CN115798644A - 一种高温合金薄板弯曲极限测试与裂纹判别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高温合金薄板弯曲极限测试与裂纹判别方法，首先进行单向拉伸试验建立准确描述材料力学行为的本构模型；之后结合本构模型和屈服准则开展弯曲回弹试验，对弯曲回弹过程进行模拟仿真；根据所确定的本构模型和屈服准则，开展90°弯曲回弹模拟仿真，获得不同凸模圆角条件下凸模的下压量；对试样毛坯进行正反两面的90°弯曲试验，依据仿真结果设置试验的冲头下压量，测量弯曲角度；观察弯曲区是否有裂纹；最后开展180°弯曲试验，测量弯曲角度，并观察弯曲区是否有裂纹，如果试样尚未破裂，进行重合弯曲试验；本发明为实验提供理论指导，精确控制高温合金薄板弯曲的角度，提高工作效率，更进一步判别裂纹，保证产品质量。
Description
技术领域
本发明属于高温合金薄板成形性能测试与应用技术评价领域，涉及一种高温合金薄板弯曲极限测试与裂纹判别方法。
背景技术
随着材料合成技术的不断发展，材料性能越来越高，以铁、镍、钴为基的高温合金能在高温及一定应力作用下长期工作，具有较高的高温强度，良好的抗氧化性和抗腐蚀性能，良好的疲劳性能和断裂韧性。高温合金广泛应用于航空、航天、石油、化工、舰船等领域，并且主要应用在如航空发动机火箭筒、燃料室等关键部件上。很多高温合金零件需要经过弯曲工艺后使用，对高温合金的疲劳强度有着极高的要求。
在现有高温合金弯曲技术中，主要依靠工人师傅的经验，通过控制冲头的下压量成形所需弯曲角度，但高温合金薄板弯曲存在回弹现象，难以保证弯曲角的精度。同时现有弯曲试验对弯曲区的裂纹判别较少，裂纹的判别至关重要，关系零件的疲劳强度，传统方法主要是通过目测或者传统的光学检测，难以判别出弯曲区微小裂纹，传统方法的缺陷不容忽视。
发明内容
本发明的目的是：提出一种高温合金薄板弯曲极限测试与裂纹判别方法，通过对高温合金薄板进行弯曲试验，充分考虑到加工过程中回弹对弯曲角度的影响，探究合适的冲头下压量保证弯曲角精度。同时使用高倍光学显微镜判别弯曲区裂纹，为获得高温合金板料最小相对弯曲半径提供理论指导。
为解决此技术问题，本发明的技术方案是：
提供一种高温合金薄板弯曲极限测试与裂纹判别方法，所述方法步骤如下：
一、进行单向拉伸试验建立准确描述材料力学行为的本构模型：
选用高温合金薄板材料，按照国标《GB/T228-2010金属材料拉伸试验室温试验方法》进行单向拉伸试验，建立可以准确描述其力学行为的本构模型，为选取合适的材料模型进行模拟提供支持；
二、将高温合金材料加工成矩形试件，开展60°“V”形弯曲回弹试验，对弯曲回弹过程进行模拟仿真：
将仿真结果与实验结果进行对比，直至仿真精度在可接受范围内；判别选用的本构模型和屈服准则是否可靠；
三、依据标准开展90°弯曲回弹模拟仿真，获得不同凸模圆角条件下凸模的下压量；为弯曲试验提供参考依据，在模拟时，可以根据成形极限判别在弯曲过程中是否出现破裂；
四、对试样毛坯进行正反两面的90°弯曲试验和180°弯曲试验，依据仿真结果设置试验的冲头下压量，实验结束取下高温合金薄片，测量弯曲角度；根据中华人民共和国航空工业部部标准，金属薄板成形性能弯曲试验的原理，需要进行90°和180°的弯曲试验
五、观察弯曲区是否有裂纹：
有裂纹，则增大一级凸模重复步骤三、四；航标中有凸模圆角半径的等级，可以依据航标选取；
无裂纹，判断凸模半径是否有增大，如果有增大，则此时的凸模半径即为最小相对弯曲半径Rmin，试验结束；如果没有增大过，执行步骤六；
六、减小一级凸模圆角半径，进行弯曲回弹仿真：
若成形极限图破裂，则减小前的凸模圆角半径为Rmin,试验结束；
若成形极限图没有破裂，进行90°和180°弯曲试验，观察弯曲区是否有裂纹，若有裂纹，则减小前的凸模圆角半径为Rmin，试验结束。
若没有裂纹，判断此时凸模圆角半径是否达航标中的最小值，若没有达到，重复步骤六；若达到，则进行重合弯曲试验，试验结束。
无裂纹说明最小相对弯曲半径极小，弯曲性能好。
步骤三中依据标准为航标《HB6140.5-87金属薄板成形性试验方法》，使用有限元软件进行90°弯曲回弹模拟仿真；
步骤三中所述模拟仿真以弯曲回弹后的弯角为90°±1°作为标准。
步骤一中常规选择高温合金薄板材料厚度为1～10mm。
步骤二中矩形试件规格依据模具尺寸选择，并在电子万能试验机上进行弯曲回弹试验。
在优选的方案中，步骤四中采用电子万能试验机对试样毛坯进行正反两面的90°弯曲试验。
在优选的方案中，步骤五、步骤六中采用高倍光学显微镜判别弯曲区裂纹。
本发明的有益效果是：
本发明方法通过对高温合金薄板进行弯曲试验，充分考虑到加工过程中回弹对弯曲角度的影响，探究合适的冲头下压量保证弯曲角精度。同时使用高倍光学显微镜判别弯曲区裂纹，为获得高温合金板料最小相对弯曲半径提供理论指导，其显著点如下：
(a)精确控制弯曲角度。本发明通过在有限元软件中建立材料模型，考虑到高温合金薄板弯曲卸载后会产生回弹，进行高温合金薄板的弯曲模拟仿真，可以得到一个下压量，为实验提供理论指导，精确控制高温合金薄板弯曲的角度，提高工作效率。
(b)判断是否破裂或出现裂纹。传统的目测或用普通显微镜观察弯曲区的裂纹容易受到人的主观因素的影响，本发明试验前，用有限元模拟，可以根据成形极限判别在弯曲过程中是否出现破裂；在试验中，观察位移载荷曲线，曲线下降表明失稳，有裂纹出现或破裂；在试验后，使用高倍光学显微镜对高温合金薄片弯曲区外表面进行仔细观察，可以更进一步判别裂纹，保证产品质量。
(c)仿真与实验相结合确定弯曲极限。传统的弯曲极限测试采用实验方法反复尝试，本发明通过单拉与成形极限基础实验、模拟仿真与物理实验相结合的方法，在测试之前确定弯曲角度实验范围，能够有效降低测试周期，提高测试效率。
附图说明
图1为本发明实施方法的流程图；
图2为本发明本构模型的理论预测与实验结果的对比图；
图3为本发明“V”形弯曲回弹前后的装置与弯曲角；
图4为本发明“V”形弯曲有限元模型；
图5为本发明“V”形弯曲回弹的模拟与实验结果的对比；
图6为本发明90°弯曲示意图；
图7为本发明90°弯曲有限元模型；
图8为本发明90°弯曲模拟结果；
图9为本发明90°弯曲试验装置；
图10为本发明90°弯曲试验结果；
图11为本发明弯曲区无裂纹图；
图12为本发明弯曲区有裂纹图；
图中，1-凸模；2-试样；3-凹模；4-底座。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1所示为本发明的一种高温合金薄板弯曲极限测试与裂纹判别方法的流程图，步骤如下：
(A)选用一种高温合金薄板材料，按照国标《GB/T228-2010金属材料拉伸试验室温试验方法》进行单向拉伸试验，并建立可以准确描述其力学行为的本构模型，为选取合适的材料模型进行模拟提供支持。
(B)将高温合金材料加工成矩形试件，在电子万能试验机上，进行60°“V”形弯曲试验；
(C)结合所建立的本构模型，选用合适的屈服准则，使用有限元软件进行“V”形弯曲回弹仿真，将仿真结果与实验结果进行对比，判别选用的本构模型和屈服准则是否可靠；
(D)根据上一步所确定的本构模型和屈服准则，依据航标《HB6140.5-87金属薄板成形性试验方法》(以下简称航标)，使用有限元软件进行90°弯曲和180°弯曲回弹模拟仿真，以弯曲回弹后的弯角为90°±1°作为标准，得到不同凸模圆角条件下凸模的下压量，为弯曲试验提供参考依据。在模拟时，可以根据成形极限判别在弯曲过程中是否出现破裂。
(E)依据航标，使用电子万能试验机对试样毛坯进行正反两面的90°弯曲试验，依据步骤(D)仿真结果设置试验的冲头下压量，实验结束取下高温合金薄片，测量弯曲角度。
(F)使用高倍光学显微镜对弯曲区外表面仔细观察，如果出现裂纹，则应改大一级凸模重复进行步骤(D)(E)直至没有裂纹出现。
(G)重合弯曲试验。当180°弯曲试验后弯曲区没有裂纹，则此时的凸模半径为最小相对弯曲半径值Rmin,进行重合弯曲试验。进行180°弯曲和重合弯曲试验的时候，依据上述方法进行模拟与试验，判断是否出现裂纹，方法同上。
下面以1mm厚的高温合金GH4169板料为例，结合附图2至12对本发明进一步阐述，具体过程如下：
(A)按照GB/T 228.1-2010标准设计单向拉伸试件形状和尺寸如图2所示。将高温合金GH4169板材沿与轧制方向成0°、45°、90°方向加工成一定形状及尺寸，在MTS电子拉伸试验机上进行单轴静态拉伸试验。每组试验重复进行3次后取平均值，初始屈服应力为0.2％塑性应变所对应的应力，计算得到三个方向的初始屈服应力，采用Voce++模型对轧制方向真实应力-真实塑性应变曲线进行拟合，其表达式为：
其中，σs，A,B,C,m均为拟合参数，如图3所示，理论曲线可以精确地描述实验结果。
(B)将高温合金GH4169板料加工成150mm×30mm的矩形试件，在电子万能试验机上，进行60°的“V”形弯曲回弹试验，弯曲装置示意图如图3(a)所示，冲头下移速率为5mm/mim，实验结束后取下试件并测量其回弹后角度为65°，如图3(b)所示。
(C)使用上述所建立的本构模型，选用Hill48屈服准则，在Dynaform中进行“V”形弯曲回弹仿真，有限元仿真模型如图4所示(图中R5为凸模与凹模的圆角半径)，将仿真结果跟上述实验结果进行对比，如图5所示，发现仿真回弹后角度为65.5°，与实验结果接近，误差在可接受的范围内，所建立的仿真模型可靠。
(D)根据上述本构模型与屈服准则，使用Dynaform进行高温合金GH4169板材的90°弯曲回弹仿真。依据航标《HB6140.5-87金属薄板成形性试验方法》(以下简称航标)，试样宽度为50±0.5mm，长度为150±2.0mm，选取凸模圆角为R＝2.5mm，凹模块圆角半径rd＝2.0mm，两个凹模块之间的跨距B＝8mm，如图6所示(图中B为两凹模块之间的跨距，S为冲头下压量)，建立的有限元模型如图7所示。
(E)通过调整冲头下压位移，使得正反弯曲回弹后的弯曲角在90°±1°范围内。当冲头下压量为2.95mm时，正面弯曲回弹后的弯曲角度为89.2°；当冲头下压量为2.82mm时，反面弯曲回弹后的弯曲角度为90.6°，如图8所示，观察成形极限图，弯曲区没有破裂，弯曲角在公差范围内，符合航标。
(F)依据航标，使用电子万能试验机进行90°弯曲试验，如图9所示。取冲头的下压量为上述仿真下压量，冲头下移速率为5mm/min，当下压量达到预设值时，实验结束，取下试件，用量角器测量卸载回弹后的弯曲区的角度，测量结果如图10所示，弯曲角度在误差允许范围内，实验结果与模拟结果取得较好的一致性，同时进行180°弯曲试验。
(G)使用高倍光学显微镜对弯曲区外表面仔细观察，发现弯曲区表面相对光滑平整，如图11所示，没有裂纹，减小一级凸模圆角半径，重复步骤(D)、(E)和(F)，使用高倍光学显微镜对弯曲区外表面仔细观察，直到成形极限图或试验结果出现裂纹，此时破裂前一次的凸模圆角半径为Rmin，试验结束；
若一直没有破裂，进行重合弯曲试验，试验结束。
如果弯曲表面凹凸不平，出现微小裂纹，如图12所示，则在航标中选择增大一级凸模圆角半径(航标中有凸模半径的选取值)重复进行步骤(D)(E)(F)直至没有裂纹出现，则此时凸模圆角半径为Rmin，试验结束。
本发明通过在有限元软件中建立材料模型，考虑到高温合金薄板弯曲卸载后会产生回弹，进行高温合金薄板的弯曲回弹仿真，可以得到一个下压量，为实验提供理论指导，精确控制高温合金薄板弯曲的角度，提高工作效率。
Claims (8)
1.一种高温合金薄板弯曲极限测试与裂纹判别方法，其特征在于：所述方法步骤如下：
一、进行单向拉伸试验建立准确描述材料力学行为的本构模型：
选用高温合金薄板材料，按照国标《GB/T228-2010金属材料拉伸试验室温试验方法》进行单向拉伸试验，建立可以准确描述其力学行为的本构模型，为选取合适的材料模型进行模拟提供支持；
二、将高温合金材料加工成矩形试件，开展60°“V”形弯曲回弹试验，对弯曲回弹过程进行模拟仿真，将仿真结果与实验结果进行对比，直至仿真精度在可接受范围内；判别选用的本构模型和屈服准则是否可靠：
三、依据标准开展90°弯曲回弹模拟仿真，获得不同凸模圆角条件下凸模的下压量；为弯曲试验提供参考依据，在模拟时，可以根据成形极限判别在弯曲过程中是否出现破裂；
四、对试样毛坯进行正反两面的90°弯曲试验，依据仿真结果设置试验的冲头下压量，实验结束取下高温合金薄片，测量弯曲角度，同时进行180°弯曲试验；
五、观察弯曲区是否有裂纹：
有裂纹，则增大一级凸模重复步骤三、四；
无裂纹，判断凸模半径是否有增大，如果有增大，则此时的凸模半径即为最小相对弯曲半径Rmin，试验结束；如果没有增大过，执行步骤六；
六、减小一级凸模圆角半径，进行弯曲回弹仿真：
若成形极限图破裂，则减小前的凸模圆角半径为Rmin,试验结束；
若成形极限图没有破裂，进行90°和180°弯曲试验，观察弯曲区是否有裂纹，若有裂纹，则减小前的凸模圆角半径为Rmin，试验结束。
若没有裂纹，判断此时凸模圆角半径是否达航标中的最小值，若没有达到，重复步骤六；若达到，则进行重合弯曲试验，试验结束。
2.根据权利要求1所述的高温合金薄板弯曲极限测试与裂纹判别方法，其特征在于：步骤三中依据标准为航标《HB6140.5-87金属薄板成形性试验方法》。
3.根据权利要求1所述的高温合金薄板弯曲极限测试与裂纹判别方法，其特征在于：步骤三中使用有限元软件进行90°弯曲回弹模拟仿真。
4.根据权利要求1所述的高温合金薄板弯曲极限测试与裂纹判别方法，其特征在于：步骤三中所述模拟仿真以弯曲回弹后的弯角为90°±1°作为标准。
5.根据权利要求1所述的高温合金薄板弯曲极限测试与裂纹判别方法，其特征在于：所述步骤一中高温合金薄板材料厚度为1～10mm。
6.根据权利要求1所述的高温合金薄板弯曲极限测试与裂纹判别方法，其特征在于：步骤二中矩形试件规格依据模具尺寸范围确定，在电子万能试验机上进行弯曲回弹试验。
7.根据权利要求1所述的高温合金薄板弯曲极限测试与裂纹判别方法，其特征在于：步骤四中采用电子万能试验机对试样毛坯进行正反两面的90°弯曲试验。
8.根据权利要求1所述的高温合金薄板弯曲极限测试与裂纹判别方法，其特征在于：步骤五、步骤六中采用高倍光学显微镜判别弯曲区裂纹。
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