一种获取延性金属材料拉伸性能的方法与流程

本发明涉及金属材料拉伸性能测量，具体涉及一种获取延性金属材料拉伸性能的方法。

背景技术：

1、工程结构中存在一些横截面为“o”形的指环型构件，如大型结构中应用的指环型密封环。主要作用为通过密封环预先被挤压后，发生弹塑性变形，产生的回弹力来实现对大型压力容器(如核反应堆压力容器)主螺栓施加稳定持久的预紧力。早期工程结构的密封性单纯通过主螺栓锁紧固定来实现，在长时间运行后，由于材料变形、复杂承载、环境温度等影响，将导致螺栓的锁紧力逐步减小，最终失去密封效果，引发安全事故。如果预先给予主螺栓过大的锁紧力，将导致螺栓长期处于高应力状态，随着设备的运行，极大增加了发生主螺栓断裂失效的概率。因此，对于有高密封性要求(尤其动态密封性)的工程结构，需增加密封指环来确保长时间稳定有效的密封，同时在设备运行中，其回弹性可缓冲减小结构承载过大应力。

2、由此可见，指环型构件是工程结构重要的部件之一。对于指环构件的力学行为与回弹特性的分析计算也就极为重要。而工程构件材料的拉伸性能参数是对其进行有限元仿真设计的基础参数。刚刚投入使用的工程构件的材料性能可根据原材料测试获取。但对于长期服役运行后的工程构件，其材料性能受环境影响，发生明显变化，需要重新测试获取。而小尺寸工程构件的受尺寸限制，难以提供传统单轴拉伸试验所需要的样品尺寸。因此，需要研究一种非常规的小尺寸指环材料性能测试方法。在304不锈钢o形环回弹量的预测模型研究的论文中，对“o”型环的力学行为进行了有限元分析研究。其研究思路为基于大量的有限元分析计算结果，回归拟合经验公式。后续学者亦在此方向开展了诸多研究工作。然而这些预测方式存在一定问题：1.研究方法均为基于大量有限元仿真数据，再借助统计学回归拟合，建立经验公式，其适用范围受限；2.经验公式预测精度不高；3.经验公式含参数较多，实际应用不易。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种获取延性金属材料拉伸性能的方法，基于弹塑性理论基础，再与有限元模拟分析相结合，建立材料性能参数与压缩载荷、位移之间的关系模型，解决了现有技术需按照传统拉伸样品构型尺寸进行取样以及无法提供满足拉伸样品尺寸的小尺寸在役结构材料性能测试的问题。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、一种获取延性金属材料拉伸性能的方法，包括：

4、获取指环型工程构件的外形尺寸以及通过试验所得的试验载荷-位移曲线；其中，指环型工程构件所采用的材料为延性金属材料；

5、对所述试验载荷-位移曲线的线弹性段进行线性拟合，以获取线弹性段斜率，并根据线弹性段斜率获取环型工程构件对应的弹性模量；

6、对所述试验载荷-位移曲线的弹塑性曲线段进行幂律拟合，以获取弹塑性段系数以及弹塑性段指数；

7、根据所述环型工程构件对应的弹性模量、弹塑性段系数和弹塑性段指数，获取环型工程构件对应的弹塑性性能参数；

8、根据所述环型工程构件对应的弹性模量以及弹塑性性能参数，获取环型工程构件对应的单轴应力-应变关系；

9、将环型工程构件对应的单轴应力-应变关系转换为工程应力-应变曲线，并根据工程应力-应变曲线确定目标屈服强度，根据弹性模量以及弹塑性性能参数获取指环型工程构件的抗拉强度；

10、将工程应力-应变曲线、目标屈服强度以及指环型工程构件的抗拉强度共同作为指环型工程构件的拉伸性能参数。

11、在一种可能的实施方式中，指环型工程构件的外形尺寸，包括：指环外径d以及指环横截面圆直径d。

12、在一种可能的实施方式中，对所述试验载荷-位移曲线的线弹性段进行线性拟合，以获取线弹性段斜率，包括：

13、通过f＝keh对所述试验载荷-位移曲线的线弹性段进行线性拟合，得到线弹性段斜率ke；

14、其中，f表示试验载荷，h表示试验位移。

15、在一种可能的实施方式中，根据线弹性段斜率获取环型工程构件对应的弹性模量为：

16、

17、其中，e表示弹性模量，ke表示线弹性段斜率，d表示指环外径，d表示指环横截面圆直径，t0表示第一系数。

18、在一种可能的实施方式中，对所述试验载荷-位移曲线的弹塑性曲线段进行幂律拟合，以获取弹塑性段系数以及弹塑性段指数，包括：

19、以所述试验载荷-位移曲线的弹塑性曲线段为基础，通过f＝chm进行幂律拟合，得到弹塑性段系数c以及弹塑性段指数m；

20、其中，f表示试验载荷，h表示试验位移。

21、在一种可能的实施方式中，根据所述环型工程构件对应的弹性模量、弹塑性段系数和弹塑性段指数，获取环型工程构件对应的弹塑性性能参数为：

22、

23、其中，n表示应变硬化指数，σy表示名义屈服强度，n以及σy共同组成环型工程构件对应的弹塑性性能参数，t1、t2、t3以及t4分别表示第二系数、第三系数、第四系数以及第五系数，e表示弹性模量。

24、在一种可能的实施方式中，根据所述环型工程构件对应的弹性模量以及弹塑性性能参数，获取环型工程构件对应的单轴应力-应变关系为：

25、

26、其中，σ表示真应力，e表示弹性模量，ε表示真应变。

27、在一种可能的实施方式中，将环型工程构件对应的单轴应力-应变关系转换为工程应力-应变曲线为：

28、

29、其中，e表示自然常数，εe表示工程应变，σe表示工程应力。

30、在一种可能的实施方式中，根据工程应力-应变曲线确定目标屈服强度，包括：通过平行于线弹性段的0.2％偏置线与工程应力-应变关系曲线交点确定屈服强度rp0.2。

31、在一种可能的实施方式中，根据弹性模量以及弹塑性性能参数获取指环型工程构件的抗拉强度为：

32、

33、其中，rm表示抗拉强度，e表示自然常数。

34、本发明提供的一种获取延性金属材料拉伸性能的方法，基于弹塑性理论基础，再与有限元模拟分析相结合，建立材料性能参数与压缩载荷、位移之间的关系模型，能够有效地获取延性金属材料拉伸性能，解决了工程中实际存在的密封环材料性能测试的难题，突破了样品尺寸限制，可根据实际工程构型尺寸形状进行试验测试，无需制样。

技术特征：

1.一种获取延性金属材料拉伸性能的方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的获取延性金属材料拉伸性能的方法，其特征在于，指环型工程构件的外形尺寸，包括：指环外径d以及指环横截面圆直径d。

3.根据权利要求2所述的获取延性金属材料拉伸性能的方法，其特征在于，对所述试验载荷-位移曲线的线弹性段进行线性拟合，以获取线弹性段斜率，包括：

4.根据权利要求1-3任一所述的获取延性金属材料拉伸性能的方法，其特征在于，根据线弹性段斜率获取环型工程构件对应的弹性模量为：

5.根据权利要求4所述的获取延性金属材料拉伸性能的方法，其特征在于，对所述试验载荷-位移曲线的弹塑性曲线段进行幂律拟合，以获取弹塑性段系数以及弹塑性段指数，包括：

6.根据权利要求5所述的获取延性金属材料拉伸性能的方法，其特征在于，根据所述环型工程构件对应的弹性模量、弹塑性段系数和弹塑性段指数，获取环型工程构件对应的弹塑性性能参数为：

7.根据权利要求6所述的获取延性金属材料拉伸性能的方法，其特征在于，根据所述环型工程构件对应的弹性模量以及弹塑性性能参数，获取环型工程构件对应的单轴应力-应变关系为：

8.根据权利要求7所述的获取延性金属材料拉伸性能的方法，其特征在于，将环型工程构件对应的单轴应力-应变关系转换为工程应力-应变曲线为：

9.根据权利要求8所述的获取延性金属材料拉伸性能的方法，其特征在于，根据工程应力-应变曲线确定目标屈服强度，包括：通过平行于线弹性段的0.2％偏置线与工程应力-应变关系曲线交点确定屈服强度rp0.2。

10.根据权利要求6所述的获取延性金属材料拉伸性能的方法，其特征在于，根据弹性模量以及弹塑性性能参数获取指环型工程构件的抗拉强度为：

技术总结本发明公开了一种获取延性金属材料拉伸性能的方法，涉及金属材料拉伸性能测量技术领域，基于弹塑性理论基础，再与有限元模拟分析相结合，建立材料性能参数与压缩载荷、位移之间的关系模型，能够有效地获取延性金属材料拉伸性能，解决了工程中实际存在的密封环材料性能测试的难题，突破了样品尺寸限制，可根据实际工程构型尺寸形状进行试验测试，无需制样。技术研发人员：张志杰,郑鹏飞,车通,钱伟,王炼,张归航,张明受保护的技术使用者：核工业西南物理研究院技术研发日：技术公布日：2024/7/23