一种金属材料变形过程中塑性变形量的测试方法与流程

1.本发明涉及金属材料强度与失效领域，具体而言，涉及一种金属材料变形过程中塑性变形量的测试方法。


背景技术：

2.金属材料复杂曲面成形中曲面不同部位的塑性变形量并不均匀，金属材料断裂性能、抗爆性能测量试验过程中经历了弹性变形、均匀塑性变形、局部集中塑性变形至断裂的全过程，即在实际使用及服役性能测量过程中，金属材料发生的塑性变形多为不均匀大塑性变形。如何对金属材料在实际使用及服役性能测量过程中的塑性变形量进行定量，进而通过数值模拟对金属材料成形及服役性能测量试验过程进行全流程分析，是解决金属材料成形精度及服役性能测量方法改进的重要一环。
3.目前金属材料塑性应变测量的方式有两种，一种是通过固定标距，通过实时测量标距长度进而计算应变量；一种是通过粘贴应变片实时记录应变量。但第一种测试方法只能测试均匀截面材料单向变形时的应变情况，不能测试弯曲、缺口件尖端等复杂截面变形时的应变情况，第二种测试方法虽然能够测试弯曲、缺口件尖端等复杂截面变形时的应变情况，但应变片的测量量程均较小，所能测得的应变量远小于金属材料成形及服役性能测量试验过程中的应变量。现有技术中均不能实现对金属材料复杂曲面成形及服役性能评价试验过程中大塑性变形量的有效测量。
4.有鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提出一种金属材料变形过程中塑性变形量的测试方法，以解决现有技术中均不能实现对金属材料复杂曲面成形及服役性能评价试验过程中大塑性变形量的有效测量的问题。
6.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
7.一种金属材料变形过程中塑性变形量的测试方法，所述金属材料变形过程中塑性变形量的测试方法包括以下步骤：
8.s1、对试样进行单向拉伸试验；
9.s2、获取试样均匀变形阶段和集中变形阶段不同位置的硬度值；
10.s3、获取试样均匀变形阶段和集中变形阶段不同位置的应变量；
11.s4、建立应变量与硬度值的关系式；
12.s5、根据试样的硬度值、所述的应变量与硬度值的关系式来获取金属材料复杂曲面成形及服役性能评价试验过程中的应变量。
13.本实施例所述的一种金属材料变形过程中塑性变形量的测试方法，试验过程简单，可操作性强；建立了大应变范围内应变量与硬度值的相关性表达式，能够实现金属材料复杂曲面成形及服役性能评价试验过程中大塑性变形量的有效测量，可为金属材料强度和
失效研究提供必要的基础支撑。
14.进一步的，在步骤s3中，通过试样轮廓直径的变化来计算获得应变量，计算公式如下：
[0015][0016]
其中，ε为应变；z为试样截面收缩率。
[0017]
进一步的，在步骤s4中，以应变量为x轴，硬度值为y轴建立坐标系，建立应变量与硬度值的关系式。
[0018]
进一步的，在步骤s2中，在均匀变形阶段，将试样拉伸加载至不同塑性变形量后停止加载，通过硬度试验机测试变形后材料的硬度。
[0019]
进一步的，在步骤s2中，在集中变形阶段，将试样拉伸加载直至材料断裂，通过硬度试验机测试集中变形区不同位置材料的硬度。
[0020]
进一步的，在步骤s2中，所述硬度值为维氏硬度。
[0021]
进一步的，所述试样为奥氏体低温钢，在步骤s4中，所述奥氏体低温钢建立应变量与硬度值的关系式如下：
[0022]
hv10＝513.6
·
ε 249，
[0023]
其中，ε为应变；hv10为维氏硬度。
[0024]
进一步的，所述试样为铁素体高强钢，在步骤s4中，所述铁素体高强钢建立应变量与硬度值的关系式如下：
[0025]
hv10＝37.8
·
ε 266，
[0026]
其中，ε为应变；hv10为维氏硬度
[0027]
本发明的提出一种金属材料变形过程中塑性变形量的测试方法，相对于现有技术而言，本发明所述的一种金属材料变形过程中塑性变形量的测试方法具有以下有益效果：
[0028]
1)本发明所述的一种金属材料变形过程中塑性变形量的测试方法，能够实现金属材料复杂曲面成形及大塑性变形下的应变量测量。对于均匀变形能力较强的奥氏体低温钢，采用单向拉伸试验，通过测试不同预拉伸变形量后材料的硬度，建立硬度与应变量表达式；对于均匀变形能力较差的铁素体高强钢，采用单向拉伸试验，通过测试集中变形区域不同位置材料的硬度，建立硬度与应变量表达式。通过金属材料复杂曲面成形及大塑性变形下材料硬度的测试实现应变量测量。
[0029]
2)本发明所述的一种金属材料变形过程中塑性变形量的测试方法，试验过程简单，可操作性强。试样过程中只需通过简单的单向拉伸试验，获取金属材料均匀变形阶段和集中变形阶段不同位置的变形量，建立应变量与硬度值的相关性表达式，即可实现复杂曲面成形及大塑性变形下材料应变量的测量。
附图说明
[0030]
图1为本发明实施例的奥氏体低温钢应力与应变的曲线关系图；
[0031]
图2为本发明实施例的奥氏体低温钢预变形量与硬度的关系图；
[0032]
图3为本发明实施例的圆棒拉伸试样的原始样轮廓图；
[0033]
图4为本发明实施例的圆棒拉伸试样的均匀变形阶段轮廓图；
[0034]
图5为本发明实施例的圆棒拉伸试样的集中变形阶段轮廓图；
[0035]
图6为本发明实施例的圆棒拉伸试样的集中变形阶段的集中变形区不同集中变形程度轮廓直径测试点示意图；
[0036]
图7为本发明实施例的圆棒拉伸试样的集中变形阶段的集中变形区不同集中变形程度轮廓硬度测试点示意图；
[0037]
图8为本发明实施例的圆棒拉伸试样的集中变形阶段的集中变形区不同位置应变量与硬度值关系图；
[0038]
图9为本发明实施例的奥氏体低温钢均匀变量阶段应变量与硬度值关系图；
[0039]
图10为本发明实施例的高强钢集中变形阶段应变量与硬度值关系图；
[0040]
图11为本发明实施例的所述金属材料变形过程中塑性变形量的测试方法的流程示意图。
具体实施方式
[0041]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。在本发明的实施例中所提到的“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
[0042]
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0043]
在金属材料成形及服役性能测量试验过程中，获得曲面不同部位塑性变形量和服役性能测量试验过程中材料非均匀区域塑性变形量的表征参量，建立塑性变形表征参量与塑性变形量的定量关系直接关系到非均匀大变形区域塑性变形量的定量测量，本发明主要基于这一要求设计了金属材料变形过程中塑性变形量的测试方法。
[0044]
本发明针对不同部位塑性变形量和服役性能测量试验过程中材料非均匀区域塑性变形量的表征、塑性变形量表征参量与塑性变形定量关系这两方面的技术问题采取的解决方案如下：
[0045]
(1)塑性变形量的表征
[0046]
受力状态下，金属材料从弹性变形阶段进入塑性变形阶段，随着塑性变形量增加，材料的流动应力σ0也随之增加，流动应力σ0即为能够不产生颈缩地将试样拉伸至轴向应变等于ε时的真应力，金属材料在未发生颈缩前，材料的抗拉强度是一定值，即材料的塑性变形量与变形后再次发生塑性变形的屈服强度密切相关，而于材料的抗拉强度无关。而硬度作为衡量金属材料软硬程度的一种性能指标，与材料的强度密切相关，但材料硬度取决于屈服强度还是抗拉强度并无明确的说法。
[0047]
本发明通过设计奥氏体低温钢的预变形拉伸试样对硬度与屈服强度和抗拉强度的相关性进行验证，奥氏体低温钢由于均匀变形能力较强，在受力达到抗拉强度之前具有较大的均匀变形量，材料颈缩颈缩之前的预拉伸变形量只改变材料再次塑性变形的屈服强度，而不改变材料的抗拉强度，本发明首先开展奥氏体低温钢不同变形程度的预拉伸试验，
应力应变曲线如图1所示。试验结束后，从不同变形量预拉伸试样上取样进行硬度试验，预拉伸变形量如表所示1。预变形量与硬度的关系如图2所示，随着预变形增大，材料的硬度近似呈线性增大，而材料预拉伸过程中，材料继续发生塑性变形的屈服应力增大，而抗拉强度并未发生变化，即材料的硬度取决于材料的屈服应力，基于此，本发明提出以硬度作为材料塑性变形量的表征参量。
[0048]
表1奥氏体低温钢预拉伸变变形后的硬度值
[0049][0050]
(2)塑性变形量表征参量与塑性变形的定量关系
[0051]
金属材料拉伸从均匀塑性变形至集中塑性变形阶段的形状轮廓如图3、图4和图5所示，对于奥氏体低温钢，试样在集中变形之前，试样具有较强的均匀变形能力，在均匀变形阶段，如图4所示，材料的应变通过引伸计测量即可获得，在集中变形阶段，如图5所示，由于材料的变形均集中在颈缩区，整个变形为非均匀变形，集中变形区域不同位置材料的应变可通过界面收缩率计算获得，计算公式如式(1)所示。奥氏体低温钢均匀变形阶段不同程度预拉伸变形后的硬度值如表1所示，应变量与硬度值的关系如图2所示，可知，应变量与硬度值呈明显的线性关系如图9所示，相关性表达式如式(2)所示。铁素体高强钢颈缩阶段集中变形阶段不同位置的硬度值如表2所示，集中变形区域不同位置与硬度值的关系如图8所示，应变量与硬度值的关系如图10所示，可知，应变量与硬度值呈明显的线性关系，相关性表达式如式(3)所示。式(2)和式(3)建立了较大应变范围内应变量与硬度的关系式，根据式(2)和式(3)可通过测试金属材料变形后硬度值推导出材料的塑性变形量。
[0052][0053]
hv10＝513.6
·
ε 249
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)，
[0054]
hv10＝37.8
·
ε 266
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)，式中：ε——应变；z——试样截面收缩率；hv10——维氏硬度。
[0055]
表2铁素体高强钢集中变形区不同位置硬度值
[0056][0057]
实施例1
[0058]
本实施例提出一种金属材料变形过程中塑性变形量的测试方法，如图11所示，所
述金属材料变形过程中塑性变形量的测试方法包括以下步骤：
[0059]
s1、对试样进行单向拉伸试验；
[0060]
s2、获取试样均匀变形阶段和集中变形阶段不同位置的硬度值；
[0061]
s3、获取试样均匀变形阶段和集中变形阶段不同位置的应变量；
[0062]
s4、建立应变量与硬度值的关系式；
[0063]
s5、根据试样的实际硬度值、步骤s4所述的应变量与硬度值的关系式来获取金属材料复杂曲面成形及服役性能评价试验过程中的应变量。
[0064]
本实施例所述的一种金属材料变形过程中塑性变形量的测试方法，试验过程简单，可操作性强；建立了大应变范围内应变量与硬度值的相关性表达式，能够实现金属材料复杂曲面成形及服役性能评价试验过程中大塑性变形量的有效测量，可为金属材料强度和失效研究提供必要的基础支撑。
[0065]
具体的，在步骤s1中，通过拉伸试验机夹头进行加持试样来对试样进行单向拉伸试验。
[0066]
具体的，在步骤s3中，通过试样轮廓直径的变化来计算获得应变量，计算公式如下：
[0067][0068]
其中，ε为应变；z为试样截面收缩率。
[0069]
具体的，截面收缩率的计算方法属于现有技术，在此不详细赘述。
[0070]
具体的，在步骤s4中，以应变量为x轴，硬度值为y轴建立坐标系，建立应变量与硬度值的关系式。
[0071]
具体的，在步骤s2中，所述硬度值为维氏硬度。
[0072]
具体的，在本实施例中，所述试样为奥氏体低温钢。
[0073]
具体的，在步骤s2中，在均匀变形阶段，将奥氏体低温钢拉伸加载至不同塑性变形量后停止加载，通过硬度试验机测试变形后材料的硬度，硬度测量的结果如表3所示。
[0074]
更具体的，如图9所示，奥氏体低温钢在均匀变形阶段不同位置应变量与硬度值呈明显的线性关系，所述奥氏体低温钢建立应变量与硬度值的关系式如下：
[0075]
hv10＝513.6
·
ε 249，
[0076]
其中，ε为应变；hv10为维氏硬度。
[0077]
在步骤s2中，奥氏体低温钢在均匀变形阶段，将奥氏体低温钢拉伸加载至不同塑性变形量后停止加载，加载过程如图1所示，通过硬度试验机测试变形后材料的硬度，硬度测量如图2所示，硬度测量的结果如表3所示。
[0078]
在步骤s5中，根据奥氏体低温钢的硬度值、所述的应变量与硬度值的关系式来获取奥氏体低温复杂曲面成形及服役性能评价试验过程中的应变量，奥氏体低温钢2倍板厚和5倍板厚弯心直径弯曲120
°
后试样的硬度值和测量得到的应变量如表4所示。
[0079]
表3奥氏体低温钢不同程度预拉伸变形后的硬度值
[0080][0081]
表4奥氏体低温钢不同弯心直径弯曲后受弯面的应变量测量
[0082][0083]
本实施例所述的一种金属材料变形过程中塑性变形量的测试方法，试验过程简单，可操作性强；建立了大应变范围内应变量与硬度值的相关性表达式，能够实现金属材料复杂曲面成形及服役性能评价试验过程中大塑性变形量的有效测量，可为金属材料强度和失效研究提供必要的基础支撑。
[0084]
实施例2
[0085]
与实施例1不同的是，在本实施例中，所述试样为铁素体高强钢。
[0086]
在步骤s2中，在集中变形阶段，将铁素体高强钢拉伸加载直至材料断裂，通过硬度试验机测试集中变形区不同位置材料的硬度，硬度测量结果如表5所示。
[0087]
更具体的，如图10所示，铁素体高强钢在集中变形阶段不同位置应变量与硬度值呈明显的线性关系，所述铁素体高强钢建立应变量与硬度值的关系式如下：
[0088]
hv10＝37.8
·
ε 266，
[0089]
其中，ε为应变；hv10为维氏硬度。
[0090]
在步骤s2中，在集中变形阶段，将铁素体高强钢拉伸加载直至材料断裂，通过硬度试验机测试集中变形区不同位置材料的硬度，试样轮廓及硬度测量点如图6和图7所示，硬度测量结果如表5所示。
[0091]
在步骤s5中，根据铁素体高强钢的实际硬度值、所述的应变量与硬度值的关系式来获取奥氏体低温复杂曲面成形及服役性能评价试验过程中的应变量，铁素体高强钢2倍板厚和5倍板厚弯心直径弯曲120
°
后试样的硬度值和测量得到的应变量如表6所示。
[0092]
表5铁素体高强钢集中变形区不同位置的硬度值
[0093][0094]
表6铁素体高强钢不同弯心直径弯曲后受弯面的应变量测量
[0095][0096][0097]
本实施例所述的一种金属材料变形过程中塑性变形量的测试方法，试验过程简单，可操作性强；建立了大应变范围内应变量与硬度值的相关性表达式，能够实现金属材料复杂曲面成形及服役性能评价试验过程中大塑性变形量的有效测量，可为金属材料强度和失效研究提供必要的基础支撑。
[0098]
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。