一種金屬材料屈服面的測定方法與流程

本發明屬于力學實驗屈服面測定技術領域，具體涉及一種在不同加載路徑下金屬材料屈服面的測定方法，尤其適用于HCP結構的金屬材料測定。

背景技術：

金屬材料在工程應用中很多問題涉及到塑性力學理論，如金屬材料的加工成形過程就是塑性變形。為了解決這些工程問題，需要了解材料的塑性變形行為。大量的研究表明，在復雜加載路徑下，材料的力學性能表現出各向異性行為，而經典的塑性理論無法表征這種力學性能，因此，要對這種行為進行描述。金屬材料的塑性行為都是通過對屈服面的演化規律來研究，屈服面的演化可以反映材料的屈服、塑性流變和硬化規律。因此，屈服面的測定是金屬材料本構關系研究的前提。

屈服面測定的加載路徑主要為比例加載、非比例加載。大多數研究者采用拉-扭組合的比例加載方式進行測定。這種加載方式雖然可以有效的確定屈服面的形狀，但是不能很好地反映材料塑性變形各向異性行為，所以這種方式適用于測定各向同性材料的屈服面演化，卻不太適用于具有較強的各向異性行為的金屬材料，如鎂合金、鈦合金等。

綜上所述，現有的屈服面測定方法不能很好的表征金屬材料的各向異性。

技術實現要素：

針對上述存在問題，本發明旨在提供一種金屬材料屈服面的測定方法，該方法所測定的屈服面可以很好地反映金屬材料塑性變形各向異性特征。

本發明的技術方案如下：一種金屬材料屈服面的測定方法，采用預拉伸-扭轉變形加載路徑測定后繼屈服面演化規律，具體步驟如下：

(1)根據材料力學試驗標準制備拉伸-扭轉組合試驗試樣；

(2)取拉伸和扭轉試樣分別進行單向拉伸和扭轉加載，測定相應的應力-應變曲線，獲得相應的屈服強度值；

(3)根據步驟(1)中拉伸和扭轉應力-應變曲線在軸向拉伸彈性區域內任意選取若干個應力或應變點，各點對應的應力或應變值作為橫坐標，取與所選點數相同的試樣個數，各試樣分別先拉伸到對應的應力或應變點的正應力值，保持載荷，再進行扭轉加載直至斷裂，測出相應的扭轉屈服強度值作為縱坐標，繪制出初始屈服面；

(4)確定預拉伸-扭轉預變形加載路徑，完成預拉伸-扭轉的預變形加載：根據初始屈服面，先在步驟(2)中拉伸應力-應變曲線的塑性階段任取某一正應力或應變值作為預拉伸值，再任取一不使材料斷裂的剪應力或應變值作為預扭轉值，將試樣先拉伸到所取的預拉伸值，保持載荷，再扭轉至所取的預扭轉值，然后卸載到零，再拉伸卸載到零；

(5)先按步驟(4)取一個試樣進行預拉伸-扭轉預變形，然后單向拉伸加載直至斷裂，測定后繼拉伸應力-應變曲線，確定出經過預變形后的拉伸屈服強度；

(6)根據步驟(5)中后繼拉伸應力-應變曲線，在軸向拉伸彈性區域內任取若干個應力或應變點，各點對應的應力或應變值作為橫坐標，取與所選點數相同的試樣個數，各試樣先按步驟(4)預拉伸-扭轉預變形加載路徑加載，再拉伸加載到相應的應力或應變點的正應力值，保持載荷，然后扭轉加載直至斷裂，測出相應的扭轉屈服強度值作為縱坐標，繪制出相應的后繼屈服面。

與現有的拉-扭組合比例加載和預拉伸或預扭轉加載路徑的測定方法相比，本發明這種拉-扭非比例加載測定方法不僅可以反映出各向同性材料的屈服面演化規律，也能反映出各向異性材料的屈服面演化規律，尤其適用于具有較強力學性能各向異性行為的金屬材料。

附圖說明

圖1是屈服面示意圖。

圖2是初始屈服面加載路徑。

圖3是預拉伸-扭轉預變形加載路徑。

圖4是后繼屈服面加載路徑。

圖中，1-初始屈服面，2-后繼屈服面，Y1、Y2、Y3、Y4-初始屈服面坐標點，A-預拉伸點，L-預扭轉點，Y5、Y6、Y7、Y8、S-后繼屈服面坐標點，O、C、E、H、M、N、Q-選取的拉伸應力點。

具體實施方式

下面結合附圖及實施例對本發明做進一步說明：

本發明實施例的一種金屬材料屈服面測定方法，主要包括初始屈服面1和后繼屈服面2的測定，如圖1所示。設σ_Ten、σ_Tor分別為拉伸屈服強度和扭轉屈服強度，具體步驟如下：

步驟1：根據材料力學試驗標準制備9個拉伸-扭轉組合試驗試樣，分別標記為1#，2#，3#，4#，5#，6#，7#，8#，9#。

步驟2：取1#試樣和2#試樣，然后分別進行單向拉伸和扭轉加載，測出拉伸和扭轉應力-應變曲線，根據拉伸和扭轉應力-應變曲線，確定拉伸和扭轉屈服強度和值。

步驟3：確定Y₁、Y₂、Y₃、Y₄點的坐標(Σ_Ten,Σ_Tor)，繪制如圖2所示的初始屈服面。根據步驟2中拉伸應力-應變曲線在彈性區域內選取正應力值作為點O、C、E、H的橫坐標。由于點Y₁、Y₂處的應力狀態分別對應于步驟2中單向拉伸和扭轉的屈服狀態，因此，和Y₁、Y₂點的坐標分別為(0)和(0，)。取3#試樣和4#試樣，將3#試樣和4#試樣分別拉伸到正應力值并保持載荷，然后扭轉加載直至斷裂，測出相應的扭轉屈服強度作為縱坐標，則Y₃、Y₄的縱坐標剪應力值依次為測得Y₂、Y₃、Y₄、Y₁的坐標為和根據測得的點坐標繪制出初始屈服面。

步驟4：確定圖3所示的預拉伸-扭轉預變形加載路徑O-A-L-A-O。具體實施如下：在步驟2中拉伸應力-應變曲線塑性階段選取一正應力值A點的坐標為(0)，位于初始屈服面Y1點的右側作為預拉伸加載點，再任意選取不使材料斷裂的剪應力值作為預扭轉值，L點的坐標即為預變形加載路徑O-A-L-A-O為先拉伸到正應力值保持載荷，再扭轉到預扭轉值然后扭轉值卸載到零，再拉伸卸載到零，完成預拉伸-扭轉的預變形加載。

步驟5，確定按預變形加載路徑加載的后繼拉伸應力-應變曲線。取9#試樣按照步驟4進行預拉伸-扭轉預變形，然后進行單向拉伸，直至斷裂，測定后繼拉伸應力-應變曲線，確定出經過預變形后的拉伸屈服強度值

步驟6，確定Y₅、Y₆、Y₇、Y₈、S點的坐標(Σ_Ten,Σ_Tor)繪制如圖4所示的后繼屈服面。S點處的應力狀態為步驟5中9#試樣單向拉伸的屈服狀態，因此，S點的坐標為(0)。在步驟5中的后繼拉伸應力-應變曲線彈性區域內任意選取正應力值作為點O、M、N、Q的橫坐標。取5#、6#、7#、8#試樣，將4個試樣都按步驟4中的預拉伸-扭轉預變形加載路徑加載，再將4個試樣分別先拉伸到相應的正應力值保持載荷，再扭轉加載直至斷裂，測出相應的扭轉屈服強度作為縱坐標，測得Y₅、Y₆、Y₇、Y₈的坐標為根據測得的坐標繪制出的屈服面即為后繼屈服面。