金属板料单向拉伸过程温度变化的预测方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及金属材料成形技术领域，具体地，涉及一种金属板料单向拉伸过程温 度变化的预测方法。
【背景技术】
[0002] 单向拉伸试验是目前使用最广泛的力学性能测试手段，通过该试验获得的材料的 应力-应变曲线是表征材料力学性能最直观的方法。随着科学技术的不断发展，金属的单向 拉伸试验已经不再局限于准静态应变率。现代汽车工业为了得到金属板料在冲压变形及汽 车碰撞过程的力学性能，往往需要进行大量高于准静态应变率的单向拉伸试验。然而，当应 变率不再是准静态应变率时，变形过程产生的大量热量来不及充分释放到周围环境中，必 然会使得试样温度升高，此时的单向拉伸变形过程不再是等温状态。而大量研究表明温度 是影响材料力学性能的重要因素，特别是诸如TRIP钢、奥氏体不锈钢和Q&P钢这类变形过程 伴随相变的材料，因为相变对温度非常敏感，所以温度对力学性能的影响特别大。因此，当 单向拉伸过程的温度不再是等温状态时，准确描述材料的力学性能还必须考虑温度变化造 成的影响。
[0003] 目前，试样单向拉伸过程温度的变化主要可以通过热电偶和红外热成像仪获得， 这些方法测量精度高但测量过程耗时耗力，且成本高昂，并不适用于工业应用。因此，定量、 快速、准确的预测不同应变率单向拉伸过程的温度变化具有非常重要的意义。
[0004] 板料成形领域习惯将材料变形过程的分为等温状态和绝热状态，一般认为单向拉 伸过程应变率足够低的时候，变形过程产生的热量有充分的时间与环境交换，试样温度基 本保持恒定，因此可认为是等温过程；当应变率足够高的时候，材料变形过程非常短暂，试 样与环境的热交换基本可以忽略，因此可认为处于绝热状态。等温状态单向拉伸过程温度 保持恒定，绝热状态单向拉伸试样的温度变化可以用材料塑性功的表达式很好的表述。然 而，对于应变率处于0.0002 ^ 0.丨.^范围的单拉过程，试样既有塑性功的释放又有与周围 环境之间的换热，其温度变化难以用传统的绝热温升模型或者等温模型的表达式描述。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种金属板料单向拉伸过程温度变 化的预测方法。
[0006] 根据本发明提供的金属板料单向拉伸过程温度变化的预测方法，包括如下步骤：
[0007] 步骤1:依据热弹性效应的原理，计算金属板料单向拉伸弹性变形过程的温度变化 量；
[0008] 步骤2:根据能量守恒定律分析板料塑性变形过程的产生的热量及与环境的热交 换量，并建立能量守恒公式；
[0009]步骤3:通过设定假设条件，简化能量守恒公式；
[0010]步骤4:根据板料材料的应力应变关系，依据塑性变形相关原理计算变形过程的塑 性功；
[0011] 步骤5:将单向拉伸过程的应变率、塑性功、基本材料常数、试样尺寸参数值代入所 述能量守恒公式，得到金属板料单向拉伸过程的温度变化的预测结果。
[0012] 优选地，步骤1中金属板料单向拉伸弹性变形过程是指：由于固体材料的热弹性效 应，弹性拉伸载荷会引起试样温度的略微下降，该阶段材料的温度变化计算公式如下：
[0014] 式中：Δ T表示板料的材料温度变化，To表示试样初始温度，Δ 〇表示应力变化，α表 示材料的线性膨胀系数，C表示材料比热容，Ρ表示材料密度，ε表示材料的塑性应变值；
[0015] 由于热弹性效应阶段的温度变化极小，不超过1°C，在预测温度变化时忽略，只计 算弹性段结束时，即ε = ε〇时材料的温度变化记为△ Ti，并将△ Ti作为后续塑性阶段的初始 温度;其中ε〇表示材料热弹性效应段结束时对应的塑性应变，也是材料的塑性变形开始占 主导作用的起始点对应的塑性应变；Α !^的计算公式如下：
[0017] 式中：Δ σ〇表示塑性应变为ε〇时对应的应力变化。
[0018] 优选地，所述步骤2中包括:通过分析大量塑性功的释放时，板料温度变化量以及 板料与环境之间进行的热交换，将单向拉伸板料的标距段作为一个微元体，建立如下的能 量守丨旦公式：
[0020]
I代表微元体六个表面的换热量，Τ表示微元体的瞬时温 度，C表示材料比热容，Ρ表示材料密度，
表示微元体温度对时间的偏导，
表示与X轴 垂直的微元体上两个表面的换热量，
表示与y轴垂直的微元体上两个表面的换热量，
-表示与Z轴垂直的微元体上两个表面的换热量，a表示换热系数或导热系数，步表示福 射换热，#表示试样的内热源，单向拉伸中主要是塑性功转化的热量，假设转化系数为β，则 内热源的计算公式如下：
[0022]式中：σ表示应力；其中，对板料进行单向拉伸试验，获取应力应变关系，能够得到 塑性功的值。
[0023]优选地，所述步骤3包括:假设单向拉伸板料的标距段在均匀变形过程，即抗拉强 度之前温度均匀，把该标距段作为一个微元并建立直角坐标系；
[0024] 具体地，对步骤2中的公式（1)等式左右两边同时对dt积分，并同乘以微元体积v， 其中v = dxdydz，得到在Δ t时间内，微元的能量守恒公式如下：
[0025]
[0026]对公式(2)进一步简化后得到能量守恒公式如下：
[0028]把公式(3)中微元体的自然对流换热量与福射换热量合并，即：
[0030] 式中：Δ T2表示试样与环境的温差，Δ t表示拉伸过程持续时间，h。表示自然对流换 热系数，hr表示辐射传热等价系数，为了简化，将自然对流换热系数以及辐射传热等价系数 的和用综合换热系数h表示，h能够通过查表并结合经验取值获得；
[0031] 将金属板料单向拉伸的塑性变形过程的能量守恒公式进一步简化为：
[0033] 优选地，所述步骤4包括:假设单向拉伸过程的应变率恒定
&表示应 变率，单向拉伸板料的标距段在塑性变形过程ε()< ε < eu中温度变化表达为：
[0035] 式中，eu表示材料颈缩点对应的塑性应变，β表示拉伸过程塑性功转化为热量的百 分数，ε表示塑性应变，C表示材料比热容，ρ表示材料密度，h表示综合换热系数，Α χ和Αζ分别 表示X方向和Ζ方向垂直的端面面积，ν表示微元体的体积，△ t表示拉伸持续时间；
[0036] 将温度IV作为塑性阶段的初始温度，得到预测金属板料单向拉伸过程ε < eu 温度变化趋势A f为如下表达式：
[0038] 式中：ε〇表示材料的塑性变形开始占主导作用的起始点对应的塑性应变，eu表示材 料颈缩点对应的塑性应变，也就是抗拉强度对应的塑性应变。
[0039] 优选地，所述步骤5包括:将金属板料某应变率下的单向拉伸的时间、应力应变关 系、材料常数及试样相关尺寸带入所述公式(7)，得到材料单向拉伸过程的温度变化的预测 结果。
[0040] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0041] 1、本发明提供的金属板料单向拉伸过程温度变化的预测方法针对应变率处于中 低应变率范围的单向拉伸过程的温度变化，可快速、准确、方便的进行预测，相比传统的热 电偶法和红外热成像法，大大降低了获取单向拉伸过程温度变化的数据的成本。
[0042] 2、本发明提供的金属板料单向拉伸过程温度变化的预测方法考虑了单向拉伸试 验过程塑性功释放的热量和环境换热对试样温度的影