[发明专利]金属圆棒试样单轴拉伸大应变范围硬化曲线的测量方法

说明书

本发明公开了金属圆棒试样单轴拉伸大应变范围硬化曲线的测量方法，属于金属材料力学性能测试领域，该方法只需要测量圆棒拉伸试样断面半径，计算出断裂时刻的应力应变值，采用硬化模型将颈缩之前和断裂时刻的应力应变值进行拟合确定硬化模型参数的初始值。再采用实验设计法生成若干硬化参数组合，将这些参数所确定的硬化曲线输入到有限元软件中进行拉伸模拟，输出对应的模拟载荷位移曲线并计算模拟和实验载荷位移曲线的绝对面积差的总和，以该值为响应，以硬化参数为自变量，构建响应面模型，将响应面函数最小化作为优化目标，采用序列二次规划算法对目标函数进行优化，最优解即为该实验材料的大应变范围硬化曲线，本发明其计算量小、测量精度高。

技术领域

本发明属于金属材料力学性能测试技术领域，具体涉及金属圆棒试样单轴拉伸试验大应变范围硬化曲线的测量方法。

背景技术

单轴拉伸试验是金属材料力学性能测试的一种基本方法，通常由单轴拉伸试验获得材料的载荷-位移曲线，然后假定试样标距范围内均匀变形，将载荷-位移曲线转换为真应力-真应变曲线。但是在载荷最大点之后，试样在颈缩部位局部变形，颈缩部位承受三向拉应力。事实上，试样颈缩之后载荷虽然下降了，但材料在整个颈缩过程中却仍在不断硬化，真实的应力也应该是不断增加的。因此，颈缩之后由载荷-位移曲线直接转换而来的真应力-真应变曲线并不能代表材料的真实硬化曲线。传统方法如Bridgman法通过记录圆棒试样单轴拉伸失稳后的颈缩处最小截面半径a_i和颈缩外轮廓曲线在最小截面处的曲率半径R_i，代入以公式(1)和(2)计算颈缩之后的真实应变ε_i和真实应力σ_i，用于修正颈缩之后的硬化曲线

其中a₀为圆棒试样的初始截面半径；F_i为i时刻测量的载荷值。但是，针对颈缩外轮廓曲线在最小截面处的曲率半径R_i的实际测量环节非常繁琐，测量成本很高。基于此，Leroy公式将颈缩处a/R同颈缩时刻的应变ε_n以及后续各个时刻的应变ε_i建立如下联系

通过使用Leroy公式可以避免对曲率半径R_i的测量，降低了Bridgman法的使用难度。然而，Bridgman是基于对颈缩区域的几何近似而推导出来的，研究表明在精确获取颈缩轮廓几何参数的前提下，该方法所获取的大应变范围(1.0左右)的硬化曲线仍然具有3～10％的误差。此外，有限元迭代优化法也常见于确定大应变硬化曲线的研究中，但该法通常需要多达上百次的有限元计算，虽可获得较为精确地结果，但是计算代价太大。

发明内容

本发明的目的，为了解决目前传统方法获取颈缩之后的硬化曲线时测量繁琐，计算量大且误差大的难题，提出一种金属圆棒试样单轴拉伸大应变范围硬化曲线的测量方法，无需测量拉伸全程各个时刻颈缩处最小截面半径a_i和颈缩外轮廓曲率半径R_i，且无需大量的有限元计算。首先根据拉伸试验直接转换而来的真应力-真应变曲线提取颈缩时刻的应力和应变，测量圆棒拉伸试样的断面半径a_f，基于Leroy公式和Bridgman公式确定断裂时刻的应力和应变。其次选取本构模型将颈缩之前的应力应变曲线和断裂时刻的应变应变值进行拟合，确定硬化模型参数的初始值。将硬化模型参数的初始值所确定的硬化曲线输入到有限元软件ABAQUS中进行圆棒试样的单轴拉伸模拟，输出模拟载荷位移曲线。将模拟和实验载荷位移曲线的绝对面积差的总和最小化作为优化目标，采用实验设计(DOE)，响应面法(RSM)和序列二次规划(NLPQL)算法对硬化模型参数的初始值进行优化设计和计算，最终确定硬化模型参数的最优解即可获得该实验材料的大应变范围硬化曲线。

本发明所采用的技术方案具体步骤如下：