CN116381180A - 一种直接测定金属薄壁管面内各向异性系数的实验方法 - Google Patents

一种直接测定金属薄壁管面内各向异性系数的实验方法 Download PDF

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CN116381180A CN202310197481.9A CN202310197481A CN116381180A CN 116381180 A CN116381180 A CN 116381180A CN 202310197481 A CN202310197481 A CN 202310197481A CN 116381180 A CN116381180 A CN 116381180A
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林艳丽
苏一博
陈柯霖
何祝斌
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Abstract

本发明提供一种直接测定金属薄壁管面内各向异性系数的实验方法，属于金属管材塑性加工领域，可解决薄壁管面内非主轴方向各向异性系数无法直接通过实验测定的难题。包括如下步骤：根据待测薄壁管尺寸，确定带孔实验试样的形状和尺寸；实验试样沿薄壁管环向的最大长度应不大于待测薄壁管环向截面周长的一半；按照实验试样形状和尺寸，从待测薄壁管上截取实验试样；根据实验试样的形状和尺寸，确定实验所需的冲头、凹模和压边圈的形状和尺寸，设计实验模具；利用实验模具的冲头以一定速度下行至实验试样小孔完成变形；获得试样小孔边缘的特征参量；利用所获得的小孔边缘特征参量，确定薄壁管面内各个方向的各向异性系数。

Description

一种直接测定金属薄壁管面内各向异性系数的实验方法
技术领域
本发明涉及金属管材塑性加工领域，特别是涉及一种直接测定金属薄壁管面内各向异性系数的实验方法。
背景技术
金属薄壁管为中空结构，重量轻，具有良好的力学性能和可成形性，可经过塑性加工制造成各类复杂空心变截面整体构件。该类构件具有良好的抗弯抗扭性能、显著的减重效果等，被广泛应用于航空、航天、汽车等领域。常见的金属薄壁管制造工艺有轧制、挤压和拉拔等，在制造过程中材料在一定方向上经受同向的大变形，各晶粒将逐渐向同一个方向转动，形成所谓的择优方向，导致所制造的薄壁管具有明显的面内各向异性。这种各向异性特性一般由各向异性系数表征，而各向异性系数是准确构建金属薄壁管塑性本构模型的关键参数。
现有金属管材力学性能测试方法主要有：管材轴向单拉实验、管材环向拉伸实验、管材自由胀形实验和管材双轴可控加载实验等。管材轴向单拉实验能测得管材轴向的各向异性系数，管材环向拉伸实验能获得管材环向的各向异性系数，管材自由胀形实验和管材双轴可控加载实验能获得双向应力状态应力-应变曲线，但上述方法均无法测定薄壁管非主轴方向(非轴向、非环向)各向异性系数。无法准确获得非主轴方向各向异性系数，成为准确构建面内各向异性金属薄壁管塑性本构模型的瓶颈难题。因此，如何准确获得管材面内任意方向的各向异性系数，是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种可直接测定金属薄壁管面内任意方向各向异性系数的实验方法，以解决上述现有技术存在的问题，该实验能够直接反映出金属薄壁管面内任意方向的塑性变形情况，从而可以直接测定金属薄壁管面内任意方向的各向异性系数。
为了实现上述目的，本发明提供一种直接测定金属薄壁管面内各向异性系数的实验方法，包括如下步骤：
步骤一、根据待测薄壁管尺寸，确定带孔实验试样的形状和尺寸。实验试样沿薄壁管环向的最大长度应不大于待测薄壁管环向截面周长的一半；
步骤二、按照步骤一中确定的实验试样形状和尺寸，从待测薄壁管上截取实验试样；
步骤三、根据实验试样的形状和尺寸，确定实验所需的冲头、凹模和压边圈的形状和尺寸，设计实验模具；
步骤四、将实验试样放置于模具凹模顶部，实验试样的小孔中心与凹模中心孔同轴，压边圈放置于实验试样顶部适配位置，冲头与凹模中心孔同轴放置，冲头以一定速度下行至实验试样小孔完成变形；
步骤五、获得试样小孔边缘的特征参量；
步骤六、利用步骤五中所获得的小孔边缘特征参量，确定薄壁管面内各个方向的各向异性系数。
优选地，步骤一中，薄壁管材质为金属，如铝合金、低碳钢、镁合金、高强钢、高温合金；
优选地，步骤一中，带孔实验试样形状的确定方法如下：根据实验需求，实验试样在展平后的外轮廓为特定形状，如圆形、椭圆形、矩形；实验试样上的小孔在展平后为封闭的特定形状，如圆形、椭圆形；
优选地，步骤二中，可根据实验条件优选合适的加工方式来截取实验试样，如电火花线切割、激光切割、端铣加工、水切割；
优选地，步骤四中，模具凹模中心孔尺寸大于实验试样小孔尺寸；
优选地，步骤四中，冲头下行时在观察到实验试样小孔边缘即将发生开裂或者冲头作用力突然下降时停止冲头下行，完成实验试样小孔变形；
优选地，步骤五中，试样小孔边缘的特征参量为应变、应变增量、壁厚或长度，可通过应变或壁厚或长度测量设备获得。若特征参量为应变，则可为环向应变、厚向应变或径向应变；若特征参量为应变增量，则可为环向应变增量、厚向应变增量或径向应变增量；若特征参量为壁厚或长度，则可为小孔边缘厚度、环向长度或径向长度；
优选地，步骤五中，获得小孔边缘特征参量包括在实验中和实验后获得小孔边缘特征参量；
优选地，步骤六中，根据所获得的小孔边缘特征参量，选择合适的薄壁管面内各个方向的各向异性系数确定方式：
当步骤五获得了试样小孔边缘与轴向夹角为
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方向的径向应变分量/>
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和厚向应变分量/>
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时，则与轴向夹角为/>
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方向的各向异性系数/>
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可按如下方式计算：
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当步骤五获得了试样小孔边缘与轴向夹角为
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方向的环向应变分量/>
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和厚向应变分量/>
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可按如下方式计算：
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可按如下方式计算：
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当步骤五获得了试样小孔边缘与轴向夹角为
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可按如下方式计算：
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当步骤五获得了试样小孔边缘与轴向夹角为
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可按如下方式计算：
Figure BDA00041076956700000418
当步骤五获得了小孔边缘壁厚或长度特征参量时，先通过厚度或长度变化计算厚向应变或环向应变或径向应变，再通过应变确定薄壁管面内各个方向的各向异性系数。
本发明相对于现有技术取得了以下有益效果：
(1)能直接通过实验获得薄壁管非主轴方向的各向异性系数
Figure BDA00041076956700000419
解决薄壁管非主轴方向各向异性系数至今无法直接通过实验测定的难题。
(2)能通过一个实验实现薄壁管面内任意方向各向异性系数的测定，为准确建立能全面反映薄壁管面内各向异性塑性流动特性的薄壁管塑性本构关系提供重要支撑，进而为成形复杂空心变截面整体构件奠定理论基础。
(3)利用本方法中所涉及的实验方法可揭示各种典型薄壁管面内各向异性特性，包括挤压薄壁管、拉拔薄壁管、轧制薄壁管、旋压薄壁管以及各种经过变径处理的薄壁管等。
(4)本方法中所涉及的实验原理简单，实验试样保持待测薄壁管空间曲率，不会引入额外预应变产生实验误差。
(5)本方法中所涉及的实验方法简单，不需要复杂的控制系统，操作者容易上手。
(6)本方法中所涉及的实验可用于确定各种金属材质的薄壁管的面内各向异性系数，如铝合金、钛合金、镁合金、高强钢等管材，适用范围广泛。
(7)本方法中所涉及的实验方法既可以用于确定无缝金属薄壁管的面内各向异性系数，又可以用于确定有缝金属薄壁管的面内各向异性系数。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的直接测定金属薄壁管面内各向异性系数的实验方法流程示意图；
图2为本发明的直接测定金属薄壁管面内各向异性系数的实验方法中待测薄壁管的示意图，并定义了管材的轴线、环向以及与轴向夹角
Figure BDA0004107695670000051
图3(a)为本发明的直接测定金属薄壁管面内各向异性系数的实验方法中从待测薄壁管上裁切得到的实验试样示意图，图3(b)为该实验试样的圆形展平图；
图4(a)为本发明的直接测定金属薄壁管面内各向异性系数的实验方法中从待测薄壁管上裁切得到的实验试样示意图，图4(b)为该实验试样的椭圆形展平图；
图5(a)为本发明的直接测定金属薄壁管面内各向异性系数的实验方法中从待测薄壁管上裁切得到的实验试样示意图，图5(b)为该实验试样的矩形展平图；
图6(a)为本发明的直接测定金属薄壁管面内各向异性系数的实验方法中实验试样上圆形小孔示意图，图6(b)为实验试样上椭圆形小孔示意图；
图7为本发明的直接测定金属薄壁管面内各向异性系数的实验方法中实验完成后实验试样的示意图；
图8为本发明的直接测定金属薄壁管面内各向异性系数的实验方法实施例中所测得的待测薄壁管面内各向异性系数的示意图。
其中，H为实验试样展开后沿着环向的最大长度，Z为实验试样展开后沿着轴向的最大长度，K为实验试样展开后小孔最小直径。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动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。
本发明的目的是通过这种测定金属薄壁管面内各向异性系数的实验方法来解决目前管材面内非主轴方向(非轴向、非环向)各向异性系数无法测定的问题。
为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明所提出的直接测定金属薄壁管面内各向异性系数的实验方法的具体实施步骤如下：
步骤一、根据待测薄壁管(图2)尺寸，确定带孔实验试样的形状和尺寸。实验试样沿薄壁管环向的最大长度H应不大于待测薄壁管环向截面周长的一半。假设待测薄壁管的初始外径为D0，初始壁厚为t0，在图3(a)和图3(b)中实验试样上小孔的直径K应大于薄壁管初始壁厚，则H≤πD0/2、K＞t0；
步骤二、按照步骤一中确定的实验试样形状和尺寸，从待测薄壁管上截取实验试样；
步骤三、根据实验试样的形状和尺寸，确定实验所需的冲头、凹模和压边圈的形状和尺寸，设计实验模具；
步骤四、将实验试样放置于模具凹模顶部，实验试样的小孔中心与凹模中心孔同轴，压边圈放置于实验试样顶部适配位置，冲头与凹模中心孔同轴放置，冲头以一定速度下行至实验试样小孔完成变形；
步骤五、获得试样小孔边缘的特征参量；
步骤六、利用步骤五中所获得的小孔边缘特征参量，确定薄壁管面内各个方向的各向异性系数(图8)；
优选地，步骤一中，薄壁管材质为金属，如铝合金、低碳钢、镁合金、高强钢、高温合金；
优选地，步骤一中，带孔实验试样形状的确定方法如下：根据实验需求，实验试样在展平后的外轮廓为特定形状，如圆形(图3(a)、图3(b))、椭圆形(图4(a)、图4(b))、矩形(图5(a)、图5(b))；实验试样上的小孔在展平后为封闭的特定形状，如圆形(图6(a))、椭圆形(图6(b))；
优选地，步骤二中，可根据实验条件优选合适的加工方式来截取实验试样，如电火花线切割、激光切割、端铣加工、水切割；
优选地，步骤四中，模具凹模中心孔尺寸大于实验试样小孔尺寸；
优选地，步骤四中，冲头下行时在观察到实验试样小孔边缘即将发生开裂或者冲头作用力突然下降时停止冲头下行，完成实验试样小孔变形；
优选地，步骤五中，试样小孔边缘的特征参量为应变、应变增量、壁厚或长度，可通过应变或壁厚或长度测量设备获得。若特征参量为应变，则可为环向应变、厚向应变或径向应变；若特征参量为应变增量，则可为环向应变增量、厚向应变增量或径向应变增量；若特征参量为壁厚或长度，则可为小孔边缘厚度、环向长度或径向长度；
优选地，步骤五中获得小孔边缘特征参量包括在实验中和实验后获得小孔边缘特征参量；
优选地，步骤六中，根据所获得的小孔边缘特征参量，选择合适的薄壁管面内各个方向的各向异性系数确定方式：
当步骤五获得了试样小孔边缘与轴向夹角为
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可按如下方式计算：
Figure BDA00041076956700000913
当步骤五获得了小孔边缘壁厚或长度特征参量时，先通过厚度或长度变化计算厚向应变或环向应变或径向应变，再通过应变确定薄壁管面内各个方向的各向异性系数。
实施例二：步骤四中冲头下行时可采用匀速加载或脉冲加载的方式完成实验。其他步骤与实施方式一相同。
实施例三：步骤五中可以利用数字图像相关法(简称：DIC)、静态应变测量仪或应变片确定变形后小孔边缘应变或应变增量。其他步骤与实施方式一相同。
实施例四：步骤五中可以通过DIC在试样小孔变形中实时测量试样小孔边缘的应变。其他步骤与实施方式一相同。
实施例五：步骤五中可以利用千分尺、超声波测厚仪确定变形前后小孔边缘厚度。其他步骤与实施方式一相同。
实施例六：步骤五中可以利用千分尺、游标卡尺、DIC确定变形前后小孔边缘长度。通过长度测量获得小孔边缘环向长度或径向长度。其他步骤与实施方式一相同。
实施例七：步骤五中可以通过实验试样小孔边缘初始壁厚和变形后壁厚确定小孔边缘的厚向应变，通过实验试样小孔边缘初始环向长度和变形后环向长度确定小孔边缘的环向应变，进一步可利用塑性变形时体积不变条件确定径向应变。其他步骤与实施方式一相同。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，但这些实施例只是本发明的一部分实施方式，并不是本发明的全部实施方式，也不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些变形和改进均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种直接测定金属薄壁管面内各向异性系数的实验方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、根据待测薄壁管尺寸，确定带孔实验试样的形状和尺寸；实验试样沿薄壁管环向的最大长度应不大于待测薄壁管环向截面周长的一半；
步骤二、按照步骤一中确定的实验试样形状和尺寸，从待测薄壁管上截取实验试样；
步骤三、根据实验试样的形状和尺寸，确定实验所需的冲头、凹模和压边圈的形状和尺寸，设计实验模具；
步骤四、将实验试样放置于模具凹模顶部，实验试样的小孔中心与凹模中心孔同轴，压边圈放置于实验试样顶部适配位置，冲头与凹模中心孔同轴放置，冲头以一定速度下行至实验试样小孔完成变形；
步骤五、获得试样小孔边缘的特征参量；
步骤六、利用步骤五中所获得的小孔边缘特征参量，确定薄壁管面内各个方向的各向异性系数。
2.根据权利要求1所述的一种直接测定金属薄壁管面内各向异性系数的实验方法，其特征在于，步骤一中，金属薄壁管材质可为铝合金、低碳钢、镁合金、高强钢或高温合金。
3.根据权利要求1所述的一种直接测定金属薄壁管面内各向异性系数的实验方法，其特征在于，步骤一中，带孔实验试样形状的确定方法如下：根据实验需求，实验试样在展平后的外轮廓为圆形、椭圆形或矩形；实验试样上的小孔在展平后为封闭的圆形或椭圆形。
4.根据权利要求1所述的一种直接测定金属薄壁管面内各向异性系数的实验方法，其特征在于，步骤二中，可根据实验条件优选合适的加工方式来截取实验试样，加工方式可为电火花线切割、激光切割、端铣加工或水切割。
5.根据权利要求1所述的一种直接测定金属薄壁管面内各向异性系数的实验方法，其特征在于，步骤四中，模具凹模中心孔尺寸大于实验试样小孔尺寸。
6.根据权利要求1所述的一种直接测定金属薄壁管面内各向异性系数的实验方法，其特征在于，步骤四中，冲头下行时在观察到实验试样小孔边缘即将发生开裂或者冲头作用力突然下降时停止冲头下行，完成实验试样小孔变形。
7.根据权利要求1所述的一种直接测定金属薄壁管面内各向异性系数的实验方法，其特征在于，步骤五中，试样小孔边缘的特征参量为应变、应变增量、壁厚或长度，可通过应变或壁厚或长度测量设备获得；若特征参量为应变，则可为环向应变、厚向应变或径向应变；若特征参量为应变增量，则可为环向应变增量、厚向应变增量或径向应变增量；若特征参量为壁厚或长度，则可为小孔边缘厚度、环向长度或径向长度。
8.根据权利要求1所述的一种直接测定金属薄壁管面内各向异性系数的实验方法，其特征在于，步骤五中，获得小孔边缘特征参量包括在实验中和实验后获得小孔边缘特征参量。
9.根据权利要求1所述的一种直接测定金属薄壁管面内各向异性系数的实验方法，其特征在于，步骤六中，根据所获得的小孔边缘特征参量，选择合适的薄壁管面内各个方向的各向异性系数确定方式：
当步骤五获得了试样小孔边缘与轴向夹角为
Figure FDA0004107695660000021
方向的径向应变分量/>
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和厚向应变分量/>
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时，则与轴向夹角为/>
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方向的各向异性系数/>
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可按如下方式计算：
Figure FDA0004107695660000026
当步骤五获得了试样小孔边缘与轴向夹角为
Figure FDA0004107695660000031
方向的环向应变分量/>
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和厚向应变分量/>
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时，则与轴向夹角为/>
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方向的各向异性系数/>
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可按如下方式计算：
Figure FDA0004107695660000036
当步骤五获得了试样小孔边缘与轴向夹角为
Figure FDA0004107695660000037
方向的环向应变分量/>
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和径向应变分量/>
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时，则与轴向夹角为/>
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方向的各向异性系数/>
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可按如下方式计算：
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当步骤五获得了试样小孔边缘与轴向夹角为
Figure FDA00041076956600000313
方向的径向应变增量/>
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方向的各向异性系数/>
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可按如下方式计算：
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当步骤五获得了试样小孔边缘与轴向夹角为
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方向的环向应变增量/>
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方向的各向异性系数/>
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可按如下方式计算：
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当步骤五获得了试样小孔边缘与轴向夹角为
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方向的环向应变增量/>
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方向的各向异性系数/>
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可按如下方式计算：
Figure FDA00041076956600000330
当步骤五获得了小孔边缘壁厚或长度特征参量时，先通过厚度或长度变化计算厚向应变或环向应变或径向应变，再通过应变确定薄壁管面内各个方向的各向异性系数。
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