CN114509341B - 一种测量材料试样拉伸断裂试验过程中应力三轴度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测量材料试样拉伸断裂试验过程中应力三轴度的方法，包括以下步骤：A、采用标准方法对材料试样进行拉伸断裂试验；B、采用DIC方法测量出拉伸断裂试验中材料试样上某点的主应变增量、次应变增量和等效应变；C、通过材料假定及转换公式获得该点在试验过程中应力三轴度随等效应变增加的变化趋势，获得该材料试样的应力三轴度－等效应变曲线；D、对获得的应力三轴度－等效应变曲线进行平均化处理，得到该材料试样的应力三轴度。本发明的方法无需构建复杂的本构模型，可直接通过试验测量结果即可进行应力三轴度的分析计算，其结果更依赖试验结果，更具备真实性和准确性，尤其适合用来进行板状试样在拉伸断裂试验中应力三轴度的测量。

Description

一种测量材料试样拉伸断裂试验过程中应力三轴度的方法
技术领域
本发明涉及材料力学试验技术领域，特别涉及一种测量材料试样拉伸断裂试验过程中应力三轴度的方法。
背景技术
对于材料单元的受力状态，可以采用应力三轴度和洛德角进行描述，而对于一般厚度小于3mm的板材，可以认为在拉伸变形过程中处于平面应力状态，即厚度方向上应力为零。此时应力三轴度和罗德角可以互相转化，因此平面应力状态下可直接采用应力三轴度描述材料的受力状态。在断裂模型开发时，大多采用仿真手段获取单元在变形过程中应力三轴度的变化。Bridgman提出过一种试验手段测量棒材变形中最小截面应力三轴度的测量方法，但该方法只针对于棒材试样，且较难获得棒材在变形中最小截面的外轮廓曲率半径。同时，针对平面应力状态板材的应力三轴度测量，目前也无相关准确的测试方法。
中国专利CN11098621A公开了一种金属材料在复杂应力状态下的三维断裂模型建立方法，该方法跟传统测试方法原理相同，均是通过拉伸试验方法测量材料的真应力－塑性应变曲线，然后根据材料的数值试验模型计算对应的应力三轴度η和洛德角参数，材料的数值试验模型需要采用硬化模型拟合外延并结合软件仿真对标得到，即需要构建复杂的本构模型，计算量大，计算转化过程中对准确性要求较高，受人为因素影响较大，实用性较差，并且该方法不适用于对板状试样的应力三轴度测量。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对现有测试方法测量应力三轴度中存在的问题，提供一种测量材料试样拉伸断裂试验过程中应力三轴度的方法，本发明的方法无需构建复杂的本构模型，可直接通过试验测量结果即可进行应力三轴度的分析计算，其结果更依赖试验结果而不是人为计算，其更具备真实性和准确性，并且更适合用来进行板状试样在拉伸断裂试验中应力三轴度的测量，克服了现有技术的不足。
本发明采用的技术方案如下：一种测量材料试样拉伸断裂试验过程中应力三轴度的方法，包括以下步骤：
A、采用标准方法对材料试样进行拉伸断裂试验；
B、采用DIC方法测量出拉伸断裂试验中材料试样上某点的主应变增量、次应变增量和等效应变；
C、通过材料假定及转换公式获得该点在试验过程中应力三轴度随等效应变增加的变化趋势，获得该材料试样的应力三轴度－等效应变曲线；
D、对获得的应力三轴度－等效应变曲线进行平均化处理，通过平均化计算即得到该材料试样的应力三轴度。
进一步，在步骤B中，采用DIC测量材料试样在拉伸断裂试验过程中的变形，然后提取材料试样变形中心的主应变增量、次应变增量及等效塑性应变信息。
进一步，在步骤C中，根据公式(1)计算该点应力三轴度随等效应变增加的变化趋势，所述公式(1)如下所示：
公式(1)中，η为应力三轴度，dε1为平面内主应变增量，dε2表示平面内次应变增量。
在本发明中，对于公式(1)的建立，发明人是基于假定材料服从米塞斯屈服准则、德鲁克公设和正则流动性准则得到的。
具体地，第一个假定：假定材料初始屈服面及后继屈服面服从于米塞斯屈服准则，且为各向同性硬化准则。米塞斯屈服准则：1913年，Mises提出了一种基于应力偏张量第二不变量的各向同性屈服准则(米海珍，胡燕妮.塑性力学[M].北京：清华大学出版社，2014：66)，其公式为：
式中，σ1、σ2、σ3分别为第一、第二、第三主应力，为等效应力，J2为第二偏应力偏量不变量。
第二个假定：假定材料服从德鲁克公设。德鲁克公设：材料的物质微元在应力空间任意应力闭循环中的余功非正时，此材料满足德鲁克公设(米海珍，胡燕妮.塑性力学[M].北京：清华大学出版社，2014：87－93)。由此可得到3个推论：①材料是稳定的；②屈服面外凸；③材料服从正交流动法则。第三个假定(正交流动法则)：如果屈服面/加载面处处正则，即在屈服面/加载面上的任何点处只有唯一的外法线，则塑性应变增量与屈服面/加载面的外法线平行且同向(米海珍，胡燕妮.塑性力学[M].北京：清华大学出版社，2014：91－93)。正交流动法则认为主应变方向与后继屈服面上该点的外法线方向一致，因此主应变可以通过后继屈服面对主应力方向的偏导和塑性模量求得。基于上述两个假定，可得主应变增量与主应力的关系为：
对三个主应变求偏导，因为弹性应变远远小于塑性应变，可忽略弹性应变再结合洛德参数与三个主应力存在的转换关系(米海珍，胡燕妮.塑性力学[M].北京：清华大学出版社，2014：52－54)，可获得主应变增量与洛德参数的关系，如下所示：
式中，dε2 p、dε2 p、dε2 p分别为三个塑性主应变的增量，L为洛德参数。平面应力状态下，洛德参数与应力三轴度存在转换关系：
η取值(－0.33，0.67)时，有：
公式(1)中，η为应力三轴度，dε1为平面内主应变增量，dε2表示平面内次应变增量。
进一步，在步骤C中，通过公式(2)进行平均化处理，所述公式(2)如下所示：
公式(2)中，ηav为平均应力三轴度，表示断裂失效应变，/>表示塑性应变累积量。
在本发明中，所述材料试样为板状试样，在板状试样的拉伸断裂试验中，测量某点的次应变与主应变。由公式(1)可得，通过测量板状试样某点的次应变与主应变的增量即可计算出该点的应力三轴度。
在发明中，所述标准方法采用国标GB/T228.1－2010金属材料拉伸试验第1部分的室温试验方法。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明的方法得到的结果与传统方法得到的结果近似，偏差极小，说明两种方法得到的结果没有较大分歧，进而证明了本发明的方法的准确性和可行性；
2、本发明的方法无需构建复杂的本构模型，可直接通过试验测量结果即可进行应力三轴度的分析计算，其结果更依赖试验结果而不是人为计算，其更具备真实性和准确性，并且更适合用来进行板状试样在拉伸断裂试验中应力三轴度的测量，克服了现有技术的不足；
3、本发明的方法可以进行编程，可实现智能化操作。
附图说明
图1是对比例中纯剪切拉伸试验试样仿真与试验对标力－变形曲线示意图；
图2是对比例中R5缺口拉伸试样仿真与试验对标力－变形曲线示意图；
图3是对比例中R10缺口拉伸试样仿真与试验对标力－变形曲线示意图；
图4是对比例从仿真结果中提取该材料变形最大单元在变形过程中的相应应力信息示意图；
图5是对比例中纯剪切试样应力三轴度－等效应变曲线示意图；
图6是对比例中R5缺口拉伸试样应力三轴度－等效应变曲线示意图；
图7是对比例中R10缺口拉伸试样应力三轴度－等效应变曲线示意图；
图8是实施例采用DIC方法测量纯剪切试样在试验过程中的变形情况示意图；
图9是实施例采用DIC方法测量R5缺口拉伸试样在试验过程中的变形情况示意图；
图10是实施例采用DIC方法测量R10缺口拉伸试样在试验过程中的变形情况示意图；
图11是实施例采用DIC方法测量R10缺口拉伸试样主应变信息情况示意图；
图12是实施例采用DIC方法测量R10缺口拉伸试样次应变信息情况示意图；
图13是实施例采用DIC方法测量R10缺口拉伸试样等效塑性应变信息情况示意图；
图14是实施例中纯剪切试样应力三轴度－等效应变曲线示意图；
图15是实施例中R5缺口拉伸试样应力三轴度－等效应变曲线示意图；
图16是实施例中R10缺口拉伸试样应力三轴度－等效应变曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
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。
试验材料：实施例和对比例所用试验材料均为DH780钢试样，试样类型分别为国标标准的纯剪切拉伸试验试样、R5缺口拉伸试样、R10缺口拉伸试样三种，形状尺寸可参考专利CN11098621A的说明书附图3，试验方法参考国标GB/T228.1－2010金属材料拉伸试验第1部分的室温试验方法。
对比例
通过国标GB/T228.1－2010金属材料拉伸试验第1部分的室温试验方法获得材料试样单向拉伸力－变形曲线并进行软件仿真，仿真结果如图1－图3所示，其中，每个类型的材料试样均进行设置为三组，然后再仿真。
然后通过仿真软件建立该材料的本构模型，并从仿真结果中提取试样上某点的应力三轴度在试验过程中的变化趋势。具体地，如图4所示，从仿真结果中提取该材料变形最大单元在变形过程中的相应应力信息，通过公式(8)转化为相应的应力三轴度，并采用公式(2)进行平均化。公式(8)如下：
式中，σ1、σ2、σ3分别为第一、第二、第三主应力，为米赛斯等效应力，σm为静水压力，η为应力三轴度。
公式(2)如下：
公式(2)中，ηav为平均应力三轴度，表示断裂失效应变，/>表示塑性应变累积量。
该材料试样的应力三轴度－等效应变曲线如图5－7所示。
实施例
S1、依然采用对比例中的三种材料试样，采用相同的标准方法对材料试样进行拉伸断裂试验；然后通过DIC(数字图像法)方法测量出拉伸断裂试验中材料试样在试验过程中的变形，如图8－10所示。
S2、通过DIC(数字图像法)方法提取试样变形中心的主应变、次应变和等效应变信息，以R10材料试样为例，信息提取情况如图11－13所示；
S3、通过公式(1)获得该点在试验过程中应力三轴度随等效应变增加的变化趋势，获得该材料试样的应力三轴度－等效应变曲线；
S4、对获得的应力三轴度－等效应变曲线进行平均化处理，平均化公式采用公式(2)，通过平均化计算即得到该材料试样的应力三轴度，材料试样的应力三轴度－等效应变曲线如图14－16所示。
对比例的方法与实施例的方法计算结果如表1所示：
表1三种材料试样应力三轴度η的计算值
由表1得到，本发明的方法得到的结果与传统方法得到的结果近似，偏差极小，说明两种方法得到的结果没有较大分歧，进而证明了本发明的方法的准确性和可行性。同时由此说明，本发明的方法无需构建复杂的本构模型，可直接通过试验测量结果即可进行应力三轴度的分析计算，其结果更依赖试验结果，更具备真实性和准确性，尤其适合用来进行板状试样在拉伸断裂试验中应力三轴度的测量。
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 (5)

1.一种测量材料试样拉伸断裂试验过程中应力三轴度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、采用标准方法对材料试样进行拉伸断裂试验；
B、采用DIC方法测量出拉伸断裂试验中材料试样上某点的主应变增量、次应变增量和等效应变；
C、通过材料假定及转换公式获得该点在试验过程中应力三轴度随等效应变增加的变化趋势，获得该材料试样的应力三轴度-等效应变曲线；其中，根据公式(1)计算该点应力三轴度随等效应变增加的变化趋势，所述公式(1)如下所示：
公式(1)中，η为应力三轴度，dε1为平面内主应变增量，dε2表示平面内次应变增量；
D、对获得的应力三轴度-等效应变曲线进行平均化处理，通过平均化计算即得到该材料试样的应力三轴度；其中，通过公式(2)进行平均化处理，所述公式(2)如下所示：
公式(2)中，ηav为平均应力三轴度，表示断裂失效应变，/>表示塑性应变累积量。
2.如权利要求1所述的测量材料试样拉伸断裂试验过程中应力三轴度的方法，其特征在于，在步骤B中，采用DIC测量材料试样在拉伸断裂试验过程中的变形，然后提取材料试样变形中心的主应变增量、次应变增量及等效塑性应变信息。
3.如权利要求1所述的测量材料试样拉伸断裂试验过程中应力三轴度的方法，其特征在于，所述材料试样为板状试样，在板状试样的拉伸断裂试验中，通过测量板状试样某点的次应变增量与主应变增量即可计算出该点的应力三轴度。
4.如权利要求1所述的测量材料试样拉伸断裂试验过程中应力三轴度的方法，其特征在于，所述标准方法采用国标GB/T228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分的室温试验方法。
5.如权利要求1所述的测量材料试样拉伸断裂试验过程中应力三轴度的方法，其特征在于，在步骤C中，假定材料服从米塞斯屈服准则、德鲁克公设和正则流动性准则。
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