CN113049371B - 一种金属材料破坏强度测试方法 - Google Patents

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Abstract

一种金属材料破坏强度测试方法，通过设计一系列典型元件级试验件用以反映复杂应力状态下材料的断裂行为，最终结合有限元数值方法对物理试验进行仿真，获得应力状态参数以及该应力状态下的断裂应变值。本测试方法在能够满足复杂应力状态下金属材料破坏强度试验需求的同时，具有试验件设计简单、试验实施容易、实用性强等特点。通过该测试方法所得试验数据可为金属材料在复杂应力状态下的断裂理论研究及结构极限承载能力预测奠定试验基础。

Description

一种金属材料破坏强度测试方法
技术领域
本发明属于结构静强度试验设计领域，涉及一种复杂应力状态下的金属材料破坏强度测试方法，包括应力状态参数表征、典型元件级试验件设计及测试、结合有限元数值仿真的试验数据处理。
背景技术
目前工程应用中，基于弹塑性强度理论的设计思想认为，只要结构的最高应力σmax与材料的破坏应力满足下式，便可满足静强度要求。
式中，[σ]为许用应力；σb为材料的破坏应力；n为安全系数。
金属材料的极限强度可按照金属室温拉伸试验方法(GB/T228.1-2010)和金属室温压缩试验方法(GB/T7314-2005)获得。上述试验均为单一应力(单轴拉伸、压缩)的试验。
然而，试验表明材料在复杂应力状态下的渐进破坏行为与简单应力状态的延性破坏大相径庭，甚至发生脆断。由单轴拉伸试验件得到的破坏应力σb，仅能代表材料在简单应力状态下的强度能力，并不能反映应变约束引起的复杂应力状态下材料强度的演变。
因此，为弥补传统单一应力状态下材料破坏试验方法数据点单一、无法适用于复杂应力状态下材料破坏预测的不足，需要建立一套适用于金属材料在复杂应力状态下的破坏强度试验方法，用于复杂应力状态下金属材料的强度理论研究以及工程结构极限承载能力预测。
发明内容
为了克服传统单一应力(单轴拉伸)试验数据无法用于材料在复杂应力状态下断裂破坏研究的不足，本发明的目的在于提出一种金属材料破坏强度测试方法。
本发明通过设计一系列典型元件级试验件用以反映复杂应力状态下材料的断裂行为，最终结合有限元数值方法对物理试验进行仿真，获得应力状态参数以及该应力状态下的断裂应变值。
一种金属材料破坏强度测试方法，已知该金属材料的应力应变曲线，其特征在于包含以下内容：
1)制作该金属材料破坏强度试验件，该试验件包含多个不同尺寸规格的圆柱压缩试验件、圆棒拉伸试验件、平板拉伸试验件、平板剪切试验件，对上述试验件分别建立有限元模型；
2)对每一个试验件分别加载进行破坏试验，记录该试验件的破坏截面形貌和载荷-位移曲线；
3)根据每一个试验件的载荷-位移曲线，分别对每个试验件的有限元模型进行位移加载，进行弹塑性分析，获得该试验件破坏截面中心单元的应力状态参数值及断裂时刻的塑形应变值，所述的应力状态参数值包含应力三轴度参数和Lode角参数；
4)对每个试验件有限元模型破坏截面中心单元的应力状态参数值沿应变路径进行平均化处理，得到该试验件破坏截面中心单元的平均应力状态参数；
5)以步骤4)中获取的每个试验件破坏截面中心单元的平均应力状态参数值作为该金属材料的应力状态参数值，以步骤4)中获取的每个试验件断裂时刻的塑形应变值作为该金属材料在相应应力状态参数下的破坏强度；
6)以该金属材料应力状态参数的应力三轴度值为X轴，Lode角参数值为Y轴，以该应力状态参数对应的破坏强度值为Z轴，即可拟合该金属材料在不同应力状态参数下的破坏强度函数。
本申请的有益效果在于：本测试方法在能够满足复杂应力状态下金属材料破坏强度试验需求的同时，具有试验件设计简单、试验实施容易、实用性强等特点。通过该测试方法所得试验数据可为金属材料在复杂应力状态下的断裂理论研究及结构极限承载能力预测奠定试验基础。
以下结合实施例附图对本申请做进一步详细描述。
附图说明
图1为圆柱压缩试验件
图2为圆棒拉伸试验件
图3为平板拉伸试验件
图4为平板剪切试验件
图中编号说明：1圆柱体结构、2圆棒结构、3环形圆弧槽、4长方形平板结构、5横向圆弧槽、6中心对称的板状结构、7斜向圆弧槽。
具体实施方式
参见附图，以2024铝合金为例，该测试方法的实施过程如下：
首先，制作该金属材料破坏强度试验件，该试验件包含多个不同尺寸规格的圆柱压缩试验件，如图1所示，所述的圆柱压缩试验件是一个圆柱体结构1。所述的圆柱压缩试验件有三个以上，每个圆柱压缩试验件的长度直径比不同。
圆棒拉伸试验件，如图2所示，所述的圆棒拉伸试验件的本体是圆棒结构2，该圆棒的两端为夹持端，圆棒的中部为测试区，在测试区的中心设有下陷的环形圆弧槽3。所述的圆棒拉伸试验件有三个以上，每个圆棒拉伸试验件的环形圆弧槽的半径不同。
平板拉伸试验件，如图3所示，所述的平板拉伸试验件的本体长方形平板结构4，该长方形平板的两端为夹持端，长方形平板的中部为测试区，在测试区中心的两侧对称设有下陷的横向圆弧槽5。所述的平板拉伸试验件有三个以上，每个平板拉伸试验件的横向圆弧槽的半径不同。
平板剪切试验件，如图4所示。所述的平板剪切试验件的本体是一个中心对称的板状结构6，该板状结构的两端为夹持端，沿该板状结构的对称中心，在平板两侧对称设有下陷的斜向圆弧槽7。所述的平板剪切试验件有三个以上，每个平板剪切试验件的斜向圆弧槽与平板纵向的夹角不同。
以上每种试验件制作3种尺寸规格，每种规格制作3件试验件进行重复试验，具体试验件种类及尺寸规格如表1所示。
表1：试验件种类及尺寸规格
对上述试验件分别建立有限元模型。将试验件的几何模型导入有限元软件(如ABAQUS)中，输入该金属材料应力-应变曲线作为本构关系，建立不同试验件的有限元模型。根据试验情况，将模型的一端加固支边界条件，另一端则加位移边界条件，模拟试验进行到试验破坏位移时的应力应变情况。同时将应力分布与试验件的断裂形式进行比对，确认所建构模型的准确性。
再对每一个试验件分别加载进行破坏试验，记录该试验件的破坏截面形貌和载荷-位移曲线；试验均为简单应力状态试验，均可通过万能试验机实现加载，其中压缩试验加载平台、剪切和拉伸试验夹具均可用万能试验机标配工装。
圆柱压缩试验
将圆柱试验件置于试验件压缩模块的压缩平台上，压缩试验无固定装置，因此试验件放置时尽量置于平台中心位置。调节加载速率(例如0.5mm/min)进行压缩加载，直至试验件断裂后，试验结束。记录试验件破坏截面形貌以及载荷-位移曲线。
圆棒拉伸试验
使用夹头，将圆棒试验件的上端夹持在试验机的固定端，锁紧固定端，调整试验机夹头位置固定移动端。在有效尺寸范围上添加引伸计，调节试验速率(如2mm/min)进行拉伸加载，直至试验件断裂后，试验结束。记录破坏截面形貌以及载荷-位移曲线。
平板拉伸试验
使用夹头，将试验件的上端夹持在试验机的固定端，锁紧固定端，调整试验机家头位置固定移动端。在有效尺寸范围上添加引伸计，调节试验速率(如2mm/min)进行拉伸加载，直至试验件断裂后，试验结束。记录破坏截面形貌以及载荷-位移曲线。
平板剪切试验
使用夹头，将试验件的上端夹持在试验机的固定端，锁紧固定端，调整试验机家头位置固定移动端。在有效尺寸范围上添加引伸计，调节试验速率(如0.5mm/min)进行拉伸加载，直至试验件断裂后，试验结束。记录破坏截面形貌以及载荷-位移曲线。
根据每一个试验件的载荷-位移曲线，分别对每个试验件的有限元模型进行位移加载，进行弹塑性分析，获得该试验件破坏截面中心单元的应力状态参数值及断裂时刻的塑形应变值，所述的应力状态参数值包含应力三轴度参数和Lode角参数；从每个试验件有限元模型分析结果中提取破坏截面中心单元的主应力分量，通过公式计算应力三轴度参数及Lode角参数。
应力状态参数包含应力三轴度参数η及Lode角参数θ，通过公式(1)、公式(2)和公式(3)计算应力三轴度参数，
式中σm为平均应力,计算公式为
σeq为Mises等效应力，计算公式为
其中σ1、σ2、σ3为主应力分量，均可从该试验件有限元模型中提取；
通过公式(4)计算Lode角参数，
其中σ1、σ2、σ3为主应力分量，均可从该试验件有限元模型中提取。
对每个试验件有限元模型破坏截面中心单元的应力状态参数值沿应变路径进行平均化处理，根据应力三轴度参数值，通过公式(5)获得该试验件破坏截面中心单元的平均应力三轴度η*。
根据Lode角参数值，通过公式(6)获得该试验件破坏截面的平均Lode角参数作为材料的应力状态参数。
式中ε为塑性应变值，εf为断裂时刻的塑形应变值，均可从每个试验件有限元模型中提取。
对每个试验件有限元模型破坏截面中心单元的应力状态参数值沿应变路径进行平均化处理，得到该试验件破坏截面中心单元的平均应力状态参数；
以每个试验件破坏截面中心单元的平均应力状态参数值作为该金属材料的应力状态参数值，以获取的每个试验件断裂时刻的塑形应变值作为该金属材料在相应应力状态参数下的破坏强度；从每个试验件有限元模型分析结果中提取断裂时刻破坏截面中心单元的塑性应变。汇总所有试验件断裂时刻破坏截面中心单元的塑性应变，作为对应应力状态下材料的破坏强度值
最后以该金属材料应力状态参数的应力三轴度值为X轴，Lode角参数值为Y轴，以该应力状态参数对应的破坏强度值为Z轴，即可拟合该金属材料在不同应力状态参数下的破坏强度函数。

Claims (11)

1.一种金属材料破坏强度测试方法，已知该金属材料的应力应变曲线，其特征在于包含以下内容：
1)制作该金属材料破坏强度试验件，该试验件包含多个不同尺寸规格的圆柱压缩试验件、圆棒拉伸试验件、平板拉伸试验件、平板剪切试验件，对上述试验件分别建立有限元模型；
2)对每一个试验件分别加载进行破坏试验，记录该试验件的破坏截面形貌和载荷-位移曲线；
3)根据每一个试验件的载荷-位移曲线，分别对每个试验件的有限元模型进行位移加载，进行弹塑性分析，获得该试验件破坏截面中心单元的应力状态参数值及断裂时刻的塑形应变值εf，所述的应力状态参数值包含应力三轴度参数η和Lode角参数
4)对每个试验件有限元模型破坏截面中心单元的应力状态参数值沿应变路径进行平均化处理，得到该试验件破坏截面中心单元的平均应力状态参数；
5)以步骤4)中获取的每个试验件破坏截面中心单元的平均应力状态参数值作为该金属材料的应力状态参数值，以步骤4)中获取的每个试验件断裂时刻的塑形应变值作为该金属材料在相应应力状态参数下的破坏强度；
6)以该金属材料应力状态参数的应力三轴度值为X轴，Lode角参数值为Y轴，以该应力状态参数对应的破坏强度值为Z轴，即可拟合该金属材料在不同应力状态参数下的破坏强度函数。
2.如权利要求1所述的金属材料破坏强度测试方法，其特征在于，步骤3中所述的应力状态参数包含应力三轴度参数η及Lode角参数通过公式(1)、公式(2)和公式(3)计算应力三轴度参数，
式中σm为平均应力,计算公式为
σeq为Mises等效应力，计算公式为
其中σ1、σ2、σ3为主应力分量，均可从该试验件有限元模型中提取；
通过公式(4)计算Lode角参数，
其中σ1、σ2、σ3为主应力分量，均可从该试验件有限元模型中提取。
3.如权利要求1所述的金属材料破坏强度测试方法，其特征在于，步骤4中所述的对每个试验件有限元模型破坏截面中心单元的应力状态参数值沿应变路径进行平均化处理，根据应力三轴度参数值，通过公式(5)获得该试验件破坏截面中心单元的平均应力三轴度η*
根据Lode角参数值，通过公式(6)获得该试验件破坏截面的平均Lode角参数
式中ε为塑性应变值，εf为断裂时刻的塑形应变值，均可从每个试验件有限元模型中提取。
4.如权利要求1所述的金属材料破坏强度测试方法，其特征在于，所述的圆柱压缩试验件是一个圆柱形结构。
5.如权利要求4所述的金属材料破坏强度测试方法，其特征在于，所述的圆柱压缩试验件有三个以上，每个圆柱压缩试验件的长度直径比不同。
6.如权利要求1所述的金属材料破坏强度测试方法，其特征在于，所述的圆棒拉伸试验件的本体是圆棒结构，该圆棒的两端为夹持端，圆棒的中部为测试区，在测试区的中心设有下陷的环形圆弧槽。
7.如权利要求6所述的金属材料破坏强度测试方法，其特征在于，所述的圆棒拉伸试验件有三个以上，每个圆棒拉伸试验件的环形圆弧槽的半径不同。
8.如权利要求1所述的金属材料破坏强度测试方法，其特征在于，所述的平板拉伸试验件的本体长方形平板结构，该长方形平板的两端为夹持端，长方形平板的中部为测试区，在测试区中心的两侧对称设有下陷的横向圆弧槽。
9.如权利要求8所述的金属材料破坏强度测试方法，其特征在于，所述的平板拉伸试验件有三个以上，每个平板拉伸试验件的横向圆弧槽的半径不同。
10.如权利要求1所述的金属材料破坏强度测试方法，其特征在于，所述的平板剪切试验件的本体是一个中心对称的板状结构，该板状结构的两端为夹持端，沿该板状结构的对称中心，在平板两侧对称设有下陷的斜向圆弧槽。
11.如权利要求10所述的金属材料破坏强度测试方法，其特征在于，所述的平板剪切试验件有三个以上，每个平板剪切试验件的斜向圆弧槽与平板纵向的夹角不同。
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