[發明專利]一種金屬材料真應力真應變測試方法

在審

• 申請號: 201710459226.1
• 申請日: 2017-06-16
• 公開（公告）號: CN107271279A
• 公開（公告）日: 2017-10-20
• 發明（設計）人: 孔令圳;周夏伊;黃坤;陳利瓊;茆程;諶聰;鮮佳莉;張皓;張鑫;夏燕;孫沖;何國佳;廖檸;徐潔
• 申請（專利權）人: 西南石油大學
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08
• 代理公司: 北京元本知識產權代理事務所11308
• 代理人: 秦力軍

技術領域

本發明涉及金屬材料應力測試技術領域，具體涉及一種金屬材料真應力真應變測試方法。

背景技術

對于結構材料，例如管道、儲罐等，在遭受風載荷、地震、滑坡、泥石流等地質災害情況下發生大變形或者斷裂破壞，需要借助數值有限單元法對破壞過程進行三維建模、情景還原以及溯源分析，此時要獲取準確有效的結果，金屬材料(例如管道鋼、罐壁鋼材)的全程的真應力-真應變是最為基礎和重要的輸入數據。

對于真應力-真應變的測試及計算有多種方法，主要分為采用特殊應變規、基于DIC的方法以及借助有限單元法(FEM)的反演法。李曉紅等人采用兩組引伸儀測定圓棒試樣軸向及徑向位移，測試了API X46、X60、X65及X80等多種鋼級管材的真應力-真應變曲線。此方法獲取真應力及真應變采用的即是王長利的發明專利“真應力-真應變計算模型及測試系統”中的原理，此原理即基于體積不變形假設給出了的等直圓棒試樣真應力-真應變計算公式，如式(1)和式(2)所示：

其中F為圓棒試樣的承受的軸向力，d₀為圓棒試樣初始直徑長度，d為圓棒試樣實時直徑長度。Z.L.Zhang在圓棒試樣測試材料真應力-真應變的基礎上提出了采用矩形截面試樣測試材料真應力-真應變的方法，采用特定引伸計追蹤頸縮最大區域厚度變化，根據公式(3)計算面積變化，進而得到真實應變和真實應力。公式(3)給出了矩形截面試樣在拉伸載荷情況下，截面收縮率與厚度減縮率的關系。因此在采用矩形截面試樣測試材料真應力-真應變的過程中，只需要測試記錄載荷、位移及厚度三個參量。

隨著計算機技術的發展和相機鏡頭分辨率的提高，基于DIC(Digital Image Correlation)技術測試材料真應力-真應變的方法得到大量應用。當前基于DIC技術測試材料真應力-真應變主要有三種方法，分別為VSE(video-based surface extensometry)方法、VRE(video-based radial extensometry)方法及局部DIC方法。VSE方法即在圓棒試樣軸向和水平方向分別布置兩個點，在拉伸過程中DIC可以記錄下兩點之間的距離，然后根據引伸計的計算原理得到真實應變，根據體積不變性原理得到真實應力，此種方法相當于虛擬的引伸計，可以同時獲取多個虛擬引伸計的計算結果并且可以自由選擇虛擬引伸計長度，但仍然受虛擬引伸計長度影響且真實應力的計算依賴于體積不變性原理假設。VRE方法原理為采用DIC測試圓棒試樣半徑變化量，根據半徑經縮量得到橫截面積伸縮量，從而得到真實應力，根據體積不變形原理可以根據橫截面積伸縮量得到軸向拉伸應變。局部DIC方法即根據輸出的某一點真實應變為基礎計算真實應力。局部DIC方法即根據DIC測試技術中獲取的拉伸試件全局的位移場，通過多項式公式對測試得到的位移場進行數學描述，進而根據一階導數得到試樣全局的真應變場，根據真應變與真實橫截面的關系，計算得到真應力值。

除以上兩大類方法外，還有借助FEM的反演方法，即不斷嘗試輸入的真應力-真應變曲線，直至模擬得到的載荷-位移曲線與測試結果一致。此方法是一種間接方法，計算過程較為冗余復雜，耗費大量的時間。采用特殊應變規方法中，特殊應變規的制作需要較為長的周期，如何確保特殊應變規的測量精度也是一個問題。此外此方法只可以應用于圓棒型試樣的真應力-真應變曲線的測試。而基于DIC技術的測試方法中，首先需要對試樣進行散斑的噴涂制作，其次是需要一套DIC設備，而DIC設備的價格一般在100萬元人民幣左右，較為昂貴。

傳統的應變規方法無法測試得到金屬材料頸縮后的真實材料性能，并且受制于量程的原因，對于韌性較好的金屬材料，在均勻拉伸后半段，導致應變規發生滑移，進而使得測試結果不準確。對于DIC設備其測試結果較為準確，但其設備昂貴，前期試樣散斑制作較為繁瑣和費時費力。

發明內容

針對上述問題，本發明提出了一種具備日常的MTS操作及市場上可以輕易購買得到的器材即可完成金屬材料全程真應力-真應變曲線測試的金屬材料真應力真應變測試方法。

本發明的技術方案如下：

上述的金屬材料真應力真應變測試方法，具體包括以下步驟：

(1)制作單軸拉伸試樣；

(2)制作標記點

即在試樣的均勻拉伸段，采用針頭記號筆，借助游標卡尺及鋼尺在矩形截面試樣的進行標記點標記；

(3)將鋼尺加工至小長度，并采用AB膠將鋼尺上端無刻度部分固定在試樣上面；