[發(fā)明專利]三維應(yīng)力狀態(tài)下的材料力學(xué)性能測試方法

有效

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• 申請日: 2012-04-24
• 公開（公告）號: CN102645375A
• 公開（公告）日: 2012-08-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 苑世劍;李峰
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G01N3/12
• 分類號: G01N3/12
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標(biāo)事務(wù)所 23109
• 代理人: 楊立超

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種材料力學(xué)性能測試方法，具體涉及一種用于三維應(yīng)力狀態(tài)下的板材力學(xué)性能測試方法。

背景技術(shù)

隨著對節(jié)能減排需求的提高，鋁合金、鎂合金及鈦合金等輕質(zhì)材料的應(yīng)用量呈增大趨勢。在航空航天和汽車領(lǐng)域，除了采用輕質(zhì)材料減重外，輕量化結(jié)構(gòu)是減重的另一個主要途徑。對于承受彎扭載荷為主的結(jié)構(gòu)，采用空心變截面構(gòu)件，可同時實(shí)現(xiàn)減重和充分利用材料強(qiáng)度的雙重效果。內(nèi)高壓成形正是順應(yīng)這種需求而開發(fā)出來的一種空心變截面輕體構(gòu)件的先進(jìn)制造技術(shù)，工藝原理為通過管材內(nèi)部施加高壓液體和軸向加載補(bǔ)料把管坯壓入到模具型腔使其成形為所需工件。

內(nèi)高壓成形技術(shù)具有減輕重量，節(jié)約材料，減少后續(xù)機(jī)加工序，提高強(qiáng)度和剛度及材料利用率，降低生產(chǎn)成本等優(yōu)勢而在航空航天和汽車等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但成形過程中施加的法向壓力最高可達(dá)400MPa，超過了鋁合金、鎂合金甚至低碳鋼等材料的室溫屈服極限，因此，法向壓力對板(管)材變形及壁厚變化的影響則不能忽略，實(shí)際上是處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，即三維應(yīng)力狀態(tài)。而傳統(tǒng)板材單向拉伸性能測試時僅為一維應(yīng)力狀態(tài)，不能反應(yīng)復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的真實(shí)成形特性，故需要考慮法向壓力作用對板(管)材成形性能的影響。

改變受力狀態(tài)能夠提高板材的室溫成形性能。板材成形過程中對法向施加載荷能提高塑性區(qū)的靜水壓力，可有效抑制板材內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，從而提高塑性成形能力。如背壓加載條件下的板材雙向液壓脹形試驗(yàn)研究表明，增大背壓可以提高板材的極限脹形高度，且背壓與材料強(qiáng)度相當(dāng)時，極限高度提高的更加顯著。但普通液體作為傳力介質(zhì)難以突破過高壓力加載時動密封所帶來的技術(shù)瓶頸，而氣體壓縮量較大且所能提供的壓力不易過高。雙層板整體加載成形時，外層板的包覆可對內(nèi)層板起到背壓作用，但法向作用力的分布是非均勻且可控性也較差。通過對管材內(nèi)外壓脹形研究結(jié)果表明，隨著法向壓力增大，管坯的極限變形能力增加，有利于實(shí)現(xiàn)模具圓角處的充填。并通過成形極限的理論分析可知，向管材施加雙向壓力能夠延緩塑性失穩(wěn)的發(fā)生，隨著背壓的增加，管材的極限塑性變形能力隨之增大，因此，管材內(nèi)外壓成形技術(shù)適用于變徑、復(fù)雜形狀的構(gòu)件；對于給定形狀零件，則可選用強(qiáng)度高、塑性低的輕質(zhì)材料。

目前常采用單向拉伸實(shí)驗(yàn)法獲得相應(yīng)材料的本構(gòu)關(guān)系、延伸率、硬化指數(shù)及各向異性系數(shù)等性能指標(biāo)，旨在通過對相應(yīng)材料的性能測試和評價對工藝方案制定及模具設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。在單向拉伸過程中施加均勻靜水壓力可在一定程度上提高材料的成形極限。早在二十世紀(jì)初，Bridgman利用普通液態(tài)介質(zhì)對施加靜水壓力的鋼棒進(jìn)行了單向拉伸實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了靜水壓力對材料塑性有提高作用。隨后，研究者們先后對鋁、鋁合金、銅等棒材進(jìn)行了一系列的單向拉伸實(shí)驗(yàn)測試，研究結(jié)果表明，靜水壓力對材料的本構(gòu)關(guān)系影響很微弱，而對斷裂機(jī)理和延伸率卻有著非常顯著地影響。但棒材試樣的測試結(jié)果僅適用于體積成形，難以對板(管)材成形性能進(jìn)行客觀評價。

普通液體雖然也可作為傳力介質(zhì)對板材單向拉伸行為提供一定的法向壓力，但與棒材試樣相比，密封難題顯得尤為突出(非圓截面的動密封問題)且所能提供的法向壓力也相對有限。同時，普通液體加壓板材單向拉伸時的受力狀態(tài)為σ₁≠σ₂＝σ₃，與內(nèi)高壓成形時的σ₁≠σ₂≠σ₃還有差異，僅為后者的特殊情況，因此，現(xiàn)有單向拉伸測試法難以對板(管)材的流體高壓成形性能進(jìn)行準(zhǔn)確地評估及預(yù)測。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有單向拉伸實(shí)驗(yàn)難以對復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)(即三維應(yīng)力狀態(tài))下的板材成形性能進(jìn)行評價且壓力過高時普通液體不易密封等問題，提出了采用磁性介質(zhì)代替普通液體對板材單向拉伸過程進(jìn)行法向加壓的實(shí)驗(yàn)方法。本發(fā)明與普通液體的顯著區(qū)別是：磁性介質(zhì)作為智能材料在可控磁場作用下發(fā)生定向排布對板材施加法向壓力且易實(shí)現(xiàn)密封。本發(fā)明提供了可用于三維應(yīng)力狀態(tài)下板材單向拉伸力學(xué)性能的測試方法。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采取的技術(shù)方案是：