一种金属材料屈服面的测定方法与流程

本发明属于力学实验屈服面测定技术领域，具体涉及一种在不同加载路径下金属材料屈服面的测定方法，尤其适用于HCP结构的金属材料测定。

背景技术：

金属材料在工程应用中很多问题涉及到塑性力学理论，如金属材料的加工成形过程就是塑性变形。为了解决这些工程问题，需要了解材料的塑性变形行为。大量的研究表明，在复杂加载路径下，材料的力学性能表现出各向异性行为，而经典的塑性理论无法表征这种力学性能，因此，要对这种行为进行描述。金属材料的塑性行为都是通过对屈服面的演化规律来研究，屈服面的演化可以反映材料的屈服、塑性流变和硬化规律。因此，屈服面的测定是金属材料本构关系研究的前提。

屈服面测定的加载路径主要为比例加载、非比例加载。大多数研究者采用拉-扭组合的比例加载方式进行测定。这种加载方式虽然可以有效的确定屈服面的形状，但是不能很好地反映材料塑性变形各向异性行为，所以这种方式适用于测定各向同性材料的屈服面演化，却不太适用于具有较强的各向异性行为的金属材料，如镁合金、钛合金等。

综上所述，现有的屈服面测定方法不能很好的表征金属材料的各向异性。

技术实现要素：

针对上述存在问题，本发明旨在提供一种金属材料屈服面的测定方法，该方法所测定的屈服面可以很好地反映金属材料塑性变形各向异性特征。

本发明的技术方案如下：一种金属材料屈服面的测定方法，采用预拉伸-扭转变形加载路径测定后继屈服面演化规律，具体步骤如下：

(1)根据材料力学试验标准制备拉伸-扭转组合试验试样；

(2)取拉伸和扭转试样分别进行单向拉伸和扭转加载，测定相应的应力-应变曲线，获得相应的屈服强度值；

(3)根据步骤(1)中拉伸和扭转应力-应变曲线在轴向拉伸弹性区域内任意选取若干个应力或应变点，各点对应的应力或应变值作为横坐标，取与所选点数相同的试样个数，各试样分别先拉伸到对应的应力或应变点的正应力值，保持载荷，再进行扭转加载直至断裂，测出相应的扭转屈服强度值作为纵坐标，绘制出初始屈服面；

(4)确定预拉伸-扭转预变形加载路径，完成预拉伸-扭转的预变形加载：根据初始屈服面，先在步骤(2)中拉伸应力-应变曲线的塑性阶段任取某一正应力或应变值作为预拉伸值，再任取一不使材料断裂的剪应力或应变值作为预扭转值，将试样先拉伸到所取的预拉伸值，保持载荷，再扭转至所取的预扭转值，然后卸载到零，再拉伸卸载到零；

(5)先按步骤(4)取一个试样进行预拉伸-扭转预变形，然后单向拉伸加载直至断裂，测定后继拉伸应力-应变曲线，确定出经过预变形后的拉伸屈服强度；

(6)根据步骤(5)中后继拉伸应力-应变曲线，在轴向拉伸弹性区域内任取若干个应力或应变点，各点对应的应力或应变值作为横坐标，取与所选点数相同的试样个数，各试样先按步骤(4)预拉伸-扭转预变形加载路径加载，再拉伸加载到相应的应力或应变点的正应力值，保持载荷，然后扭转加载直至断裂，测出相应的扭转屈服强度值作为纵坐标，绘制出相应的后继屈服面。

与现有的拉-扭组合比例加载和预拉伸或预扭转加载路径的测定方法相比，本发明这种拉-扭非比例加载测定方法不仅可以反映出各向同性材料的屈服面演化规律，也能反映出各向异性材料的屈服面演化规律，尤其适用于具有较强力学性能各向异性行为的金属材料。

附图说明

图1是屈服面示意图。

图2是初始屈服面加载路径。

图3是预拉伸-扭转预变形加载路径。

图4是后继屈服面加载路径。

图中，1-初始屈服面，2-后继屈服面，Y1、Y2、Y3、Y4-初始屈服面坐标点，A-预拉伸点，L-预扭转点，Y5、Y6、Y7、Y8、S-后继屈服面坐标点，O、C、E、H、M、N、Q-选取的拉伸应力点。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明：

本发明实施例的一种金属材料屈服面测定方法，主要包括初始屈服面1和后继屈服面2的测定，如图1所示。设σ_Ten、σ_Tor分别为拉伸屈服强度和扭转屈服强度，具体步骤如下：

步骤1：根据材料力学试验标准制备9个拉伸-扭转组合试验试样，分别标记为1#，2#，3#，4#，5#，6#，7#，8#，9#。

步骤2：取1#试样和2#试样，然后分别进行单向拉伸和扭转加载，测出拉伸和扭转应力-应变曲线，根据拉伸和扭转应力-应变曲线，确定拉伸和扭转屈服强度和值。

步骤3：确定Y₁、Y₂、Y₃、Y₄点的坐标(Σ_Ten,Σ_Tor)，绘制如图2所示的初始屈服面。根据步骤2中拉伸应力-应变曲线在弹性区域内选取正应力值作为点O、C、E、H的横坐标。由于点Y₁、Y₂处的应力状态分别对应于步骤2中单向拉伸和扭转的屈服状态，因此，和Y₁、Y₂点的坐标分别为(0)和(0，)。取3#试样和4#试样，将3#试样和4#试样分别拉伸到正应力值并保持载荷，然后扭转加载直至断裂，测出相应的扭转屈服强度作为纵坐标，则Y₃、Y₄的纵坐标剪应力值依次为测得Y₂、Y₃、Y₄、Y₁的坐标为和根据测得的点坐标绘制出初始屈服面。

步骤4：确定图3所示的预拉伸-扭转预变形加载路径O-A-L-A-O。具体实施如下：在步骤2中拉伸应力-应变曲线塑性阶段选取一正应力值A点的坐标为(0)，位于初始屈服面Y1点的右侧作为预拉伸加载点，再任意选取不使材料断裂的剪应力值作为预扭转值，L点的坐标即为预变形加载路径O-A-L-A-O为先拉伸到正应力值保持载荷，再扭转到预扭转值然后扭转值卸载到零，再拉伸卸载到零，完成预拉伸-扭转的预变形加载。

步骤5，确定按预变形加载路径加载的后继拉伸应力-应变曲线。取9#试样按照步骤4进行预拉伸-扭转预变形，然后进行单向拉伸，直至断裂，测定后继拉伸应力-应变曲线，确定出经过预变形后的拉伸屈服强度值

步骤6，确定Y₅、Y₆、Y₇、Y₈、S点的坐标(Σ_Ten,Σ_Tor)绘制如图4所示的后继屈服面。S点处的应力状态为步骤5中9#试样单向拉伸的屈服状态，因此，S点的坐标为(0)。在步骤5中的后继拉伸应力-应变曲线弹性区域内任意选取正应力值作为点O、M、N、Q的横坐标。取5#、6#、7#、8#试样，将4个试样都按步骤4中的预拉伸-扭转预变形加载路径加载，再将4个试样分别先拉伸到相应的正应力值保持载荷，再扭转加载直至断裂，测出相应的扭转屈服强度作为纵坐标，测得Y₅、Y₆、Y₇、Y₈的坐标为根据测得的坐标绘制出的屈服面即为后继屈服面。