一种金属材料拉伸颈缩过程中应力分布测试方法

技术领域

本发明属于材料强度与失效研究领域，具体涉及一种金属材料拉伸颈缩过程中应力分布测试方法。

背景技术

圆棒试样拉伸试验(以下简称“拉伸试验”)是金属材料最为基本的力学性能试验之一，通过该试验主要确定金属材料的两个强度参量——屈服强度R

发明内容

本发明的目的是提供金属材料拉伸颈缩过程中应力分布测试方法，在单向拉伸试验的基础上，通过拉伸颈缩过程中拉伸载荷和颈缩区轮廓图像的实时采集，利用光学显微测量系统测量颈缩过程中颈缩区的曲率半径及最小截面处的直径，采用拉伸试样颈缩区应力方程的Bridgman解推导颈缩区最小截面上应力分布方程，能够对金属材料颈缩过程中颈缩区应力分布及演化规律进行分析，为研究金属材料强度与失效准则提供必需的技术保障。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种金属材料拉伸颈缩过程中应力分布测试方法，用于金属材料拉伸试验中，包括如下步骤：

步骤一，利用非接触应变测量系统实现拉伸试样颈缩区轮廓的实时同步采集，通过调整载荷加载系统的数据采集频率和颈缩区轮廓的影像采集频率，实现载荷和影像的同频采集；

步骤二，利用光学显微测量软件对拉伸颈缩过程中不同时段的影像照片轮廓尺寸进行测量，将影像尺寸与实物尺寸进行同比例缩放，确定颈缩过程中不同时段颈缩区的曲率半径及最小截面处的直径；

步骤三，根据采集的拉伸载荷和颈缩区曲率半径及最小截面处直径，通过颈缩区应力方程的Bridgman解进行颈缩区应力分布函数推导，颈缩区的应力方程如式(1)所示，将式(1)中的各向应力转化为如式(2)所示的颈缩区三个主应力，通过式(1)和(2)推导出应力第一不变量I

式中：

σ

σ

σ

σ

σ

σ

σ

I

a：颈缩部位最小截面半径，单位mm；

D：颈缩部位最小截面直径，单位mm；

r：颈缩区最小截面中心到外边缘的半径，单位mm；

R：颈缩部位最小截面处曲率半径，单位mm；

F：加载载荷，单位kN。

本发明的有益效果是：本发明根据金属材料强度与失效准则研究对颈缩区应力状态分析的要求，设计了拉伸颈缩过程中应力分布函数测试方法，可实现拉伸试样径缩过程中最小截面上任一时间的三个主应力、应力第一不变量I

附图说明

图1为本发明所述金属材料拉伸试验中颈缩区域的轮廓示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。

在金属材料拉伸颈缩过程中，如何实现载荷与颈缩区轮廓的同步采集、如何准确测量颈缩区轮廓尺寸、如何计算颈缩区不同位置的三向应力值直接关系到颈缩区应力状态分布测试，本发明主要基于这一要求设计了金属材料颈缩过程中应力分布测试方法。

本发明针对拉伸颈缩过程中载荷与颈缩区轮廓的同步采集、颈缩区轮廓尺寸测量和颈缩区应力分布计算公式推导这三方面技术问题采取的解决方案如下：

(1)颈缩过程中颈缩区轮廓采集

利用非接触应变测量系统实现拉伸试样颈缩区轮廓的实时同步采集，通过调整载荷加载系统数据采集频率和颈缩区轮廓影像采集频率实现载荷和影像的同频采集，颈缩区轮廓的示意如图1所示；

(2)颈缩过程中颈缩区轮廓测量

利用光学显微测量软件对拉伸颈缩过程中不同时段的影像照片轮廓尺寸进行测量，将影像尺寸与实物尺寸进行同比例缩放，确定颈缩过程中不同时段颈缩区的曲率半径及最小截面处的直径；

(3)颈缩过程中颈缩区应力分布函数推导

根据采集的拉伸载荷和颈缩区曲率半径及最小截面处直径，通过颈缩区应力方程的Bridgman解进行颈缩区应力分布函数推导，颈缩区的应力方程如式(1)所示，将式(1)中的各向应力转化为如式(2)所示的颈缩区三个主应力，通过式(1)和(2)推导出应力第一不变量I

式中：

σ

σ

σ

σ

σ

σ

σ

I

a：颈缩部位最小截面半径，单位mm；

D：颈缩部位最小截面直径，单位mm；

r：颈缩区最小截面中心到外边缘的半径，单位mm；

R：颈缩部位最小截面处曲率半径，单位mm；

F：加载载荷，单位kN。

在上式中，σ0是材料变形到一定阶段后，如果还需要变形所需要的力，σmises应力是三个主应力组合后能够让材料产生变形的驱动力。

下边以785MPa级钢拉伸试样颈缩过程为例，本发明的具体测试过程如下：

第一步，将拉伸试样通过拉伸试验机夹头进行加持；

第二步，通过非接触应变测量系统对安装好的试样进行拍照，记录试样原始尺寸；

第三步，将试样拉伸加载至最高载荷点时，启动非接触应变测量系统对拉伸颈缩过程进行同频影像采集，实时载荷如表1所示；

表1 785MPa级钢拉伸试样颈缩过程实时载荷

第四步，将采集的颈缩过程试样轮廓照片通过光学显微测量分析软件进行试样轮廓尺寸测量，颈缩区轮廓尺寸如表2所示；

表2 785MPa级钢拉伸试样颈缩过程实时轮廓尺寸

第五步，将测得的试样颈缩区轮廓尺寸和同一时段的载荷代入推导的应力分布公式进行计算可得颈缩过程中颈缩区任一时间段的应力函数，第一主应力、应力第一不变量、流变应力σ

表3 785MPa级钢拉伸试样颈缩区应力分析

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。