CN112611656B - 一种航空航天用铝合金低温延伸率的精确测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种航空航天用铝合金低温延伸率的精确测量方法，包括通过测量铝合金试样的室温断裂延伸率δs和根据公式δd＝a1Tn+a2δs m+a3，而准确得到铝合金试样低温的断裂延伸率δd，其中a1、a2、a3、n和m均为铝合金的材料参数。本发明解决了高强铝合金低温下断裂延伸率无法通过简单设备和方法准确测量的难题。通过有限元仿真建立了低温下的断裂延伸率和室温下的断裂延伸率之间的关系，可以通过直接测量室温下的断裂延伸率间接得到铝合金在低温下的断裂延伸率，为低温铝合金结构设计、制造和应用提供准确的参考。
Description
技术领域
本发明属于铝合金力学性能低温测试技术领域，尤其涉及一种航空航天用轻质高强铝合金低温延伸率的精确测量方法。
背景技术
高强铝合金由于具有比强度高、耐腐蚀性强以及焊接性能好等特点，在航空航天领域中广泛应用。火箭低温推进剂贮箱结构材料目前主要是2219铝合金或者2195铝锂合金，火箭在飞行过程中承受着轴向力、扭矩、弯矩等各种复杂应力，对材料性能要求极高。研究表明低温下材料力学性能包括抗拉强度、屈服强度以及延伸率都会大幅提升，因此准确表征材料在低温下的性能变化规律对贮箱结构安全性、可靠性极其重要。目前，铝合金力学性能低温下测量方法主要是根据国标加工试样在液氮低温环境下进行拉伸试验，设备电脑会自动记录应力应变曲线并得到抗拉强度和屈服强度，但对于延伸率则需要把断后试样拿到室温下用游标卡尺测量标距长度，从而得到延伸率。但上述测量延伸率的方法由于实验前是在室温下对试样刻画标距区域，试验拉断后又是在室温下测量断后标距，因此延伸率不是真在意义上低温条件下的断裂延伸率，测量结果会存在一定误差。因此，本领域需要一种测得低温条件下断裂延伸率的方法。
专利CN201410596978涉及一种金属焊接试片低温力学性能光学测试方法，包括首先制作焊接试片，将焊接试片分为焊接区、热影响区和母材区；然后将焊接试片置于低温环境下，在距离焊接试片上方安装数字相机，数字相机通过数据线连接到数据采集***；通过步获得的焊接试片在施加载荷前后的散斑图像计算应变值；计算各区域和焊接试片整体的工程应力、测试应力、强度极限和伸长率，得到熔焊焊接试片的力学性能参数。该专利的有益效果包括：该方法适用于铝合金和其他金属、不同焊接方式焊接结构在低温环境下力学性能的测试；该方法将焊接试片分为不同区域，同时解决了光学测试方法不能用于低温环境下力学性能测试的技术问题。但该专利检测过程中需要使用液氮，而液氮环境下的检测均会受蒸汽影响，容易发生测试样结霜和检测存在折射误差的问题；且使用数字相机也很难拍摄清楚。此外，该发明专利中使用光学仪器测量，仪器设备和方法都太复杂。
因此本领域仍然需要一种简单的航空航天用轻质高强铝合金低温延伸率的精确测量方法。
发明内容
本发明首先借助有限元仿真发明了一种通过测量室温下断裂延伸率间接得到低温下断裂延伸率的方法，使高强铝合金低温断裂延伸率的测量更准确，符合实际情况，从而提高航空航天用低温贮箱结构的安全性。
本发明首先提供一种航空航天用铝合金低温延伸率的精确测量方法，包括通过测量铝合金试样的室温断裂延伸率δs和根据公式δd＝a1Tn+a2δs m+a3，而准确得到铝合金试样低温的断裂延伸率δd，其中a1、a2、a3、n和m均为铝合金的材料参数。
在一种具体的实施方式中，所述公式δd＝a1Tn+a2δs m+a3中的各材料参数a1、a2、a3、n和m均为包括通过对铝合金试样在不同低温条件下的有限元仿真后拟合得到。
在一种具体的实施方式中，对铝合金试样的有限元仿真包括先对铝合金试样进行低温冷缩有限元仿真，再对铝合金试样进行低温拉伸断裂有限元仿真；然后对拉断后的铝合金试样的两部分再进行室温膨胀有限元仿真。
在一种具体的实施方式中，得到所述公式中的各材料参数a1、a2、a3、n和m的过程包括针对不同的低温条件下重复进行的如下步骤：
步骤A、根据国标加工铝合金拉伸试样S1，然后在室温下刻画出试样标距L1；
步骤B、对刻画有标距的铝合金拉伸试样进行低温冷缩有限元仿真，从而得到低温后标距的长度L2，此时低温试样称为S2；
步骤C、对低温试样S2进行低温拉伸断裂有限元仿真，并在有限元仿真模型中输入低温下的材料常数以及应力应变关系；
步骤D、再测量S2试样拉伸断裂后的标距长度L3，从而得到试样低温下的断裂延伸率δd＝(L3-L2)/L2；
步骤E、对拉断后的试样S2的两部分再进行室温膨胀有限元仿真，然后再测量断后的标距长度L4，得到室温下的断裂延伸率δs＝(L4-L1)/L1。
在一种具体的实施方式中，所述铝合金为2219铝合金或者2195铝锂合金。
本发明解决了高强铝合金低温下断裂延伸率无法通过简单设备和方法准确测量的难题。通过有限元仿真建立了低温下的断裂延伸率和室温下的断裂延伸率之间的关系，可以通过直接测量室温下的断裂延伸率间接得到铝合金在低温下的断裂延伸率，为低温铝合金结构设计、制造和应用提供准确的参考。
具体实施方式
实施例1
1、根据国标加工拉伸试样S1，然后在室温下刻画出试样标距L1；
2、对刻画有标距的试样进行低温冷缩有限元仿真，从而得到低温后标距的长度L2，此时低温试样称为S2；
3、对低温试样S2进行低温拉伸断裂有限元仿真，模型中需要输入低温下的材料常数以及应力应变关系；
4、再测量S2试样断后的标距长度L3，从而得到试样低温下的断裂延伸率δd＝(L3-L2)/L2；
5、对拉断后试样S2的两部分再进行室温膨胀有限元仿真，然后再测量断后的标距长度L4，这样的话就得到室温下的断裂延伸率δs＝(L4-L1)/L1；
6、针对不同低温条件，重复上述步骤1～5，则得到多组相应低温和室温下的断裂延伸率，再建立如下关系式：δd＝a1Tn+a2δs m+a3，其中a1、a2、a3、n和m为材料参数，T为温度。这样通过测量试样的室温断裂延伸率δs就能准确得到低温的断裂延伸率δd。
本发明解决了高强铝合金低温下断裂延伸率无法通过简单设备和方法准确测量的难题。通过有限元仿真建立了低温下的断裂延伸率和室温下的断裂延伸率之间的关系，可以通过直接测量室温下的断裂延伸率间接得到铝合金在低温下的断裂延伸率，为低温铝合金结构设计、制造和应用提供准确的参考。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (2)
1.一种航空航天用铝合金低温延伸率的精确测量方法，包括通过测量铝合金试样的室温断裂延伸率δs和根据公式δd＝a1Tn+a2δs m+a3，而准确得到铝合金试样低温的断裂延伸率δd，其中a1、a2、a3、n和m均为铝合金的材料参数；所述公式δd＝a1Tn+a2δs m+a3中的各材料参数a1、a2、a3、n和m均为包括通过对铝合金试样在不同低温条件下的有限元仿真后拟合得到；对铝合金试样的有限元仿真包括先对铝合金试样进行低温冷缩有限元仿真，再对铝合金试样进行低温拉伸断裂有限元仿真；然后对拉断后的铝合金试样的两部分再进行室温膨胀有限元仿真；
且得到所述公式中的各材料参数a1、a2、a3、n和m的过程包括针对不同的低温条件下重复进行的如下步骤：
步骤A、根据国标加工铝合金拉伸试样S1，然后在室温下刻画出试样标距L1；
步骤B、对刻画有标距的铝合金拉伸试样进行低温冷缩有限元仿真，从而得到低温后标距的长度L2，此时低温试样称为S2；
步骤C、对低温试样S2进行低温拉伸断裂有限元仿真，并在有限元仿真模型中输入低温下的材料常数以及应力应变关系；
步骤D、再测量S2试样拉伸断裂后的标距长度L3，从而得到试样低温下的断裂延伸率δd＝(L3-L2)/L2；
步骤E、对拉断后的试样S2的两部分再进行室温膨胀有限元仿真，然后再测量断后的标距长度L4，得到室温下的断裂延伸率δs＝(L4-L1)/L1；
针对不同低温条件，重复上述步骤A～E，则得到多组相应低温和室温下的断裂延伸率，再建立如下关系式：δd＝a1Tn+a2δs m+a3，其中a1、a2、a3、n和m为材料参数，T为温度；这样通过测量试样的室温断裂延伸率δs就能准确得到低温的断裂延伸率δd。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述铝合金为2219铝合金或者2195铝锂合金。
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