CN113281171A - 一种金属材料拉伸颈缩过程中应力分布测试方法 - Google Patents

一种金属材料拉伸颈缩过程中应力分布测试方法 Download PDF

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Abstract

一种金属材料拉伸颈缩过程中应力分布测试方法，在单向拉伸试验的基础上，通过拉伸颈缩过程中拉伸载荷和颈缩区轮廓图像的实时同频采集，利用光学显微测量系统测量颈缩过程中颈缩区的曲率半径及最小截面处的直径，采用拉伸试样颈缩区应力方程的Bridgman解推导颈缩区最小截面上应力分布方程，能够对金属材料颈缩过程中颈缩区应力分布及演化规律进行分析，为研究金属材料强度与失效准则提供必需的技术保障。

Description

一种金属材料拉伸颈缩过程中应力分布测试方法
技术领域
本发明属于材料强度与失效研究领域，具体涉及一种金属材料拉伸颈缩过程中应力分布测试方法。
背景技术
圆棒试样拉伸试验(以下简称“拉伸试验”)是金属材料最为基本的力学性能试验之一，通过该试验主要确定金属材料的两个强度参量——屈服强度Rp0.2和抗拉强度Rm，两个塑性参量——断后延伸率A和断面收缩率Z。但在实际工程应用中，只有强度参量Rp0.2和Rm参与设计，塑性参量A和Z仅作为选材参考。而金属材料拉伸过程中经历了从弹性变形、均匀塑性变形、局部集中塑性变形(颈缩)至断裂的全过程，其拉伸试样断裂时一般均会产生明显的颈缩，现有金属材料拉伸性能评价中，均是将抗拉强度作为材料的临界失效点，而实际上材料从颈缩至最终断裂仍需消耗大量的塑性变形能，材料的真实断裂点远落后于颈缩点。材料颈缩后，虽然所能承受的载荷逐渐下降，但颈缩部位所承受的轴向真实应力逐渐增大，实际断裂时颈缩部位的轴向真实应力远大于材料的抗拉强度，且金属材料颈缩后颈缩部分的应力状态由单向应力转变为三向应力状态，颈缩区内应变分布并不均匀，而由于应变强化效应，流动应力也不均布。但目前金属材料拉伸性能考核均是以均匀变形作为材料失效的临界点，颈缩后颈缩区应力的分布和演化情况研究较少，因此本发明设计了一种金属材料拉伸颈缩过程中应力分布测试方法。
发明内容
本发明的目的是提供金属材料拉伸颈缩过程中应力分布测试方法，在单向拉伸试验的基础上，通过拉伸颈缩过程中拉伸载荷和颈缩区轮廓图像的实时采集，利用光学显微测量系统测量颈缩过程中颈缩区的曲率半径及最小截面处的直径，采用拉伸试样颈缩区应力方程的Bridgman解推导颈缩区最小截面上应力分布方程，能够对金属材料颈缩过程中颈缩区应力分布及演化规律进行分析，为研究金属材料强度与失效准则提供必需的技术保障。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种金属材料拉伸颈缩过程中应力分布测试方法，用于金属材料拉伸试验中，包括如下步骤：
步骤一，利用非接触应变测量系统实现拉伸试样颈缩区轮廓的实时同步采集，通过调整载荷加载系统的数据采集频率和颈缩区轮廓的影像采集频率，实现载荷和影像的同频采集；
步骤二，利用光学显微测量软件对拉伸颈缩过程中不同时段的影像照片轮廓尺寸进行测量，将影像尺寸与实物尺寸进行同比例缩放，确定颈缩过程中不同时段颈缩区的曲率半径及最小截面处的直径；
步骤三，根据采集的拉伸载荷和颈缩区曲率半径及最小截面处直径，通过颈缩区应力方程的Bridgman解进行颈缩区应力分布函数推导，颈缩区的应力方程如式(1)所示，将式(1)中的各向应力转化为如式(2)所示的颈缩区三个主应力，通过式(1)和(2)推导出应力第一不变量I1和流变应力σmises，如式(3)所示，再由式(3)推出I1/σmises，如式(4)所示；通过式(1)～式(4)计算试样颈缩过程中颈缩区最小截面上任一时间的三个主应力、应力第一不变量I1、流变应力σmises和I1/σmises的分布；
Figure BDA0003122691180000021
Figure BDA0003122691180000022
Figure BDA0003122691180000023
Figure BDA0003122691180000024
式中：
σθ：周向应力，单位MPa；
σr：径向应力，单位MPa；
σz：轴向应力，单位MPa；
Figure BDA0003122691180000025
平均轴向应力，单位MPa；
σ1：第一主应力，单位MPa；
σ2：第二主应力，单位MPa；
σ3；第三主应力，单位MPa；
σ0；与ε相对应的流变应力，即能够不产生颈缩地将试样拉伸至轴向应变等于ε时的真应力，单位MPa；
I1；应力第一不变量，单位MPa；。
a：颈缩部位最小截面半径，单位mm；
D：颈缩部位最小截面直径，单位mm；
r：颈缩区最小截面中心到外边缘的半径，单位mm；
R：颈缩部位最小截面处曲率半径，单位mm；
F：加载载荷，单位kN。
本发明的有益效果是：本发明根据金属材料强度与失效准则研究对颈缩区应力状态分析的要求，设计了拉伸颈缩过程中应力分布函数测试方法，可实现拉伸试样径缩过程中最小截面上任一时间的三个主应力、应力第一不变量I1、流变应力σmises和I1/σmises的分布函数测试。
附图说明
图1为本发明所述金属材料拉伸试验中颈缩区域的轮廓示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。
在金属材料拉伸颈缩过程中，如何实现载荷与颈缩区轮廓的同步采集、如何准确测量颈缩区轮廓尺寸、如何计算颈缩区不同位置的三向应力值直接关系到颈缩区应力状态分布测试，本发明主要基于这一要求设计了金属材料颈缩过程中应力分布测试方法。
本发明针对拉伸颈缩过程中载荷与颈缩区轮廓的同步采集、颈缩区轮廓尺寸测量和颈缩区应力分布计算公式推导这三方面技术问题采取的解决方案如下：
(1)颈缩过程中颈缩区轮廓采集
利用非接触应变测量系统实现拉伸试样颈缩区轮廓的实时同步采集，通过调整载荷加载系统数据采集频率和颈缩区轮廓影像采集频率实现载荷和影像的同频采集，颈缩区轮廓的示意如图1所示；
(2)颈缩过程中颈缩区轮廓测量
利用光学显微测量软件对拉伸颈缩过程中不同时段的影像照片轮廓尺寸进行测量，将影像尺寸与实物尺寸进行同比例缩放，确定颈缩过程中不同时段颈缩区的曲率半径及最小截面处的直径；
(3)颈缩过程中颈缩区应力分布函数推导
根据采集的拉伸载荷和颈缩区曲率半径及最小截面处直径，通过颈缩区应力方程的Bridgman解进行颈缩区应力分布函数推导，颈缩区的应力方程如式(1)所示，将式(1)中的各向应力转化为如式(2)所示的颈缩区三个主应力，通过式(1)和(2)推导出应力第一不变量I1和流变应力σmises，如式(3)所示，再由式(3)推出I1/σmises，如式(4)所示；通过式(1)～式(4)计算试样颈缩过程中颈缩区最小截面上任一时间的三个主应力、应力第一不变量I1、流变应力σmises和I1/σmises的分布；
Figure BDA0003122691180000041
Figure BDA0003122691180000042
Figure BDA0003122691180000043
Figure BDA0003122691180000044
式中：
σθ：周向应力，单位MPa；
σr：径向应力，单位MPa；
σz：轴向应力，单位MPa；
Figure BDA0003122691180000045
平均轴向应力，单位MPa；
σ1：第一主应力，单位MPa；
σ2：第二主应力，单位MPa；
σ3；第三主应力，单位MPa；
σ0；与ε相对应的流变应力，即能够不产生颈缩地将试样拉伸至轴向应变等于ε时的真应力，单位MPa；
I1；应力第一不变量，单位MPa；。
a：颈缩部位最小截面半径，单位mm；
D：颈缩部位最小截面直径，单位mm；
r：颈缩区最小截面中心到外边缘的半径，单位mm；
R：颈缩部位最小截面处曲率半径，单位mm；
F：加载载荷，单位kN。
在上式中，σ0是材料变形到一定阶段后，如果还需要变形所需要的力，σmises应力是三个主应力组合后能够让材料产生变形的驱动力。
下边以785MPa级钢拉伸试样颈缩过程为例，本发明的具体测试过程如下：
第一步，将拉伸试样通过拉伸试验机夹头进行加持；
第二步，通过非接触应变测量系统对安装好的试样进行拍照，记录试样原始尺寸；
第三步，将试样拉伸加载至最高载荷点时，启动非接触应变测量系统对拉伸颈缩过程进行同频影像采集，实时载荷如表1所示；
表1 785MPa级钢拉伸试样颈缩过程实时载荷
Figure BDA0003122691180000051
第四步，将采集的颈缩过程试样轮廓照片通过光学显微测量分析软件进行试样轮廓尺寸测量，颈缩区轮廓尺寸如表2所示；
表2 785MPa级钢拉伸试样颈缩过程实时轮廓尺寸
Figure BDA0003122691180000052
第五步，将测得的试样颈缩区轮廓尺寸和同一时段的载荷代入推导的应力分布公式进行计算可得颈缩过程中颈缩区任一时间段的应力函数，第一主应力、应力第一不变量、流变应力σmises和I1/σmises的值如表3所示。
表3 785MPa级钢拉伸试样颈缩区应力分析
Figure BDA0003122691180000061
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (1)

1.一种金属材料拉伸颈缩过程中应力分布测试方法，用于金属材料拉伸试验中，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，利用非接触应变测量系统实现拉伸试样颈缩区轮廓的实时同步采集，通过调整载荷加载系统的数据采集频率和颈缩区轮廓的影像采集频率，实现载荷和影像的同频采集；
步骤二，利用光学显微测量软件对拉伸颈缩过程中不同时段的影像照片轮廓尺寸进行测量，将影像尺寸与实物尺寸进行同比例缩放，确定颈缩过程中不同时段颈缩区的曲率半径及最小截面处的直径；
步骤三，根据采集的拉伸载荷和颈缩区曲率半径及最小截面处直径，通过颈缩区应力方程的Bridgman解进行颈缩区应力分布函数推导，颈缩区的应力方程如式(1)所示，将式(1)中的各向应力转化为如式(2)所示的颈缩区三个主应力，通过式(1)和(2)推导出应力第一不变量I1和流变应力σmises，如式(3)所示，再由式(3)推出I1/σmises，如式(4)所示；通过式(1)～式(4)计算试样颈缩过程中颈缩区最小截面上任一时间的三个主应力、应力第一不变量I1、流变应力σmises和I1/σmises的分布；
Figure FDA0003122691170000011
Figure FDA0003122691170000012
Figure FDA0003122691170000013
Figure FDA0003122691170000014
式中：
σθ：周向应力，单位MPa；
σr：径向应力，单位MPa；
σz：轴向应力，单位MPa；
Figure FDA0003122691170000021
平均轴向应力，单位MPa；
σ1：第一主应力，单位MPa；
σ2：第二主应力，单位MPa；
σ3；第三主应力，单位MPa；
σ0；与ε相对应的流变应力，即能够不产生颈缩地将试样拉伸至轴向应变等于ε时的真应力，单位MPa；
I1；应力第一不变量，单位MPa；。
a：颈缩部位最小截面半径，单位mm；
D：颈缩部位最小截面直径，单位mm；
r：颈缩区最小截面中心到外边缘的半径，单位mm；
R：颈缩部位最小截面处曲率半径，单位mm；
F：加载载荷，单位kN。
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