本发明涉及金属材料领域，特别是涉及一种获取金属材料各向异性和拉压非对称性的方法及系统。
背景技术：
近年来，航空、航天、汽车、高速列车、能源等高端制造业迅速发展，迫切要求先进塑性成形高端制造零构件朝着高性能、轻量化、高精度、低成本、高效率、能源高效利用与资源节约型、环境友好的方向发展。因此，塑性成形技术研发的核心聚焦在高性能轻量化构件精确塑性成形一体化制造方面。然而，许多金属材料在变形过程表现出的各向异性和拉压非对称性导致成形构件质量难以控制，难以实现高性能轻量化构件的高质量低成本精确塑性成形。这就需要获得材料的各向异性和拉压非对称性参数，以实现材料塑性变形行为的准确预测和精确控制。
目前，材料各向异性和拉压非对称性的相关研究，一直受到大量科研工作者的重视。如现有技术中，通过激光照射岩石产生的电压变化对岩石样品的各向异性特性进行分析，但此方法只适用于岩石材料各向异性特征的测量；或者通过采用单向拉伸试验、单向压缩试验、双向拉伸试验和双向压缩试验来测量金属板材的各向异性参数；或者通过液压胀形试验来测量金属管材的各向异性特性。但上述测量方法均存在着需要设计特殊的测试试样和测量装置或者需要进行大量的测量试验、测量方法复杂且成本高等缺陷。因此，如何简单、快速、有效的获得金属材料的各向异性特征和拉压非对称性特征，是目前金属材料塑料成形领域急需解决的问题。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种获取金属材料各向异性和拉压非对称性的方法及系统，以实现简单、快速、有效的获得金属材料的各向异性特征和拉压非对称性特征为目的；同时还实现无需设计特殊的测试试样和测量装置，也无需大量测量试验，节约成本的目的。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种获取金属材料各向异性和拉压非对称性的方法，所述方法包括：
获取金属样品上的努氏压痕以及所述努氏压痕对应的努氏硬度值；所述努氏压痕的形状为菱形；
确定第一关系式；所述第一关系式表示所述努氏压痕在短轴方向与长轴方向的应变增量比与金属样品各向异性系数以及所述努氏压痕的应力比之间的关系式；
根据所述第一关系式、所述金属样品各向异性系数和所述应变增量比，计算所述应力比；
确定第二关系式；所述第二关系式为努氏压痕应力值与所述应力比以及所述努氏硬度值之间的关系式；
根据所述第二关系式、所述应力比和所述努氏硬度值，计算所述努氏压痕应力值；
根据所述努氏压痕应力值，绘制所述金属样品的屈服轨迹，得到所述金属样品的各向异性特征和拉压非对称性特征。
可选的，所述获取金属样品上的努氏压痕以及所述努氏压痕对应的努氏硬度值，具体包括：
通过努氏硬度试验，获取金属样品上的多个努氏压痕；
通过数显显微硬度计，获取每个所述努氏压痕对应的努氏硬度值khv。
可选的，所述确定第一关系式，具体包括：
根据关联流动法则和公式
计算所述金属样品各向异性系数；
根据所述努氏压痕应变增量表达式和所述金属样品各向异性系数，确定第一关系式；所述第一关系式为
可选的，所述第二关系式的表达式为
可选的，所述根据所述努氏压痕应力值，绘制所述金属样品的屈服轨迹，具体包括：
根据所述努氏压痕应力值，采用立方多项式函数，绘制所述金属样品的屈服轨迹。
本发明还提供了一种获取金属材料各向异性和拉压非对称性的系统，所述系统包括：
获取模块，用于获取金属样品上的努氏压痕以及所述努氏压痕对应的努氏硬度值；所述努氏压痕的形状为菱形；
第一关系式确定模块，用于确定第一关系式；所述第一关系式表示所述努氏压痕在短轴方向与长轴方向的应变增量比与金属样品各向异性系数以及努氏压痕的应力比之间的关系式；
应力比计算模块，用于根据所述第一关系式、所述金属样品各向异性系数和所述应变增量比，计算所述应力比；
第二关系式确定模块，用于确定第二关系式；所述第二关系式为努氏压痕应力值与所述应力比以及所述努氏硬度值之间的关系式；
努氏压痕应力值计算模块，用于根据所述第二关系式、所述应力比和所述努氏硬度值，计算所述努氏压痕应力值；
屈服轨迹绘制模块，用于根据所述努氏压痕应力值，绘制所述金属样品的屈服轨迹。
可选的，所述第一关系式确定模块，具体包括：
努氏压痕应变增量表达式确定单元，用于根据关联流动法则和公式
金属样品各向异性系数计算单元，用于计算所述金属样品各向异性系数；
第一关系式确定单元，用于根据所述努氏压痕应变增量表达式和所述金属样品各向异性系数，确定第一关系式；所述第一关系式为
可选的，所述屈服轨迹绘制模块，具体包括：
应力屈服轨迹绘制单元，用于根据所述努氏压痕应力值，采用立方多项式函数，绘制所述金属样品的屈服轨迹。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明首先获取金属样品上的努氏压痕以及努氏压痕对应的努氏硬度值；然后通过努氏压痕在短轴方向与长轴方向的应变增量比与金属样品各向异性系数以及努氏压痕的应力比之间的关系式，计算应力比；再通过努氏压痕应力值和应力比之间的关系式，计算努氏压痕应力值，并根据此努氏压痕应力值，绘制金属样品的屈服轨迹，得到金属样品的各向异性特征和拉压非对称性特征。因此，采用本发明提供的方法或系统能够简单、快速、有效的获得金属材料的各向异性特征和拉压非对称性特征，并且无需设计特殊测试试样和特殊测量装置，无需进行大量测量试验，能够有效降低测量成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例获取金属材料各向异性和拉压非对称性的方法流程示意图；
图2为本发明实施例努氏硬度试验中压头和压痕示意图；
图3为本发明实施例测量板材努氏硬度的示意图；
图4为本发明实施例测量管材努氏硬度的示意图；
图5为本发明实施例屈服轨迹与传统方法的结果对比示意图；
图6为本发明实施例正规化屈服轨迹的对比示意图；
图7为本发明实施例获取金属材料各向异性和拉压非对称性的系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是一种提供获取金属材料各向异性和拉压非对称性方法及系统，该方法和系统无需设计特殊测试试样和特殊测量装置，也无需进行大量测量试验，就能够简单、快速、有效的获得金属材料的各向异性特征和拉压非对称性特征，降低了测量成本。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例获取金属材料各向异性和拉压非对称性的方法流程示意图，如图1所示，本发明提供的方法具体包括以下步骤：
步骤101：获取金属样品上的努氏压痕以及所述努氏压痕对应的努氏硬度值；
步骤102：确定第一关系式；所述第一关系式表示所述努氏压痕在短轴方向与长轴方向的应变增量比与金属样品各向异性系数以及努氏压痕的应力比之间的关系式；
步骤103：根据所述第一关系式、所述金属样品各向异性系数和所述应变增量比，计算所述应力比；
步骤104：确定第二关系式；所述第二关系式为努氏压痕应力值与所述应力比以及所述努氏压痕对应的努氏硬度值之间的关系式；
步骤105：根据所述第二关系式、所述应力比和所述努氏硬度值，计算所述努氏压痕应力值；
步骤106：根据所述努氏压痕应力值，绘制所述金属样品的屈服轨迹，得到所述金属样品的各向异性特征和拉压非对称性特征。
其中，步骤101具体包括：
首先通过努氏硬度试验，获取金属样品上的努氏压痕以及努氏压痕对应的努氏硬度值。
本发明实施例中努氏硬度试验所用压头和得到的努氏压痕如图2所示。努氏压痕的形状为菱形，努氏压痕的长轴长度与短轴长度之比为7，则努氏压痕短轴方向与长轴方向的应变增量之比为δ＝7。
然后通过数显显微硬度计，获取每个努氏压痕对应的努氏硬度值khv。
步骤102具体包括：
第一：在努氏硬度试验中努氏压痕增量成形过程中，根据金属样品各向异性方向和金属样品主应力方向重合以及hill’48屈服准则得到公式
第二：计算金属样品各向异性系数；其金属样品各向异性系数的计算表达式如公式(5)所示
第三：根据关联流动法则和公式(1)确定努氏压痕应变增量表达式；所述努氏压痕应变增量表达式为
第四：根据公式(6)和公式(2)获得努氏压痕应变增量比如公式(8)所示：
选择如图2所示的六个努氏压痕，每个努氏压痕的应力比为αi(i＝a,b,c,d,e,f)，通过下面的公式计算：
1)对于努氏压痕a来说，如图3或图4所示，努氏压痕a的短轴与x轴平行、努氏压痕a长轴与y轴平行，则努氏压痕a的应变增量比如公式(9)所示：
2)对于努氏压痕b来说，如图3或图4所示，努氏压痕短轴与y轴平行、努氏压痕长轴与x轴平行，则努氏压痕b的应变增量比如公式(11)：
3)对于努氏压痕c来说，如图3或图4所示，努氏压痕短轴与y轴平行、努氏压痕长轴与z轴平行，则努氏压痕c的应变增量比如公式(13)：
4)对于努氏压痕d来说，如图3或图4所示，努氏压痕短轴与z轴平行、努氏压痕长轴与y轴平行，则努氏压痕d的应变增量比如公式(16)：
5)对于努氏压痕e来说，如图3或图4所示，努氏压痕短轴与z轴平行、努氏压痕长轴与x轴平行，则努氏压痕e的应变增量比如公式(19)：
6)对于努氏压痕f来说，如图3或图4所示，努氏压痕短轴与x轴平行、努氏压痕长轴与z轴平行，则努氏压痕f的应变增量比如公式(22)：
综上，第一关系式为
若不进行单轴拉伸试验，参数比r＝1，则第一关系式为
步骤103具体包括两种情况。
一种情况是不进行单轴拉伸试验，参数比r＝1，第一关系式为
另一种情况是进行单轴拉伸试验，计算参数比r；其中，计算参数比r具体为根据gb/t228金属材料拉伸试验标准，设计金属材料的拉伸试样，在cmt5205材料试验机使用数字散斑应变测量系统测量材料的长度方向(材料轧向)
步骤104具体包括：
根据现有技术，建立努氏硬度值和σ1、σ2之间的关系如公式(27)所示：
通过公式(27)，确定第二关系式；所述第二关系式的表达式为
步骤106具体包括：根据所述努氏压痕应力值，采用立方多项式函数，绘制所述金属样品的屈服轨迹，得到金属样品的各向异性和非对称性特征。
本发明实施例提供一种获取金属材料各向异性和拉压非对称性的方法，与现有技术相比，本发明实施例有如下的优点：(1)本发明实施例只需进行努氏硬度试验和单轴拉伸试验，就可获得材料的各向异性和拉压非对称性特征，简化了传统测量方法需要设计特殊的测试试样和测量装置，并进行大量的测量试验的过程；(2)本发明实施例只通过努氏硬度试验就可快速获得材料各向异性和拉压非对称性特征，克服了传统测量方法会对材料造成不可逆转的损伤的缺点，同时还解决了传统方法难以测量厚度在1mm以下管材的各向异性和拉压非对称性的问题；(3)本发明实施例操作简单，可以在少量的硬度实验后得到材料各向异性和拉压非对称性特征，节约了成本；(4)通过本发明实施例所测得各向异性和拉压非对称性参数精度高，可靠性好，更符合实际情况。
下面通过具体实施例来说明本发明公开的技术方案。
本实施例选用的管材的规格为φ76.2×t1.07mm的ta18钛合金管，使用线切割在管材上取1cm×1cm的试样，对试样表面进行酸洗，消除表面氧化层对测量结果的影响。酸洗时将试样在50℃的试剂中静置24小时，试剂的成分为5mlhf、10mlhno3与85mlh2o，然后将清洗后的试样进行金相处理，按照金相实验的要求抛光腐蚀，进行努氏硬度试验获得材料的努氏硬度值。
在进行硬度测量时要先对试样表面进行清洁，如果表面沾有油脂和污物，则会影响测量准确性。在清洁试样时，要用酒精或乙醚抹擦。
本实施例使用的仪器为thv-1md自动转塔数显显微硬度计，将清洁过的试样放在十字型夹持台上，设定压头载荷为200g，试验力饱和时间40。按照图3中压痕方向进行压制，并对每个压痕的硬度值测量十五次，然后取平均值。ta18钛合金额努氏硬度测量值如表1所示。
表1ta18钛合金不同方向上的努氏硬度值
若对试样不进行单轴拉伸试验，则通过公式(25)得到努氏压痕的应力比，通过公式(4)努氏压痕应力值，如表2所示。
表2只进行努氏硬度试验得到的努氏压痕的应力比和努氏压痕应力值
如表2所示，将努氏压痕应力值绘制在σ1-σ2坐标中，使用如公式(28)的立方多项式函数拟合屈服应力点，绘制屈服轨迹如图5所示，得到试样的各向异性和非对称性。从图5中可以看出，本实施例绘制的屈服轨迹与各向同性屈服轨迹对比发现，试样明显表现出各向异性和非对称性特征。其中公式(28)为f(x,y)＝ax3+by3+cx2+dy2+exy+fx+gy-1(28)。
若对试样进行单轴拉伸试验，则通过公式(3)得到努氏压痕的应力比，通过公式(4)努氏压痕应力值，如表3所示。本实施例中，试样的厚向异性系数r＝1.508。
表3结合努氏硬度试验和单轴拉伸试验得到的努氏压痕的应力比和努氏压痕应力值
如表3所示，将努氏压痕应力值绘制在σ1-σ2坐标中，使用如公式(28)的立方多项式函数拟合屈服应力点，绘制屈服轨迹如图5所示，得到试样的各向异性和非对称性。从图5中可以看出，本实施例绘制的屈服轨迹与各向同性屈服轨迹对比发现，试样明显表现出各向异性和非对称性特征。另外，为了证明该方法的可行性，将传统方法得到的材料的各向异性和非对称性屈服轨迹与本发明测量方法得到的屈服轨迹进行了对比。
图6为本发明实施例正规化屈服轨迹的对比示意图，如图6所示，通过对比正规化后的屈服轨迹，发现通过本发明得到的屈服轨迹与传统方法得到的屈服轨迹在第一象限吻合，在其他象限趋势一致，所用本发明能测量材料的各向异性和非对称特征。
为达到上述目的，本发明还提供了一种获取金属材料各向异性和拉压非对称性的系统，图7为本发明实施例获取金属材料各向异性和拉压非对称性的系统结构示意图，如图7所示，所述系统包括：
获取模块701，用于获取金属样品上的努氏压痕以及所述努氏压痕对应的努氏硬度值；所述努氏压痕的形状为菱形；
第一关系式确定模块702，用于确定第一关系式；所述第一关系式表示所述努氏压痕在短轴方向与长轴方向的应变增量比与金属样品各向异性系数以及努氏压痕的应力比之间的关系式；
应力比计算模块703，用于根据所述第一关系式、所述金属样品各向异性系数和所述应变增量比，计算所述应力比；
第二关系式确定模块704，用于确定第二关系式；所述第二关系式为努氏压痕应力值与所述应力比以及所述努氏硬度值之间的关系式；
努氏压痕应力值计算模块705，用于根据所述第二关系式、所述应力比和所述努氏硬度值，计算所述努氏压痕应力值；
屈服轨迹绘制模块706，用于根据所述努氏压痕应力值，绘制所述金属样品的屈服轨迹。
其中，第一关系式确定模块702，具体包括：
努氏压痕应变增量表达式确定单元，用于根据关联流动法则和公式
金属样品各向异性系数计算单元，用于计算所述金属样品各向异性系数；
第一关系式确定单元，用于根据所述努氏压痕应变增量表达式和所述金属样品各向异性系数，确定第一关系式；所述第一关系式为
屈服轨迹绘制模块706，具体包括：
应力屈服轨迹绘制单元，用于根据所述努氏压痕应力值，采用立方多项式函数，绘制所述金属样品的屈服轨迹。
通过本实施例提供的系统能够简单、快速、有效的获得金属材料的各向异性特征和拉压非对称性特征，能够降低测量成本，且也无需设计特殊测试试样和特殊测量装置，无需进行大量测量试验。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。