管材力學性能的研究方法

文／蔣讓文·貴州振華群英電器有限公司

力學性能是金屬材料最基本的性能之一，包括抗拉強度、屈服強度、硬度、韌性等指標。針對板材的力學性能測試，常根據國標采用沿著軋制方向呈不同角度取拉伸試樣，再進行簡單單向拉伸獲得，而對于管材來講，由于特殊的空心結構，力學性能的測試方式同板材截然不同。管材廣泛應用在航空航天、交通運輸、化工能源、建筑、電子產業(yè)等工業(yè)領域，如何較為準確地獲取管材的力學性能參數(shù)對于提高管材變形理論計算和模擬精度，評判管材在工程中的承載能力等具有重要意義，本文將重點對管材力學性能的研究方法進行論述。

管材應力應變試驗方法

簡單拉伸測試方法

采用室溫下單向拉伸試驗獲得管材應力應變曲線是最為容易的評價方法，根據GB/T 228.1-2021 金屬材料拉伸試驗標準規(guī)定，管材的單向拉伸試驗試樣可以為管段試樣或縱向弧形試樣。針對小直徑的管材來說，經常采用小直徑管段進行直接拉伸試驗，即采用對小直徑管兩端施加塞子，然后將整管進行直接拉伸試驗的方法，相關尺寸可參考GB/T 228.1-2021，如圖1 所示。針對大直徑的管材來說，經常采用縱向弧形試樣進行拉伸試驗，也稱作“剖條法”，即直接在管材軸向制備拉伸樣進行軸向拉伸的方法，如圖2所示，相關尺寸同樣參考GB/T 228.1-2021。

圖1 圓管管段試樣及尺寸

圖2 縱向弧形試樣及尺寸

其他測試方法

因為管材橫截面為空心的結構特征，導致其不能像板材一樣測量不同方向上的力學性能，因此研究者們提出了很多其他的測試方法來獲得管材的環(huán)向性能，或者獲得管材綜合的力學性能，主要包括D 形塊環(huán)向拉伸法和液壓脹形法。

為了實現(xiàn)對薄壁管環(huán)向性能測試的高效和低成本，設計了一種通用的薄壁管環(huán)向性能測試工裝，如圖3 所示。該工裝通過沿環(huán)向切取帶有弧狀變形段的環(huán)形試樣，并在其內部放置兩個D 形塊，在加載過程中始終保持變形段與D 形塊的弧面接觸，以確保弧面形狀不發(fā)生改變。通過不同的D 形塊和襯環(huán)組合方式，可以實現(xiàn)對不同薄壁管的環(huán)向性能測試。

圖3 D 形塊環(huán)向拉伸測試原理

哈爾濱工業(yè)大學的苑世劍團隊研發(fā)出一種專用的管材自由脹形試驗設備，該設備可以對不同長度和直徑的管材進行自由脹形，并且實時采集脹形高度和脹形壓力。這里利用該設備，采用不同的模具角半徑和脹形區(qū)長度進行了管材的自由脹形試驗，從中分析了脹形過程中脹形區(qū)最高點壁厚的變化規(guī)律，得出了管材的等效應力應變曲線，如圖4 所示。

圖4 直接測試管材力學性能的脹形試驗

管材成形極限測試方法

和板材的應力應變曲線測試方法一樣，薄板成形極限的測試方法也比較成熟，然而由于薄壁管的幾何封閉結構屬性，難以使用這些傳統(tǒng)薄板成形極限測試方法來對管材成形極限進行測試。目前，管材的成形極限測試方法比較常用的是自由脹形，很多學者都對其進行過研究，基本原理為在液壓脹形時管材將受到雙向應力狀態(tài)，可以通過調整脹形區(qū)的長度來調整雙向應力的比值，還可以通過軸向加載和內壓力的相互配合獲取更多的加載路徑，實現(xiàn)雙拉區(qū)域和拉壓區(qū)域的成形極限圖的獲取。由于管材在此變形過程中的應力狀態(tài)很難預估，因此該方法經常通過有限元模擬計算獲得，才能達到目標的加載路徑。

林艷麗通過理論分析，得出了通過改變管材自由脹形的約束條件可以獲得不同的應力狀態(tài)，即：管材成形極限圖的第一象限(拉-拉變形區(qū))，可以通過兩端固定的脹形試驗來獲得；管材成形極限圖的第二象限(拉-壓變形區(qū))，可以通過兩端自由和兩端補料的脹形試驗來獲得。對于管材成形極限圖中不同位置的狀態(tài)點，如雙向等拉狀態(tài)點、平面應變狀態(tài)點和簡單拉狀態(tài)點等均使用數(shù)值模擬進行了分析，獲得的管材成形極限圖見圖5。

圖5 變端部約束脹形方法測試管材成形極限圖

從圖5 可以看出，目前的成形極限測試方法也存在部分問題，對于管材成形極限曲線的右側區(qū)域，即拉-壓變形區(qū)來說，所獲得的成形極限曲線不是理想的線性加載路徑，特別是次應變越大時其應變路徑遠遠偏離了初始應變路徑，而應變路徑對成形極限的影響不容忽視，因此現(xiàn)有管材成形極限構建方法所得到的結果對實際管材成形工藝分析的指導作用存在局限性。

對此，中國科學院金屬研究所的張士宏研究團隊提供了一種管材成形極限圖右側區(qū)域曲線的試驗裝置及構建方法，該方法主要是通過設置一系列具有不同橢圓尺寸的限定孔，可以實現(xiàn)測試管材在大范圍的雙拉應變狀態(tài)下的成形極限測量，并能夠保證其加載路徑的線性，還可以通過改變橢圓限定孔的尺寸控制雙拉應變狀態(tài)下測試管材的破裂位置，針對性地對局部缺陷區(qū)域如焊縫等進行變形能力分析。

基于該試驗方法，測試了不同加載路徑下薄壁管極限主、次應變，試驗裝置如圖6 所示，獲得的管材成形極限圖如圖7 所示，從結果可以看出，該方法能夠保證拉-壓變形區(qū)管材加載路徑的線性。

圖6 一種管材成形極限圖右側區(qū)域曲線的試驗裝置

圖7 管材成形極限圖右側區(qū)域曲線

結束語

管材的力學性能是工程應用的重要選材依據之一，也是進行二次塑性加工時的重要參考指標之一。通過比較大量試驗結果發(fā)現(xiàn)，材料在管形狀態(tài)下拉伸所表現(xiàn)的力學性能因受到幾何屬性的影響而與同材質棒料拉伸有一定的差異，因此在研究管材成形以及選材前需要明確好如何準確獲得管材材料力學性能參數(shù)，才能更好地縮小理論解析、有限元仿真與試驗結果的差距。