[发明专利]金属板试样单轴拉伸试验大应变范围应力应变的测量方法

说明书

本发明涉及了一种金属板试样单轴拉伸试验大应变范围应力应变的测量方法，该方法构建出金属板试样单轴拉伸失稳颈缩逐级扩展的阶梯模型。只需要测量板试样拉伸失稳后瞬时标距长度和颈缩处最小截面宽度，基于颈缩阶梯模型每一时刻颈缩阶梯坐标，构建颈缩轮廓的插值曲线表达式，利用颈缩在宽度和厚度方向的力学关系，并联立体积不变定律，求解颈缩阶梯模型的参数，最后通过Bridgman法计算该时刻真实应力和真实应变。本发明省去现有方法中颈缩外轮廓曲率半径的试验测量环节，并且提高了大应变范围应力应变曲线的测量精度，对于金属材料力学性能测试具有重要意义。

技术领域

本发明涉及金属材料力学性能测试与材料本构关系，具体涉及金属板试样单轴拉伸试验大应变范围应力应变曲线的测量方法。

背景技术

单轴拉伸试验是金属材料力学性能测试的一种基本方法，通常由单轴拉伸试验获得材料的载荷瞬时标距长度曲线，然后假定试样标距范围内均匀变形，将载荷-瞬时标距长度曲线转换为应力-应变曲线。但是试样在载荷最大点之后开始颈缩，试样标距范围内不均匀变形。因此，拉伸失稳后由载荷-瞬时标距长度曲线直接转换为应力-应变曲线是不准确的，而且试样产生颈缩后逐渐由单轴应力状态向三轴应力状态转变。由于在载荷最大点之前对应的应变范围相对较小(一般在0.2以内)，为测量更大应变范围的应力应变曲线，Bridgman法通过记录圆棒试样单轴拉伸失稳后的颈缩处最小截面半径r_i和颈缩外轮廓曲线在最小截面处的曲率半径R_i，代入以下公式计算颈缩之后的应变ε_i和应力σ_i，

其中r'₀为圆棒试样的初始截面半径；F_i为i时刻测量的载荷值。Bridgman法自提出以来，主要应用于圆棒试样单向拉伸试验，还未有用于板试样单向拉伸测量应力应变曲线的试验报道。尽管板试样与圆棒试样不同，板材拉伸颈缩后在宽度和厚度方向的颈缩轮廓最小截面处曲率半径不尽相同，板材拉伸的颈缩情况要远比圆棒复杂，但是研究表明，Bridgman法公式同样也适用于板试样颈缩情况。板材拉伸颈缩轮廓最小截面处曲率半径的测量比较繁琐，测量精度得不到保证，这是Bridgman法一直没有应用于板材拉伸情况的原因。

发明内容

本发明的目的是提出一种金属板材试样单轴拉伸试验大应变范围应力应变曲线测量方法，其中应用Bridgman法对应力进行修正，而且无需直接测量颈缩外轮廓曲线在最小截面处的曲率半径，避免了传统Bridgman法颈缩外轮廓曲线在最小截面处的曲率半径测量繁琐且误差大的难题。首先将金属板试样单轴拉伸颈缩最小截面部位简化为均匀长方体，根据韧性金属板试样单轴拉伸失稳后颈缩扩展是材料颈缩最小截面部位的逐渐局部化变形过程，颈缩发展可视为前一时刻长方体中间占一定百分比的材料变形发展到当前时刻的长方体，由此逐渐积累构建金属板试样单轴拉伸失稳颈缩逐级扩展的阶梯模型。只需要测量和记录板试样拉伸失稳后瞬时标距长度和颈缩处最小截面宽度，基于颈缩阶梯模型的每一时刻颈缩阶梯坐标，通过插值构建颈缩轮廓曲线，再利用曲率公式表示此时刻颈缩轮廓最小截面处的曲率半径，并假设板试样在宽度方向和厚度方向上横截面的等效应力相同，再根据体积不变定律，通过数值方法解方程组求得未知参数，最后通过Bridgman法计算该时刻真实应力和真实应变。金属板试样单轴拉伸试验失稳后不同时刻的应力应变计算结果构成材料大应变范围内应力应变曲线。本发明所采用的技术方案具体步骤如下：

(1)进行金属板试样单轴拉伸试验，测量并记录载荷最大点(颈缩点)之后直至断裂前的各时刻载荷F_i、瞬时标距长度l_i和试样颈缩处最小截面宽度2a_i其中i＝0～N，0和N分别对应颈缩点和断裂点时刻；