CN110849727A - 一种管材各向异性参数的确定方法 - Google Patents

Abstract

一种管材各向异性参数的确定方法，属于管材性能测试领域。该方法：一、沿管材轴向切取剖条试样，进行单向拉伸实验，获得管材轴向的屈服应力；二、对待测管材进行两组管材双向加载实验，加载路径为线性，记录应力比，测量对应加载条件下的应变增量比；三、建立应力比、应变增量比与各个方向屈服应力的关系；建立应力比、应变增量比与各个方向厚向异性系数的关系；五、利用步骤二中的应力比和应变增量比分别代入到三、四所建关系式中，通过解方程组得到各向异性参数：环向屈服应力、双等拉屈服应力、轴向厚向异性系数、环向厚向异性系数。本方法避免了管材在测试前产生塑性变形，以及预变形对各向异性参数的影响，确定的各向异性参数更准确。

Description

一种管材各向异性参数的确定方法

技术领域

本发明属于管材性能测试领域，具体涉及一种管材各向异性参数的确定方法。

背景技术

管材常常用于管状零件的成形。而在生产、制备管材时，因材料经过严重的塑性变形，常常使得材料内部的晶粒结构和织构形态产生变化并具有一定的方向性，从而使得管材具有各向异性的特点。各向异性的主要表现为沿着管材各个方向上的屈服应力和厚向异性系数不同。管材不同方向上的各向异性特征直接影响管材的屈服行为和塑性变形行为，从而会对实际变形过程中管材的变形行为产生影响。因而，为了准确描述管材的特征和制定准确的成形工艺参数，需要获得管材各个方向上的各向异性参数，如轴向的屈服应力和厚向异性系数、环向的屈服应力和厚向异性参数。

对于板状材料来说，测试各个方向各向异性参数(屈服应力和厚向异性系数)的方法非常成熟。可以采用GB/T 228.1-2010标准测定板材某一方向上的屈服应力，可以采用GB/T5027-2016标准测定板材某一方向上的厚向异性系数。通过改变拉伸试样的取样方向就可以得到板材对应方向的各向异性参数(屈服应力和厚向异性系数)。而管材是圆形的封闭结构，与板材的平面结构完全不同，这导致上述成熟应用于板材的测试方法不能直接应用于管材。文献(On constitutive modeling of aluminum alloys for tubehydroforming applications；Mikael Jansson,Larsgunnar Nilsson,Kjell Simonsson；International Journal of Plasticity；2005)将管材展开并压平成平面板材，利用平面板材的测试方法进行测试以获得管材的各向异性参数。上述方法存在的问题是，圆形封闭管材在展平成平面板材时会产生明显的塑性变形，从而导致测得的结果并非原始管材的性能，不能代表管材真实的各向异性参数。一些研究人员从管材轴向切取剖条试样通过单向拉伸的试验方法测得的管材轴向的屈服应力和厚向异性系数。可以获得管材轴向的屈服应力。而由于剖条试样的截面形状是圆弧状，在拉伸过程中剖条试样的宽度方向会发生卷曲变形使得测量得到的宽度方向的应变不准确进而使得测得的厚向异性系数不准确。专利(CN1865906)提出了一种管材环向拉伸性能测试方法，通过直接拉伸管材环向试样获取管材的环向性能，如环向的屈服应力。专利(CN104949884A)提出了一种管材环向的厚向异性系数直接测定方法，可以获得管材环向的厚向异性系数。但是这两种方法在测试时试样和所用的卡具之间存在摩擦力，会对实验结果产生影响，测试结果不准确。当测试的管材的各向异性参数不准确、不能准确反映管材的真实性能时，则不宜用于表征管材的各向异性特征及用于工艺参数制定。由于缺乏管材各向异性参数，无法对管材的力学性能进行直接评价，所以无法全面准确预测管材的复杂塑性变形特性，这在很大程度上限制了管材成形技术的发展和应用。

为了准确获得管材的各向异性参数以准确描述管材的各向异性特征，需要建立一种管材各向异性参数的准确确定方法。

发明内容

本发明是为解决现有的实验测试方法不能或无法准确地测定管材各向异性特征参数的问题，提出一种管材各向异性参数确定方法。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：

一种管材各向异性参数的确定方法，步骤如下：

步骤一、沿管材轴向切取剖条试样，进行单向拉伸实验，获得管材轴向的屈服应力σ_z；

步骤二、将待测管材切割成管材试样，进行两组管材双向加载实验，加载路径为线性，记录应力比α₁、α₂，测量对应加载条件下的应变增量比β₁、β₂；

步骤三、建立应力比、应变增量比与各个方向屈服应力的关系：

其中，σ_b为双向等拉屈服应力，应力比α＝σ_θ/σ_z，σ_θ、σ_z分别为环向应力和轴向应力；应变增量比β＝dε_θ/dε_z，dε_θ、dε_z分别为环向和轴向应变增量分量；

步骤四、建立应力比、应变增量比与各个方向厚向异性系数的关系：

或者

其中，r_z,r_θ分别为管材轴向和环向的屈服应力，M为材料指数，对于面心立方材料取为8，对于体心立方材料取为6。

步骤五、利用步骤二中的α₁、α₂和β₁、β₂分别代入到公式(1)和公式(2)或公式(3)中，得到方程组，通过解方程组得到各向异性参数：环向屈服应力σ_θ、双等拉屈服应力σ_b、轴向厚向异性系数r_z、环向厚向异性系数r_θ。

进一步的，所述步骤二中，所述管材双向加载实验是在专用的管材双向加载实验装置上进行的，在管材双向加载实验试样端部施加拉伸或压缩载荷，在试样内部施加压力介质使试样上的分析点在设定的应力路径下变形，获得试样上的分析点在应力比α下的应变增量比β；其中所述的分析点为试样外表面上管材长度方向的中间点。

进一步的，所述步骤三中应力比、应变增量比与各个方向屈服应力的关系式是按如下方法建立的：

对于平面应力状态，Hill48屈服准则表示为：

式中，σ_z,σ_θ分别为管材轴向和环向的单拉屈服应力，σ_ij为任意应力分量，σ₁为坐标轴1方向的应力分量，σ₂为坐标轴2方向的应力分量，σ₀为轴向单向单拉对应的流动应力分量。

根据Drucker相关联流动准则得到：

式中，dε₁为坐标轴1方向的应变分量增量，dε₂为坐标轴2方向的应变分量增量，dλ为比例常数。

从而，获得应力比、应变增量比与各个方向屈服应力的关系式为：

进一步的，所述步骤四中，公式(2)是按如下方法建立的：

对于平面应力状态，Hill48屈服准则表示为：

式中，r_z,r_θ分别为管材轴向和环向的厚向异性系数。

根据Drucker相关联流动准则得到：

从而，获得应力比、应变增量比与各个方向厚向异性系数的关系式为：

进一步的，所述步骤四中，公式(3)是按如下方法建立的：

对于平面应力状态，Balart89各向异性屈服准则表示为：

根据Drucker相关联流动准则得到

从而，获得应力比、应变增量比与各个方向厚向异性系数的关系式为：

进一步的，步骤二中进行多组管材双向加载实验获得多组实验数据(应力比α₁、α₂、α₃……α_n和应变增量比β₁、β₂、β₃……β_n)，步骤五中用建立的应力比、应变增量比与各个方向屈服应力的关系式和建立的应力比、应变增量比与各个方向厚向异性系数的关系式作为目标函数，利用多组实验数据(应力比α₁、α₂、α₃……α_n和应变增量比β₁、β₂、β₃……β_n)进行拟合得到各向异性参数：环向屈服应力σ_θ、双等拉屈服应力σ_b、轴向厚向异性系数r_z、环向厚向异性系数r_θ。

本发明的有益效果

一、本发明提出的方法可以解决现有测试方法无法准确获得管材轴向和环向的厚向异性系数与环向的屈服应力以及双等拉屈服应力的问题；

二、本发明提出的方法对管材进行实验测试时卡具不与管材测试位置接触，避免了摩擦作用的影响，确定的各向异性参数更准确；

三、本发明提出的方法避免了管材在测试前产生塑性变形，从而避免了预变形对各向异性参数的影响，确定的各向异性参数更准确。

附图说明

图1为本发明实施例的过程示意图；

图2为本发明所述的管材双向加载实验原理示意图。

图中，1为试样，1-1为试样上分析点。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行进一步的说明。

以外径40mm，壁厚1.2mm的6061F态铝合金挤压管材为例，结合图1说明本发明的实施过程：

步骤一、沿管材轴向切取剖条试样，进行单向拉伸实验获得管材轴向的屈服应力σ_z＝94.1MPa；

步骤二、将待测管材切割成合适的长度，长度为270mm，进行2组管材双向加载实验，加载路径为线性的，记为α＝0.25、1.0，测量应变增量比β＝-0.1662、0.4356；

所述管材双向加载实验是在专用的管材双向加载实验测试装置上进行的(参考专利CN105300802B)，在管材端部施加拉伸或压缩载荷，在管材内部施加压力介质使管材在设定的应力路径下变形，获得管材的双向应力状态下的实验数据(管材轴向和环向的应力、应变数据)，通过改变设定的应力路径获得多组实验数据；

步骤三、建立应力比、应变增量比与各个方向屈服应力的关系

其中，σ_b为双向等拉屈服应力。

步骤四、建立应力比、应变增量比与各个方向厚向异性系数的关系

步骤五、利用步骤一中的应力比α和应变增量比β分别带入到步骤三建立的应力比、应变增量比与各个方向屈服应力的关系式和步骤四建立的应力比、应变增量比与各个方向厚向异性系数的关系式中，得到方程组并通过解方程可以得到各向异性参数σ_θ＝119.1MPa、σ_b＝96.3MPa、r_z＝0.44、r_θ＝1.01。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种管材各向异性参数的确定方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一、沿管材轴向切取剖条试样，进行单向拉伸实验，获得管材轴向的屈服应力σ_z；

步骤二、将待测管材切割成管材试样，进行两组管材双向加载实验，加载路径为线性，记录应力比α₁、α₂，测量对应加载条件下的应变增量比β₁、β₂；

步骤三、建立应力比、应变增量比与各个方向屈服应力的关系：

其中，σ_b为双向等拉屈服应力，应力比α＝σ_θ/σ_z，σ_θ、σ_z分别为环向应力和轴向应力；应变增量比β＝dε_θ/dε_z，dε_θ、dε_z分别为环向和轴向应变增量分量；

步骤四、建立应力比、应变增量比与各个方向厚向异性系数的关系：

或者

其中，r_z,r_θ分别为管材轴向和环向的屈服应力，M为材料指数，对于面心立方材料取为8，对于体心立方材料取为6；

步骤五、利用步骤二中的α₁、α₂和β₁、β₂分别代入到公式(1)和公式(2)或公式(3)中，得到方程组，通过解方程组得到各向异性参数：环向屈服应力σ_θ、双等拉屈服应力σ_b、轴向厚向异性系数r_z、环向厚向异性系数r_θ。

2.根据权利要求1所述的一种管材各向异性参数的确定方法，其特征在于，所述步骤二中，管材双向加载实验是在专用的管材双向加载实验装置上进行的，在管材双向加载实验试样端部施加拉伸或压缩载荷，在试样内部施加压力介质使试样上的分析点在设定的应力路径下变形，获得试样上的分析点在应力比α下的应变增量比β；其中所述的分析点为试样外表面上管材长度方向的中间点。

3.根据权利要求1或2所述的一种管材各向异性参数的确定方法，其特征在于，所述步骤三中应力比、应变增量比与各个方向屈服应力的关系式是按如下方法建立的：

对于平面应力状态，Hill48屈服准则表示为：

式中，σ_z,σ_θ分别为管材轴向和环向的单拉屈服应力，σ_ij为任意应力分量，σ₁为坐标轴1方向的应力分量，σ₂为坐标轴2方向的应力分量，σ₀为轴向单向单拉对应的流动应力分量；

根据Drucker相关联流动准则得到：

式中，dε₁为坐标轴1方向的应变分量增量，dε₂为坐标轴2方向的应变分量增量，dλ为比例常数；

从而，获得应力比、应变增量比与各个方向屈服应力的关系式为：

4.根据权利要求1或2所述的一种管材各向异性参数的确定方法，其特征在于，所述步骤四中，公式(2)是按如下方法建立的：

对于平面应力状态，Hill48屈服准则表示为：

式中，r_z,r_θ分别为管材轴向和环向的厚向异性系数；

根据Drucker相关联流动准则得到：

从而，获得应力比、应变增量比与各个方向厚向异性系数的关系式为：

5.根据权利要求3所述的一种管材各向异性参数的确定方法，其特征在于，所述步骤四中，公式(2)是按如下方法建立的：

对于平面应力状态，Hill48屈服准则表示为：

式中，r_z,r_θ分别为管材轴向和环向的厚向异性系数；

根据Drucker相关联流动准则得到：

从而，获得应力比、应变增量比与各个方向厚向异性系数的关系式为：

6.根据权利要求1、2或5所述的一种管材各向异性参数的确定方法，其特征在于，所述步骤四中，公式(3)是按如下方法建立的：

对于平面应力状态，Balart89各向异性屈服准则表示为：

根据Drucker相关联流动准则得到

从而，获得应力比、应变增量比与各个方向厚向异性系数的关系式为：

7.根据权利要求3所述的一种管材各向异性参数的确定方法，其特征在于，所述步骤四中，公式(3)是按如下方法建立的：

对于平面应力状态，Balart89各向异性屈服准则表示为：

根据Drucker相关联流动准则得到

从而，获得应力比、应变增量比与各个方向厚向异性系数的关系式为：

8.根据权利要求4所述的一种管材各向异性参数的确定方法，其特征在于，所述步骤四中，公式(3)是按如下方法建立的：

对于平面应力状态，Balart89各向异性屈服准则表示为：

根据Drucker相关联流动准则得到

从而，获得应力比、应变增量比与各个方向厚向异性系数的关系式为：

9.根据权利要求1、2、5、7或8所述的一种管材各向异性参数的确定方法，其特征在于，M对于面心立方材料取为8，对于体心立方材料取为6。

10.根据权利要求6所述的一种管材各向异性参数的确定方法，其特征在于，M对于面心立方材料取为8，对于体心立方材料取为6。

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