一种十字拉伸预变形加载测定屈服面的方法与流程

本发明属于材料力学实验屈服面测定技术领域，具体涉及一种十字拉伸预变形加载测定屈服面的方法，该方法尤其适用于金属薄板材料屈服面的测定。

背景技术：

金属材料在工程应用中有很多问题涉及到塑性力学理论，而金属板材成形过程就是一种塑性变形行为，为了准确地预测成形过程和改善成形工艺，需要构建精确的本构模型表征塑性变形过程。然而，金属材料塑性变形过程中的屈服、塑性流变和强化效应可以采用屈服面的演化研究，屈服面的演化规律是构建本构模型的重要理论依据。

大量研究表明，金属板材在成形过程中的加载路径往往是一种非比例路径，其应力状态是多轴、复杂的。目前，针对板材的力学实验一般为沿不同方向取样单轴加载和双轴比例加载，这些加载方式不能很好的反映板材成形过程中的实际受力状态，在描述金属材料多轴、复杂应力状态下成形过程中存在不可忽略的误差，无法满足其实际成型过程的需要，尤其是具有强烈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地表征金属材料的各向异性。

技术实现要素：

针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种十字拉伸预变形加载测定屈服面的方法，该方法能够很好地反映板材双轴加载中屈服面的演化规律，能够有效表征金属材料塑性变形的各向异性力学行为。

为了解决上述存在的技术问题，本发明的技术方案如下：

一种十字拉伸预变形加载测定屈服面的方法，该方法采用一方向预拉伸变形后另一方向再拉伸变形的加载路径测定屈服面，其具体内容包括如下步骤：

(1)在板材轧制方向和横向分别制备轧制方向单轴拉伸试样、横向单轴拉伸试样和十字拉伸试样；

(2)取轧制方向单轴拉伸试样进行单向拉伸加载，测定相应的轧制方向拉伸应力-应变曲线；取横向单轴拉伸试样进行单向拉伸加载，测定相应的横向拉伸应力-应变曲线；获得相应的屈服强度值；

(3)根据步骤(2)中测定的轧制方向拉伸应力-应变曲线，在弹性区域内任意选取若干个应力点，将各个应力点对应的应力值作为横坐标，取个数与所选应力点点数相同的十字拉伸试样，各十字拉伸试样分别先沿轧制方向拉伸到选取的应力值，保持载荷，再沿横向拉伸直至断裂，测出相应的拉伸屈服强度值作为纵坐标；

(4)根据步骤(2)中测定的横向拉伸应力-应变曲线，在弹性区域内任意选取若干个应力点，将各个应力点对应的应力值作为纵坐标，取个数与所选应力点点数相同的十字拉伸试样，各十字拉伸试样分别先沿横向拉伸到选取的应力值，保持载荷，再沿轧制方向拉伸直至断裂，测出相应的拉伸屈服强度值作为横坐标；

(5)根据步骤(3)和(4)中所测定的坐标点绘制出初始屈服面；

(6)根据步骤(2)中测定的轧制方向拉伸应力-应变曲线，在塑性阶段分别选取一应力点作为预拉伸点，首先取一个轧制方向单轴拉伸试样，拉伸至选取的预拉伸点再卸载到零，测出轧制方向卸载过程的应力-应变曲线；然后取一个十字拉伸试样，先沿轧制方向拉伸至预拉伸点再卸载到零，接着沿横向单向拉伸加载，测出先沿轧制方向预拉伸再沿横向拉伸的应力-应变曲线，获得相应的屈服强度值；

(7)根据步骤(6)中测出的轧制方向卸载过程的应力-应变曲线，在弹性区域内任意选取若干个应力点，将各应力点所对应的应力值作为横坐标，取个数与所选应力点点数相同的十字拉伸试样，各十字拉伸试样分别先沿轧制方向拉伸到预拉伸点然后卸载到选取的应力值，保持载荷，再沿横向拉伸直至断裂，测出相应的拉伸屈服强度值作为纵坐标；

(8)根据步骤(6)中先沿轧制方向预拉伸再沿横向拉伸的应力-应变曲线，在弹性区域内任意选取若干个应力点，各应力点所对应的应力值作为纵坐标，取个数与所选应力点点数相同的十字拉伸试样，各十字拉伸试样分别先沿轧制方向拉伸到预拉伸点再卸载到零，然后沿横向拉伸至选取的应力点，保持载荷，再沿轧制方向加载直至断裂，测出相应的拉伸屈服强度值作为横坐标；

(9)根据步骤(7)和(8)中所测定的坐标点绘制出后继屈服面。

由于采用上述技术方案，本发明提供的一种十字拉伸预变形加载测定屈服面的方法，与现有技术相比具有这样的有益效果：

(1)克服了现有的十字拉伸实验测定等塑性功面比例加载方式的限制，提供了一种十字拉伸预变形加载测定屈服面的方法；

(2)本发明方法可以很好地反映出板材多轴拉伸的屈服面演化规律，尤其适用于具有较强各向异性力学行为的金属材料。

本发明方法能够很好地反映板材双轴加载中屈服面的演化规律，能够有效表征金属材料塑性变形的各向异性力学行为。

附图说明

图1是十字试样示意图；

图2是屈服面示意图；

图3是初始屈服面加载路径；

图4是后继屈服面加载路径。

图2中，1-初始屈服面，2-后继屈服面，y1、y2、y3、y4、y5、y6、y7、y8-初始屈服面坐标点，y9、y10、y11、y12、y13、y14-后继屈服面坐标点，a、b、c、d、e、f、g、h、i、j-选取的拉伸应力点，m-预拉伸点，rd-轧制方向，td-横向。

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：

用本发明的一种十字拉伸预变形加载测定屈服面的方法来测定金属材料屈服面，如图2所示，主要包括初始屈服面1和后继屈服面2的测定。设σrd、σtd分别为金属板材轧制方向(以下简称rd方向)和横向(以下简称td方向)拉伸屈服强度，该方法步骤如下：

步骤1：沿板材rd方向制备两个rd方向单轴拉伸试样，沿板材td方向制备一个td方向单轴拉伸试样；根据实验条件和材料制备11个如图1所示的十字拉伸试样；

步骤2：分别取一个rd方向制备的单轴拉伸试样和一个td方向制备的单轴拉伸试样进行单向拉伸加载，测出rd方向拉伸应力-应变曲线和td方向拉伸应力-应变曲线，根据曲线确定两个方向的拉伸屈服强度值σrd和σtd，以σrd为横坐标纵坐标取0得到y1点坐标，以σtd为纵坐标横坐标取0得到y2点坐标，即y1、y2的坐标为(σrd，0)和(0，σtd)；根据rd方向拉伸应力-应变曲线和td方向测出拉伸应力-应变曲线在相应的弹性区域内任意选取若干个应力点，rd方向上选取a、b、c点，应力值依次为td方向上选取d、e、f点，应力值依次为

步骤3：取3个制备好的十字拉伸试样，将十字拉伸试样分别加载到步骤2中rd方向选取的应力点a、b、c，保持载荷，然后沿td方向加载直至断裂，测出相应的应力-应变曲线并确定出各点td方向的屈服强度和则y3、y4和y5的坐标为和

步骤4：取3个制备好的十字拉伸试样，将十字拉伸试样分别加载到步骤2中td方向选取的应力点d、e、f，保持载荷，然后沿rd方向加载直至断裂，测出相应的应力-应变曲线并确定出各点rd方向的屈服强度和则y6、y7和y8的坐标为和

步骤5：将步骤2、3和4中测出的y1、y2、y3、y4、y5、y6、y7、y8点的坐标在应力坐标系中绘制出如图3所示的初始屈服面；

步骤6：根据步骤2中rd方向的拉伸应力-应变曲线在塑性阶段选取一应力点m作为预拉伸点，其对应值为y9的坐标为取一个rd方向单轴拉伸试样，拉伸加载至选取的预拉伸点再卸载到零，测出卸载过程的应力-应变曲线，然后在线弹性区域内选取应力点g、h，相应的应力值依次为和

步骤7：取一个十字拉伸试样，先沿rd方向加载到步骤6中选取的预拉伸点m再卸载到零，然后td方向加载，测出相应的应力-应变曲线并确定其屈服强度y10的坐标为根据测出的td方向应力-应变曲线，在弹性区域选取应力点i、j，应力值依次为

步骤8：取两个十字拉伸试样先沿rd方向加载到步骤6中选取的预拉伸点m，然后分别卸载到g、h点，保持载荷，再沿td方向加载直至断裂，测出相应的应力-应变曲线并确定各点的屈服强度和则y11、y12的坐标为和

步骤9：取两个十字拉伸试样，首先沿rd方向加载到步骤6中选取的预拉伸点m再卸载到零，然后分别沿td方向加载至步骤7中选取的应力点i、j，保持载荷，再沿rd方向拉伸直至断裂，测出应力-应变曲线并确定相应的屈服强度则y13、y14的坐标为和

步骤10：根据步骤6、7、8、9中测出的坐标绘制出如图4所示的后继屈服面，至此完成测定金属材料屈服面。