材料的绝热剪切带。
按照本发明的最后一方面，提供了一种电磁成形用材料的断裂韧性实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用待测试的电磁成形用材料制备(2n+1)个结构及形状尺寸相同的断裂韧性适配性圆环试样，n为预先设定的正整数，对于其中任意一个断裂韧性适配性圆环：记该断裂韧性适配性圆环的轴向宽度为b，内径为
径向厚度为δ，则：
且b≥3δ；并且，在该断裂韧性适配性圆环的外壁上，具有一个边缘缺口或一个中心缺口；所述边缘缺口和所述中心缺口在轴向上的切割深度投影均为ac；对于所述中心缺口，该中心缺口的中心点距圆环上下边缘的距离均为b/2；其中，所述中心缺口对应于穿透裂纹试样，所述边缘缺口对应于直裂纹试样；
(2)基于所述步骤(1)制得的任意一个断裂韧性适配性圆环试样，构建有限元模型，利用有限元分析模拟胀环的电磁成形过程，模拟得出使断裂韧性适配性圆环试样被胀破所对应的电磁成形过程中所采用的成形线圈的形状参数及临界放电电压U0kV，向上取整、向下取整或四舍五入取整后得到[U0]kV；所述成形线圈的形状参数包括成形线圈的横截面积及匝间距；
(3)利用所述步骤(2)得到的成形线圈的形状参数建立成形线圈实物，并进一步建立包括该成形线圈实物的电磁胀环测试装置；该电磁胀环测试装置包括绝缘工作台、内部固定有所述成形线圈的环氧树脂模芯、以及用于向所述成形线圈供电的外部脉冲放电电路；
将所述步骤(1)制得的一个断裂韧性适配性圆环试样置于所述电磁胀环测试装置上，使该断裂韧性适配性圆环试样套设在所述环氧树脂模芯的外部；所述绝缘工作台为可拆卸式绝缘工作台，用于调整该断裂韧性适配性圆环试样在所述环氧树脂模芯上的放置高度，使所述断裂韧性适配性圆环试样在所述成形线圈中心轴线上的投影位于所述成形线圈在其中心轴线上投影的正中间；
(4)基于所述步骤(2)得到的[U0]kV，利用所述外部脉冲放电电路对所述成形线圈进行供电，具体是将所述步骤(1)得到的(2n+1)个断裂韧性适配性圆环试样按照与([U0]-n×△V)kV、([U0]-(n-1)×△V)kV、……、([U0]-△V)kV、([U0])kV、([U0]+△V)kV、([U0]+2×△V)kV、……、([U0]+n×△V)kV这一放电电压序列中的放电电压一一对应的放电电压值进行放电试验，记录下使断裂韧性适配性圆环试样发生断裂的临界电压值取整后记为UC kV，其中，△V为预先设定的电压变化步长；
(5)利用能量法得到材料断裂韧性值，具体是：
电磁成形设备放电所提供的临界总能量：
其中，C为电磁胀环测试装置中电容器组的电容值；
电磁成形过程中断裂韧性适配性圆环受力断裂吸收的能量为：
AC＝ηE (7)
其中，η为圆环发生形变时对电磁放电能量的利用率，为能够经模拟预先得知大小的常量；
电磁成形过程中圆环断裂韧性定义为：
其中，
为裂纹形状因子，是与裂纹长度ac、圆环轴向长度b有关且能够预先得知大小的因子；p为系统参数，为能够预先得知大小的常量；
将式(6)、(7)代入式(8)，得到相对断裂韧性
得到以下公式：
得到的相对断裂韧性KICEη能够表征材料的断裂韧性。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(3)中，所述环氧树脂模芯的内径小于所述圆环试样的内径；在所述绝缘工作台与所述圆环试样的接触面上还涂抹有润滑剂；所述圆环试样、所述环氧树脂模芯与所述绝缘工作台三者同轴放置；
所述成形线圈采用匝间绝缘的方式，该成形线圈与环氧树脂固化前缠绕绝缘胶带，固化后整体即可形成内部固定有所述成形线圈的环氧树脂模芯；
所述电磁胀环测试装置还包括绝缘的下固定模板，所述下固定模板与所述环氧树脂模芯采用过盈配合方式固定在一起。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(2)中，所述成形线圈为多层线圈；相应的，所述步骤(3)中，所述成形线圈实物也为多层线圈；
所述步骤(2)中，所述成形线圈还包括与之配合使用的集磁器；相应的，所述步骤(3)中，所述环氧树脂模芯中除了固定有成形线圈外还固定有集磁器。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(1)中，对于所述圆环试样，所述圆环试样的外壁上还被侵蚀出网格。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够更好的衡量电磁成形对金属材料性能的影响。本发明设计了一种标准形状圆环及其他圆环试样的电磁胀环实验，在电磁胀形条件下测试，保证了电磁力加载，避免了摩擦力的引入，控制断裂只在一处发生。该方法将体积力和多缩颈转移作用解耦，不存在纵波的传递，从而可实现材料在高速率一维拉伸均匀受力，在最大的程度上与单向拉伸实验的各条件相匹配，为电磁成形工艺对金属材料的塑性性能的研究提供了新方法。同时本发明还设计了一种基于标准形状圆环的等效展开状单向拉伸试样，以提高可比性。
总体而言，通过本发明所构思的以上实验方法与现有测试方式相比，主要具备以下优势：
1.标准形状圆环断裂行为更加贴近实际，体现为单处断裂，解耦了电磁成形体积力下多缩颈的转移作用造成的影响。断裂方式为一处断裂，以解耦变量的形式，单独研究电磁成形体积力的对金属材料塑性性能的影响。
2.标准形状圆环断裂行为与单向拉伸断裂行为相似度较高，具有更高的可比性。标准形状圆环可以直接等效出等效展开状拉伸试样，对其进行单向拉伸实验。可以很好的比较说明电磁成形体积力相比于传统力成形的区别，具有直接可比性。本发明还能够比较电磁成形与传统准静态成形工艺对材料的塑性影响，是一种可比度较高的实验方法。
3.标准形状圆环断口数量与实际成形断裂过程吻合度更高，对实践运用有较好指导意义。
4.相比于跑道式线圈驱动的拉伸实验，标准形状圆环试样解决了应力状态不匹配的问题，与单向拉伸具有较好的可比性。
5.相比于双瓣胀形实验，由于电磁力为非接触体积力，故该方案消除了不可控且难以预测的摩擦力影响。并且该方案直接电磁力进行模拟实验，具有直接可比性。
6.本发明所提出的测试材料冲击韧性、断裂韧性和剪切性能的实验测试方法，适用于圆柱等包含弧面制样的冲击韧性、断裂韧性以及剪切性能测试。试样所受载荷为非接触体积力；可重复性高，鲁棒性强。拓展了冲击韧性以及剪切性能表征的应用范围。
7.本发明所提出的测试材料剪切性能的实验方法可拓展应用于相关的研究，比如研究简单应力条件下绝热剪切带的演化等，应用范围广。
8.此外，本发明还可以通过在线圈外侧添加了适应性的工作台以助于快速定位，该工作台采用拆卸式工作台，尺寸可随圆环试样而灵活变化。
附图说明
图1为本发明标准形状圆环示意图及关键尺寸标注。
图2a为本发明标准形状圆环试样的等效展开状拉伸试样示意图，该条状试样的长度为
图2b为本发明标准形状圆环与其等效展开状拉伸试样的比较示意图。
图3a为本发明采用的电磁胀环实验装置模具示意图。
图3b为本发明采用的电磁胀环实验装置三维示意图。
图3c为本发明采用的多层螺旋管线圈方案的电磁胀环实验装置三维示意图。
图3d为本发明采用的集磁器方案的电磁胀环实验装置三维示意图。
图4a为本发明标准形状圆环试样受力示意图。
图4b为本发明标准形状圆环试样间接方法的一次成形后结构示意图。
图4c为本发明标准形状圆环试样间接方法的一次成形后取样示意图。
图4d为本发明标准形状圆环试样间接方法的用于比较的液压成形装备示意图。
图5为本发明电磁胀环实验测试方法的流程图。
图6a为本发明所采用的冲击韧性适配性圆环三维示意图(以V型缺口为例)。
图6b为发明所采用的V型缺口的冲击韧性适配性圆环试样尺寸示意图。
图6c为发明所采用的半圆缺口的冲击韧性适配性圆环试样尺寸示意图。
图6d为发明所采用的U型缺口的冲击韧性适配性圆环试样尺寸示意图。
图7a为本发明所采用的剪切适配性圆环三维示意图(以A型试样为例)。
图7b为发明所采用的A型剪切适配性圆环试样尺寸示意图，具有圆弧倒角的2个界面。
图7c为发明所采用的B型剪切适配性圆环试样尺寸示意图，具有平面平行于轴向方向的两个平面界面。
图8a为发明所采用的断裂韧性适配性圆环-穿透裂纹试样尺寸示意图(此时，圆环存在一个中心缺口)。
图8b为发明所采用的断裂韧性适配性圆环-直裂纹试样尺寸示意图(此时，圆环存在一个边缘缺口)。
图中各附图标记的含义如下：1-环氧树脂模芯，2-成形线圈，3-标准形状圆环，4-工作台，5-下固定模板，6-电容器组，7-电阻，8-开关，9-多层螺旋管线圈，10-集磁器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1：基于标准形状圆环的电磁胀环直接检测方法
图1所示为本发明标准形状圆环的示意图及关键尺寸标注，推荐标准如表1所示。其中δ定义为圆环的径向厚度，b定义为圆环的轴向宽度，
定义为圆环的内径，m定义为圆环的标距(弧长)，t定义为测试工作区的轴向宽度，L定义为测试工作区的占用长度(弧长)，R定义为测试工作区与原始区之间的过渡圆弧的半径。尺寸公差t可以要求为IT6级，其余尺寸公差可以要求为IT7级，圆度公差值可以为1mm。
表1标准形状圆环的关键参数
标准形状圆环其形状细节设计参考的是GB/T228-2002，关键区别在于本发明是圆环状试样，GB/T228-2002中是条状试样。图2a为本发明标准形状圆环试样的等效展开状拉伸试样示意图，用于辅助比较，实验得出电磁成形体积力与单向拉伸传统力的最直接的对比。图2b为标准形状圆环与其等效展开状拉伸试样的比较示意图，从图可以看出，展开试样可以直接类比等效为圆环，其唯一的不同就是受力状态为单轴拉伸受力和均匀体积力，可以解耦比较电磁成形过程中体积力作用下，其与传统的力作用下的不同效果，具有很强的可比性。
图3a至图3d所示为电磁胀环实验装置整体工装示意图，利用上述装置来进行标准形状圆环的电磁胀环实验，具体步骤如下：
(1)制备标准形状圆环试样；材料选用与待测试金属材料一致，依据图1所示对比表1所示的参数进行线切割加工，制备标准形状圆环试样，尺寸公差t可以要求为IT6级，其余尺寸公差可以要求为IT7级，圆度公差值可以为1mm。
(2)构建所述电磁胀环实验的有限元模型，模拟成形过程。验证应力状态近似为周向拉应力为主，同时在过程中调整所述成形线圈的电参数。若电磁力受线圈强度限制，调整所述成形线圈2的形状参数，如截面参数和匝间距。例如本实施例中，标准形状圆环所采用的材料可以为2219铝合金，成形线圈横截面为4mm*2mm，匝间距为1mm，放电电压为20kV。
(3)提供用于电磁胀环实验的装置，包括环氧树脂模芯1、成形线圈2、标准形状圆环3、工作台4和脉冲放电电路。所述成形线圈2采用匝间绝缘的方式，成形线圈2与环氧树脂固化前缠绕绝缘胶带，固化后形成所述环氧树脂模芯1。所述下固定模板5用于固定和加固环氧树脂模芯1，所述下固定模板与环氧树脂模芯采用过盈配合方式固定在一起。标准形状圆环3放置于工作台4上，保证标准形状圆环3、工作台4、环氧树脂模芯1同轴放置，所述工作台4高度为13mm，保证标准形状圆环3位于成形线圈2轴向对称面(即，标准形状圆环试样在成形线圈中心轴线上的投影位于成形线圈在其中心轴线上投影的正中间)，从而标准形状圆环3的轴向受力平衡，径向受力最大，工作台4材料可以为高强度非金属材料(如高强度塑料，环氧树脂等)。工作台4与标准形状圆环3接触面涂抹BG220A或其他高速轴承润滑剂，以减小摩擦力对测试结果的影响。脉冲放电电路可以由电容器组6、电阻7和开关8串联组成。
进一步，工作台4材料可以为任意绝缘体，保证其不会受到电磁力作用而变形。
(4)通过电容器放电以在螺旋管线圈内径产生脉冲电流，从而在标准形状圆环3上产生感应电流，进而产生电磁力实现标准形状圆环3的胀形断裂。
(5)计算试样的断后延伸率；取下断裂的标准形状圆环3，将断口拼在一起，可以用细线贴合圆周变曲为直的方法测量周长l，断后延伸率
(6)制备标准形状圆环3的等效展开状拉伸试样进行单向拉伸实验，尺寸信息如图2a所示，得出的数据可用于直接比较。
作为进一步优选地，所述环氧树脂模芯直径可以小于尤其可以略小于标准形状圆环3的直径，有利于改善标准形状圆环3的受力，同时可以比较简单的操作就能保证两者同轴度。
作为进一步优选地，工作台材料可以为任意绝缘体，保证其不会受到电磁力作用而变形。所述工作台助于快速定位，采用拆卸式工作台，也可将之粘接在下固定模板上。其尺寸可随标准形状圆环3具体试样而变化，适应性较好。
作为进一步优选地，在步骤(2)中选择多层螺旋管线圈9或者选择集磁器结构10，以增大成形力，如图3c、3d所示。
此外，圆环相关尺寸可以随形变化，适应性较好。
实施例2：基于标准形状圆环的电磁胀环间接检测方法
本实施例提供了标准形状圆环试样电磁胀形的另一种实验应用方法作为典型例，该方法的核心在于胀形而不断裂。通过相同受力情况的液压胀形得到相似试样，图4a所示为标准形状圆环在电磁胀形条件下和液压胀形条件下的受力示意图。标准形状圆环3每个微元受力方向沿径向向外，摩擦力的影响可忽略不计。通过两个实验的结果试样的单向拉伸力学实验结果比较，间接得出所需结论，具体步骤为：
(1)在同一个圆柱上取两个几何形状一致的标准试样备用；依据表1所给出的尺寸切割出标准试样，可以用细墨线标定标距，利于后续切割。
(2)构建所述电磁胀环实验的有限元模型，模拟胀环成形过程。验证应力状态近似为周向拉应力为主，同时在过程中调整所述成形线圈的电参数。若电磁力受线圈强度限制，调整所述成形线圈2的形状参数，如截面参数和匝间距。
利用该步骤(2)的模拟，可以得出胀形发生断裂的临界放电能量值，即临界放电电压；
例如本实施例中标准形状圆环3所采用的材料可以为2219铝合金，成形线圈横截面为4mm*2mm，匝间距为1mm，临界放电电压取整后为15kV。
(3)提供用于电磁胀环实验的装置，包括环氧树脂模芯1、成形线圈2、标准形状圆环3、工作台4和脉冲放电电路。所述成形线圈2采用匝间绝缘的方式，成形线圈2与环氧树脂固化前缠绕绝缘胶带，固化后形成所述环氧树脂模芯1。所述下固定模板5用于固定和加固环氧树脂模芯1，所述下固定模板与环氧树脂模芯采用过盈配合方式固定在一起。标准形状圆环3放置于工作台4上，保证标准形状圆环3、工作台4、环氧树脂模芯1同轴放置，所述工作台4高度为13mm，保证标准形状圆环3位于成形线圈2轴向对称面，从而标准形状圆环3的轴向受力平衡，径向受力最大，工作台4材料高强度塑料。工作台4与标准形状圆环3接触面涂抹BG220A或其他高速轴承润滑剂，以减小摩擦力对测试结果的影响。脉冲放电电路由电容器组6、电阻7和开关8串联组成。
(4)选择小输入能量(小能量，指的是放电能量小于步骤(2)模拟得到的临界放电能量值，即，使用的放电电压小于步骤(2)得到的临界放电电压)，通过电容器放电以在螺旋管线圈内径产生脉冲电流，从而在标准形状圆环3上产生感应电流，进而产生电磁力实现标准形状圆环3的胀形但不胀破，如图4b所示。
(5)测量标准形状圆环3胀形后直径并记录。
(6)在液压胀形设备上胀形另一初始标准形状圆环3，控制其成形后的直径等于步骤(4)所测直径，保证两者的预拉伸处理应变值一致。液压胀形设备示意图如图4c所示，由于液压成形技术现在已发展较为成熟，在这里不再赘述，只需注意密闭性以及选取合适的参数既可。
(7)将步骤(4)和步骤(6)成形得到的试样自然冷却，以标距处为中心取长度为L2+2b的试样，其中L2表示初始L部分变形后的长度，b为初始标准形状圆环的轴向宽度，如图4c所示。进行单向拉伸力学实验，拉伸变形过程持续到试样拉伸到一定的变形量，而未发生断裂便停止变形；例如，可以在AG-100KN材料高温持久性能试验机进行准静态单向拉伸变形，试样拉伸速度为1mm/min，拉伸温度为室温，拉伸变形过程持续到试样拉伸到一定的变形量，而未发生断裂便停止变形。
(8)比较两种实验条件下得到的试样的单向拉伸力学实验应力应变曲线，提取相关数据，得到相关结论，如比较抗拉强度、断后延伸率等。
作为进一步优选地，步骤(6)液压胀形设备成形时应变速率小于0.0025s-1，可研究电磁成形态与准静态下的材料力学性能比较(电磁成形属于高应变速率成形过程)。若步骤(6)液压胀形设备成形时应变速率取其他值，则可研究电磁成形态与液压高速率成形下的材料力学性能比较。
参考国标中单向拉伸试样针对厚度方向上的减薄问题的处理方式，本方案在形状设计上强调了
和b≥3δ这两个几何条件，使得标准形状圆环3试样在拉伸过程中，其厚度减薄率远远低于长度和宽度的变化率，从而使厚度减薄对结果的影响尽可能的在工程可接受范围之内。
本方案在受力方面由于薄圆环的受力特征，不存在纵向波的传递，从而可实现材料在高速率一维拉伸均匀受力。利用原位的电磁力模拟实验排除了传统方案摩擦力的影响(传统方案，即指双瓣胀形实验方法)，对电磁成形体积力与多缩口的影响解耦研究前者单方面影响(像前文背景技术中提到的“简单环形的电磁胀环实验”就存在电磁力偶合多缩颈；本发明是电磁力下的单缩颈，能够实现解耦)。断裂缺口数量匹配实际工程运用等方面，最大限度的对标金属单向拉伸实验，具有相当的可比性。辅助以标准形状圆环3试样的等效展开状拉伸试样的测试，更加具有直接的可比性。
上述实施例1、实施例2中，标准形状圆环的标距内还可设置一个缺口，以测试圆环对缺口敏感性。另外，标准形状圆环的外侧还可以侵蚀出网格，用于进一步的成形极限实验。
实施例1和实施例2的关键在于标准形状圆环的设计，标准形状圆环的制备优选需要满足以下几个要点：
1.为保证实验的客观事实性，标准形状圆环一般应从待测试的管件上直接切取，其两端面应与轴线垂直。
2.切取标准形状圆环时应注意防止损伤试样表面或者因切割方式导致的受热而改变其晶粒组织和性能，试样表面无明显划痕。
3.按照图1和表1所示，加工出测试工作区，测试工作区与原始区以过渡弧连接。
4.原始标距的标记，使用细墨线等不划伤工件表面的方式，避免该处的应力集中影响测试结果。
实施例3：基于冲击韧性适配性圆环的冲击韧性检测方法
本实施例提供了一种用于测试材料冲击韧性的实验方法作为典型实施例，将上述所示的标准形状圆环3试样更替为冲击韧性适配性圆环，进行电磁成形实验，利用瞬间高能率的电磁力，使冲击韧性适配性圆环受冲击载荷作用断裂，根据能量法或电压法比较材料的抗冲击韧性。具体步骤为：
(1)制备标准试样，参考《材料力学性能》(时海芳主编)中的试样形状，试样的具体形状参数如下表2所示；材料选用与待测试材料一致，依据图6a至图6d所示对比表2所示的参数进行线切割加工，制备标准试样。试样分为V型缺口试样、半圆缺口试样和U型缺口试样，本实施例中选用V型缺口试样作为例子。尺寸公差可以要求为IT7级，圆度公差值可以为1mm。
表2冲击韧性适配性圆环的关键参数
此外，圆环试样的内径、轴向宽度、径向厚度同样需要满足：
且b≥3δ，以保证受力为一维状态。
(2)构建所述电磁成形实验的有限元模型，模拟成形过程。验证应力状态近似为周向拉应力为主，同时在过程中调整所述成形线圈的电参数。若电磁力受线圈强度限制，调整所述成形线圈2的形状参数，如截面参数和匝间距。例如本实施例中冲击韧性适配性圆环所采用的材料为2219铝合金，成形线圈横截面为4mm*2mm，匝间距为1mm。从模拟结果中估算断裂所需要的临界电压U0 kV，取整[U0]＝Int(U0)。
(3)提供用于电磁成形实验的装置，包括环氧树脂模芯1、成形线圈2、工作台4和脉冲放电电路。所述成形线圈2采用匝间绝缘的方式，成形线圈2与环氧树脂固化前缠绕绝缘胶带，固化后形成所述环氧树脂模芯1。所述下固定模板5用于固定和加固环氧树脂模芯1，所述下固定模板与环氧树脂模芯采用过盈配合方式固定在一起。冲击韧性适配性圆环放置于工作台4上，保证冲击韧性适配性圆环、工作台4、环氧树脂模芯1同轴放置，所述工作台4高度为13mm，保证冲击韧性适配性圆环位于成形线圈2轴向对称面，从而冲击韧性适配性圆环的轴向受力平衡，径向受力最大，工作台4材料高强度塑料。工作台4与冲击韧性适配性圆环接触面涂抹BG220A或其他高速轴承润滑剂，以减小摩擦力对测试结果的影响。脉冲放电电路由电容器组6、电阻7和开关8串联组成。
进一步，工作台4材料可以为任意绝缘体，保证其不会受到电磁力作用而变形。
(4)通过电容器放电以在螺旋管线圈内径产生脉冲电流，从而在冲击韧性适配性圆环上产生感应电流，进而产生电磁力实现冲击韧性适配性圆环受冲击载荷作用断裂。按照([U0]-3)kV、([U0]-2)kV、([U0]-1)kV、([U0])kV、([U0]+1)kV、([U0]+2)kV、([U0]+3)kV的顺序依次加大放电电压进行放电试验，记录下材料发生断裂的临界电压值取整后记为UCkV。
(5)利用能量法或电压法得到材料冲击韧性值。
A.能量法细节如下：
电磁成形设备放电所提供的总能量：
其中C为电磁成形电容器组的电容值，本实验取106.25μF。
电磁成形过程中冲击韧性适配性圆环受力断裂吸收的能量(冲击功)为：
AKE＝ηE (2)
其中η为圆环发生形变时对电磁放电能量的利用率，在给定设备条件以及选定圆环形状情况下，η近似不变，故也可作为常数，用相对法间接比较材料冲击韧性。本实验中η取2％(可以由步骤(2)中的有限元模拟预先模拟得出)。
材料的相对冲击功计算公式如下：
其中FE表示缺口截面积，如图6b至图6d所示，取FE＝δb/2。计算所得相对冲击功aKE可作为衡量材料抗冲击韧性量化指标。
B.电压法细节如下：
电磁成形过程中圆环断裂时，定义冲击电压等于临界电压：
UKE＝UC (4)
材料的相对冲击电压计算公式如下：
其中FE表示缺口截面积，如图6b至图6d所示，取FE＝δb/2。相似的，计算所得相对冲击电压uKE可作为衡量材料抗冲击韧性量化指标。
实施例4：基于剪切适配性圆环的剪切性能检测方法
本实施例提供了一种用于测试材料剪切性能的实验方法作为典型实施例，将上述所示的标准形状圆环3试样更替为剪切适配性圆环，进行电磁成形实验，利用瞬间高能率的电磁力，通过几何形状的合理设计，使剪切适配性圆环受剪切力作用断裂，研究其剪切性能。具体步骤为：
(1)制备标准试样，参考《材料力学性能》中的试样形状，试样的具体形状参数如下表3所示；材料选用与待测试材料一致，依据图7a至图7c所示对比表3所示的参数进行线切割加工，制备标准试样。试样分为A型试样和B型试样，本实施例中选用A型试样作为例子。尺寸公差可以要求为IT7级。
表3剪切适配性圆环的关键参数
此外，圆环试样的内径、轴向宽度、径向厚度同样需要满足：
且b≥3δ，以保证受力为一维状态。
(2)构建所述电磁成形实验的有限元模型，模拟成形过程。验证应力状态近似为周向拉应力为主，同时在过程中调整所述成形线圈的电参数。若电磁力受线圈强度限制，调整所述成形线圈2的形状参数，如截面参数和匝间距。例如本实施例中剪切适配性圆环所采用的材料可以为2219铝合金，成形线圈横截面为4mm*2mm，匝间距为1mm。
(3)提供用于电磁成形实验的装置，包括环氧树脂模芯1、成形线圈2、工作台4和脉冲放电电路。所述成形线圈2采用匝间绝缘的方式，成形线圈2与环氧树脂固化前缠绕绝缘胶带，固化后形成所述环氧树脂模芯1。所述下固定模板5用于固定和加固环氧树脂模芯1，所述下固定模板与环氧树脂模芯采用过盈配合方式固定在一起。剪切适配性圆环放置于工作台4上，保证剪切适配性圆环、工作台4、环氧树脂模芯1同轴放置，所述工作台4高度为13mm，保证剪切适配性圆环位于成形线圈2轴向对称面，从而剪切适配性圆环的轴向受力平衡，径向受力最大，工作台4材料高强度塑料。工作台4与剪切适配性圆环接触面涂抹BG220A或其他高速轴承润滑剂，以减小摩擦力对测试结果的影响。脉冲放电电路由电容器组6、电阻7和开关8串联组成。
进一步，工作台4材料可以为任意绝缘体，保证其不会受到电磁力作用而变形。
(4)通过电容器放电以在螺旋管线圈内径产生脉冲电流，从而在剪切适配性圆环上产生感应电流，进而产生电磁力实现剪切适配性圆环受剪切力作用下发生形变。
(5)若使剪切适配性圆环形变至断裂，则可研究其极限剪切性能。若使剪切适配性圆环形变而不断裂，则可进行绝热剪切带等研究。具体工艺条件视实际情况而定。
实施例5：基于断裂韧性适配性圆环的断裂韧性检测方法
本实施例提供了一种用于测试材料断裂韧性的实验方法作为典型实施例，将上述所示的标准形状圆环3试样更替为断裂韧性适配性圆环，进行电磁成形实验，利用瞬间高能率的电磁力，使断裂韧性适配性圆环受冲击载荷作用断裂，根据能量法比较材料的断裂韧性。具体步骤为：
(1)制备标准试样，参考《材料力学性能》中的试样形状，试样的具体形状参数如下表4所示；材料选用与待测试材料一致，依据图8a至图8b所示对比表4所示的参数进行线切割加工，制备标准试样。试样分为穿透裂纹试样、直裂纹试样，本实施例中选用穿透裂纹试样作为例子。尺寸公差可以要求为IT7级。
表4断裂韧性适配性圆环的关键参数
此外，圆环试样的内径、轴向宽度、径向厚度同样需要满足：
且b≥3δ，以保证受力为一维状态。
(2)构建所述电磁成形实验的有限元模型，模拟成形过程。验证应力状态近似为周向拉应力为主，同时在过程中调整所述成形线圈的电参数。若电磁力受线圈强度限制，调整所述成形线圈2的形状参数，如截面参数和匝间距。例如本实施例中断裂韧性适配性圆环所采用的材料可以为2219铝合金，成形线圈横截面为4mm*2mm，匝间距为1mm。从模拟结果中估算断裂所需要的临界电压U0 kV，取整[U0]＝Int(U0)。
(3)提供用于电磁成形实验的装置，包括环氧树脂模芯1、成形线圈2、工作台4和脉冲放电电路。所述成形线圈2采用匝间绝缘的方式，成形线圈2与环氧树脂固化前缠绕绝缘胶带，固化后形成所述环氧树脂模芯1。所述下固定模板5用于固定和加固环氧树脂模芯1，所述下固定模板与环氧树脂模芯采用过盈配合方式固定在一起。断裂韧性适配性圆环放置于工作台4上，保证断裂韧性适配性圆环、工作台4、环氧树脂模芯1同轴放置，所述工作台4高度为13mm，保证断裂韧性适配性圆环位于成形线圈2轴向对称面，从而断裂韧性适配性圆环的轴向受力平衡，径向受力最大，工作台4材料高强度塑料。工作台4与断裂韧性适配性圆环接触面涂抹BG220A或其他高速轴承润滑剂，以减小摩擦力对测试结果的影响。脉冲放电电路由电容器组6、电阻7和开关8串联组成。
进一步，工作台4材料可以为任意绝缘体，保证其不会受到电磁力作用而变形。
(4)通过电容器放电以在螺旋管线圈内径产生脉冲电流，从而在断裂韧性适配性圆环上产生感应电流，进而产生电磁力实现断裂韧性适配性圆环受冲击载荷作用断裂。按照([U0]-3)kV、([U0]-2)kV、([U0]-1)kV、([U0])kV、([U0]+1)kV、([U0]+2)kV、([U0]+3)kV的顺序依次加大放电电压进行放电试验，记录下材料发生断裂的临界电压值取整后记为UCkV。
(5)利用能量法得到材料断裂韧性值。
能量法细节如下：
电磁成形设备放电所提供的临界总能量：
其中C为电磁成形电容器组的电容值，本实验取106.25μF。
电磁成形过程中断裂韧性适配性圆环受力断裂吸收的能量为：
AC＝ηE (7)
其中η为圆环发生形变时对电磁放电能量的利用率，在给定设备条件以及选定圆环形状情况下，η近似不变，故也可作为常数。
电磁成形过程中圆环断裂韧性定义为：
其中
为裂纹形状因子，与裂纹长度ac、圆环轴向长度b有关
的具体对应取值，可查相关工具手册得到，例如可以直接参考时海芳主编《材料力学性能》)。p为系统参数，在给定电磁系统参数以及选定圆环形状参数情况下，p为一个常数。
将式(6)、(7)代入式(8)，引入更加容易实现工程应用的相对断裂韧性
来消除不易求得的η参数，得到以下公式：
通过相对断裂韧性KICEη来表征材料的断裂韧性。
由式(8)可知，在给定电磁系统参数以及选定圆环形状参数情况下，p为一个常数。所以在使用式(9)测试材料断裂韧性之前，先利用线性回归法拟合出系统参数p，作为测试前期准备。具体步骤可以如下：
a.准备不同初始裂纹长度ac的断裂韧性试样，安装上述方法测出与之匹配的电磁成形设备放电所提供的临界总能量E。
b.由式(9)推导：
将ln(E)作为自变量x，将
作为因变量y，通过线性回归拟合出系统参数p。
上述实施例中所采用的单向拉伸实验，为按国标方法GB/T228-2002进行的单向拉伸实验。本发明未详细说明的地方，均可参考GB/T228-2002、《材料力学性能》(时海芳主编)等相关现有技术。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电磁成形用材料的电磁胀环直接实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用待测试的电磁成形用材料制备标准形状圆环试样，记该标准形状圆环的轴向宽度为b，内径为
径向厚度为δ，则：
且b≥3δ；并且，在该标准形状圆环周向上一段弧长长度为L的区域内，还开设有两个圆弧过渡的凹槽，这两个凹槽一个位于该标准形状圆环的上边缘，一个位于该标准形状圆环的下边缘，两者对称设置，且任意一个凹槽左右对称；
并且，对于任意一个凹槽，其边缘自左至右包括第一圆弧过渡区、直线标距区及第二圆弧过渡区；利用这两个凹槽由此在所述标准形状圆环上形成一个轴向宽度自左至右先逐渐变小、中间保持固定、后逐渐变大的狭长区，且该狭长区在所述标准形状圆环周向上的弧长长度等于L；记该狭长区内轴向宽度保持固定的区域为标距区，所述标距区的轴向宽度为t，所述标距区在所述标准形状圆环周向上的弧长长度为m，则：δ≤t≤b/2，
且L≥m+2t；
(2)基于所述步骤(1)制得的标准形状圆环试样，构建有限元模型，利用有限元分析模拟胀环的电磁成形过程，模拟得出使标准形状圆环试样被胀破所对应的电磁成形过程中所采用的成形线圈的形状参数及放电电压，所述成形线圈的形状参数包括成形线圈的横截面积及匝间距；
(3)利用所述步骤(2)得到的成形线圈的形状参数建立成形线圈实物，并进一步建立包括该成形线圈实物的电磁胀环测试装置；该电磁胀环测试装置包括绝缘工作台、内部固定有所述成形线圈的环氧树脂模芯、以及用于向所述成形线圈供电的外部脉冲放电电路；
将所述步骤(1)制得的标准形状圆环试样置于所述电磁胀环测试装置上，使该标准形状圆环试样套设在所述环氧树脂模芯的外部；所述绝缘工作台为可拆卸式绝缘工作台，用于调整该标准形状圆环试样在所述环氧树脂模芯上的放置高度，使所述标准形状圆环试样在所述成形线圈中心轴线上的投影位于所述成形线圈在其中心轴线上投影的正中间；
(4)基于所述步骤(2)得到的放电电压，利用所述外部脉冲放电电路对所述成形线圈进行供电，在所述标准形状圆环上产生感应电流，进而产生电磁力实现所述标准形状圆环的胀形断裂；
(5)将所述步骤(4)得到的断裂圆环取下，将断口拼在一起测量该圆环的内圆周长，记该周长为l，则计算试样的断后延伸率
其中，
(6)利用待测试的电磁成形用材料制备条状试样，该条状试样的形状为所述步骤(1)制得的标准形状圆环试样等效展开后的形状，条状试样的长度满足
并且，与所述标准形状圆环中所述狭长区相对应的区域位于该条状试样的正中间；利用该条状试样进行单向拉伸实验，得到相应的断后延伸率A’；利用A’与所述步骤(5)所得A的对比，从而比较待测试的电磁成形用材料在不同工艺下的塑性。
2.一种电磁成形用材料的电磁胀环间接实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用待测试的电磁成形用材料制备两个结构及形状尺寸相同的标准形状圆环试样，对于其中任意一个标准形状圆环试样：
记该标准形状圆环的轴向宽度为b，内径为
径向厚度为δ，则：
且b≥3δ；并且，在该标准形状圆环周向上一段弧长长度为L的区域内，还开设有两个圆弧过渡的凹槽，这两个凹槽一个位于该标准形状圆环的上边缘，一个位于该标准形状圆环的下边缘，两者对称设置，且任意一个凹槽左右对称；
并且，对于任意一个凹槽，其边缘自左至右包括第一圆弧过渡区、直线标距区及第二圆弧过渡区；利用这两个凹槽由此在所述标准形状圆环上形成一个轴向宽度自左至右先逐渐变小、中间保持固定、后逐渐变大的狭长区，且该狭长区在所述标准形状圆环周向上的弧长长度等于L；记该狭长区内轴向宽度保持固定的区域为标距区，所述标距区的轴向宽度为t，所述标距区在所述标准形状圆环周向上的弧长长度为m，则：δ≤t≤b/2，
且L≥m+2t；
(2)基于所述步骤(1)制得的任意一个标准形状圆环试样，构建有限元模型，利用有限元分析模拟胀环的电磁成形过程，模拟得出使标准形状圆环试样被胀形但不断裂所对应的电磁成形过程中所采用的成形线圈的形状参数及放电电压，所述成形线圈的形状参数包括成形线圈的横截面积及匝间距；
(3)利用所述步骤(2)得到的成形线圈的形状参数建立成形线圈实物，并进一步建立包括该成形线圈实物的电磁胀环测试装置；该电磁胀环测试装置包括绝缘工作台、内部固定有所述成形线圈的环氧树脂模芯、以及用于向所述成形线圈供电的外部脉冲放电电路；
将所述步骤(1)制得的一个标准形状圆环试样置于所述电磁胀环测试装置上，使该标准形状圆环试样套设在所述环氧树脂模芯的外部；所述绝缘工作台为可拆卸式绝缘工作台，用于调整该标准形状圆环试样在所述环氧树脂模芯上的放置高度，使所述标准形状圆环试样在所述成形线圈中心轴线上的投影位于所述成形线圈在其中心轴线上投影的正中间；
(4)基于所述步骤(2)得到的放电电压，利用所述外部脉冲放电电路对所述成形线圈进行供电，在所述标准形状圆环上产生感应电流，进而产生电磁力实现所述标准形状圆环的胀形但不断裂；
(5)测量所述步骤(4)得到的胀形圆环的内径；
(6)利用液压胀形设备，以所述步骤(1)制得的另一个标准形状圆环试样为对象，由该标准形状圆环试样的内壁向该标准形状圆环试样施加沿标准形状圆环周向均匀分布的液压力，使该标准形状圆环同样胀形但不断裂，并且得到的胀形圆环的内径与所述步骤(5)测量得到的内径值保持一致；
(7)记所述步骤(4)得到的试样为第一试样，所述步骤(6)得到的试样为第二试样，将所述第一试样和所述第二试样自然冷却后，在所述第一试样和所述第二试样上分别取以胀形后的狭长区为中心、且在圆环周向上弧长长度满足L2+2b的试样区域切割后作为第一切割试样及第二切割试样，其中，L2为胀形后的狭长区在圆环周向上的弧长长度；然后进行单向拉伸力学测试，进行准静态单向拉伸变形；
(8)比较所述步骤(7)中所述第一切割试样和所述第二切割试样的单向拉伸力学实验应力应变曲线，进而比较抗拉强度、断后延伸率中的至少一者。
3.如权利要求2所述方法，其特征在于，所述步骤(6)中，利用所述液压胀形设备时，应变速率不超过0.0025s-1。
4.如权利要求1-3任意一项所述方法，其特征在于，所述步骤(1)中，对于所述标准形状圆环试样，所述标距区内还额外设置有一个缺口；
或者，所述标准形状圆环试样的外壁上还被侵蚀出网格。
5.一种电磁成形用材料的冲击韧性实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用待测试的电磁成形用材料制备(2n+1)个结构及形状尺寸相同的冲击韧性适配性圆环试样，n为预先设定的正整数，对于其中任意一个冲击韧性适配性圆环：记该冲击韧性适配性圆环的轴向宽度为b，内径为
径向厚度为δ，则：
且b≥3δ；并且，在该冲击韧性适配性圆环的外壁上，具有沿轴向分布的一个缺口，该缺口在垂直于轴向所在平面上的投影为V型、半圆形或U型，缺口沿径向方向的最大深度为δ/2；
(2)基于所述步骤(1)制得的任意一个冲击韧性适配性圆环试样，构建有限元模型，利用有限元分析模拟胀环的电磁成形过程，模拟得出使冲击韧性适配性圆环试样被胀破所对应的电磁成形过程中所采用的成形线圈的形状参数及临界放电电压U0kV，向上取整、向下取整或四舍五入取整后得到[U0]kV；所述成形线圈的形状参数包括成形线圈的横截面积及匝间距；
(3)利用所述步骤(2)得到的成形线圈的形状参数建立成形线圈实物，并进一步建立包括该成形线圈实物的电磁胀环测试装置；该电磁胀环测试装置包括绝缘工作台、内部固定有所述成形线圈的环氧树脂模芯、以及用于向所述成形线圈供电的外部脉冲放电电路；
将所述步骤(1)制得的一个冲击韧性适配性圆环试样置于所述电磁胀环测试装置上，使该冲击韧性适配性圆环试样套设在所述环氧树脂模芯的外部；所述绝缘工作台为可拆卸式绝缘工作台，用于调整该冲击韧性适配性圆环试样在所述环氧树脂模芯上的放置高度，使所述冲击韧性适配性圆环试样在所述成形线圈中心轴线上的投影位于所述成形线圈在其中心轴线上投影的正中间；
(4)基于所述步骤(2)得到的[U0]kV，利用所述外部脉冲放电电路对所述成形线圈进行供电，具体是将所述步骤(1)得到的(2n+1)个冲击韧性适配性圆环试样按照与([U0]-n×ΔV)kV、([U0]-(n-1)×ΔV)kV、……、([U0]-ΔV)kV、([U0])kV、([U0]+ΔV)kV、([U0]+2×ΔV)kV、……、([U0]+n×ΔV)kV这一放电电压序列中的放电电压一一对应的放电电压值进行放电试验，记录下使冲击韧性适配性圆环试样发生断裂的临界电压值取整后记为UCkV，其中，ΔV为预先设定的电压变化步长；
(5)利用能量法或电压法得到材料冲击韧性值；其中，
所述能量法具体是：
电磁成形设备放电所提供的临界总能量：
其中，C为电磁胀环测试装置中电容器组的电容值；
电磁成形过程中冲击韧性适配性圆环受力断裂吸收的能量即冲击功为：
AKE＝ηE (2)
其中，η为圆环发生形变时对电磁放电能量的利用率，为能够经模拟预先得知大小的常量；
材料的相对冲击功计算公式如下：
其中，FE表示缺口截面积，FE＝δb/2；
得到的相对冲击功即能够反映材料的冲击韧性；
所述电压法具体是：
定义冲击电压等于所述步骤(4)测得的临界电压值：
UKE＝UC (4)
材料的相对冲击电压计算公式如下：
其中，FE表示缺口截面积，FE＝δb/2；
得到的相对冲击电压即能够反映材料的冲击韧性。
6.一种电磁成形用材料的剪切性能实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用待测试的电磁成形用材料制备剪切适配性圆环试样，记该剪切适配性圆环的轴向宽度为b，内径为
径向厚度为δ，则：
且b≥3δ；并且，在该剪切适配性圆环的外壁上，具有两个相互平行的线切割口，其中一个线切割口位于该剪切适配性圆环的上边缘，另一个线切割口位于该剪切适配性圆环的下边缘，任意一个线切割口与边缘线之间的夹角均为45°，任意一个线切割口的宽度均为v，且任意一个线切割口的中心线在轴向上的切割深度均为b/2，这两个线切割口均用于指向用于发生剪切作用的同一个目标区域，该目标区域沿在所述剪切适配性圆环周向上的弧长长度为u；此外，该长度为u的目标区域与线切割口接触的两个界面，还均设置有两个圆弧倒角界面或均设置有平面平行于轴向方向的两个平面界面；当所述目标区域设置有两个平面界面时，该目标区域的实际长度满足0.8u；
(2)基于所述步骤(1)制得的剪切适配性圆环试样，构建有限元模型，利用有限元分析模拟胀环的电磁成形过程，模拟得出使剪切适配性圆环试样被胀破所对应的电磁成形过程中所采用的成形线圈的形状参数及放电电压，所述成形线圈的形状参数包括成形线圈的横截面积及匝间距；
(3)利用所述步骤(2)得到的成形线圈的形状参数建立成形线圈实物，并进一步建立包括该成形线圈实物的电磁胀环测试装置；该电磁胀环测试装置包括绝缘工作台、内部固定有所述成形线圈的环氧树脂模芯、以及用于向所述成形线圈供电的外部脉冲放电电路；
将所述步骤(1)制得的剪切适配性圆环试样置于所述电磁胀环测试装置上，使该剪切适配性圆环试样套设在所述环氧树脂模芯的外部；所述绝缘工作台为可拆卸式绝缘工作台，用于调整该剪切适配性圆环试样在所述环氧树脂模芯上的放置高度，使所述剪切适配性圆环试样在所述成形线圈中心轴线上的投影位于所述成形线圈在其中心轴线上投影的正中间；
(4)基于所述步骤(2)得到的放电电压，利用所述外部脉冲放电电路对所述成形线圈进行供电，在所述剪切适配性圆环上产生感应电流，进而产生电磁力实现所述剪切适配性圆环的胀形断裂或胀形但不断裂；
(5)当所述剪切适配性圆环被胀形断裂时，能够从中得出材料的极限剪切性能；当所述剪切适配性圆环被胀形但不断裂时，能够从中得出材料的绝热剪切带。
7.一种电磁成形用材料的断裂韧性实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用待测试的电磁成形用材料制备(2n+1)个结构及形状尺寸相同的断裂韧性适配性圆环试样，n为预先设定的正整数，对于其中任意一个断裂韧性适配性圆环：记该断裂韧性适配性圆环的轴向宽度为b，内径为
径向厚度为δ，则：
且b≥3δ；并且，在该断裂韧性适配性圆环的外壁上，具有一个边缘缺口或一个中心缺口；所述边缘缺口和所述中心缺口在轴向上的切割深度投影均为ac；对于所述中心缺口，该中心缺口的中心点距圆环上下边缘的距离均为b/2；其中，所述中心缺口对应于穿透裂纹试样，所述边缘缺口对应于直裂纹试样；
(2)基于所述步骤(1)制得的任意一个断裂韧性适配性圆环试样，构建有限元模型，利用有限元分析模拟胀环的电磁成形过程，模拟得出使断裂韧性适配性圆环试样被胀破所对应的电磁成形过程中所采用的成形线圈的形状参数及临界放电电压U0kV，向上取整、向下取整或四舍五入取整后得到[U0]kV；所述成形线圈的形状参数包括成形线圈的横截面积及匝间距；
(3)利用所述步骤(2)得到的成形线圈的形状参数建立成形线圈实物，并进一步建立包括该成形线圈实物的电磁胀环测试装置；该电磁胀环测试装置包括绝缘工作台、内部固定有所述成形线圈的环氧树脂模芯、以及用于向所述成形线圈供电的外部脉冲放电电路；
将所述步骤(1)制得的一个断裂韧性适配性圆环试样置于所述电磁胀环测试装置上，使该断裂韧性适配性圆环试样套设在所述环氧树脂模芯的外部；所述绝缘工作台为可拆卸式绝缘工作台，用于调整该断裂韧性适配性圆环试样在所述环氧树脂模芯上的放置高度，使所述断裂韧性适配性圆环试样在所述成形线圈中心轴线上的投影位于所述成形线圈在其中心轴线上投影的正中间；
(4)基于所述步骤(2)得到的[U0]kV，利用所述外部脉冲放电电路对所述成形线圈进行供电，具体是将所述步骤(1)得到的(2n+1)个断裂韧性适配性圆环试样按照与([U0]-n×ΔV)kV、([U0]-(n-1)×ΔV)kV、……、([U0]-ΔV)kV、([U0])kV、([U0]+ΔV)kV、([U0]+2×ΔV)kV、……、([U0]+n×ΔV)kV这一放电电压序列中的放电电压一一对应的放电电压值进行放电试验，记录下使断裂韧性适配性圆环试样发生断裂的临界电压值取整后记为UCkV，其中，ΔV为预先设定的电压变化步长；
(5)利用能量法得到材料断裂韧性值，具体是：
电磁成形设备放电所提供的临界总能量：
其中，C为电磁胀环测试装置中电容器组的电容值；
电磁成形过程中断裂韧性适配性圆环受力断裂吸收的能量为：
AC＝ηE (7)
其中，η为圆环发生形变时对电磁放电能量的利用率，为能够经模拟预先得知大小的常量；
电磁成形过程中圆环断裂韧性定义为：
其中，
为裂纹形状因子，是与裂纹长度ac、圆环轴向长度b有关且能够预先得知大小的因子；p为系统参数，为能够预先得知大小的常量；
将式(6)、(7)代入式(8)，得到相对断裂韧性
得到以下公式：
得到的相对断裂韧性KICEη能够表征材料的断裂韧性。
8.如权利要求1-7任意一项所述方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述环氧树脂模芯的内径小于所述圆环试样的内径；在所述绝缘工作台与所述圆环试样的接触面上还涂抹有润滑剂；所述圆环试样、所述环氧树脂模芯与所述绝缘工作台三者同轴放置；
所述成形线圈采用匝间绝缘的方式，该成形线圈与环氧树脂固化前缠绕绝缘胶带，固化后整体即可形成内部固定有所述成形线圈的环氧树脂模芯；
所述电磁胀环测试装置还包括绝缘的下固定模板，所述下固定模板与所述环氧树脂模芯采用过盈配合方式固定在一起。
9.如权利要求1-7任意一项所述方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述成形线圈为多层线圈；相应的，所述步骤(3)中，所述成形线圈实物也为多层线圈；
所述步骤(2)中，所述成形线圈还包括与之配合使用的集磁器；相应的，所述步骤(3)中，所述环氧树脂模芯中除了固定有成形线圈外还固定有集磁器。
10.如权利要求5-7任意一项所述方法，其特征在于，所述步骤(1)中，对于所述圆环试样，所述圆环试样的外壁上还被侵蚀出网格。
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