金屬材料的塑性本構關系(又稱應力應變關系)描述的是材料塑性成形過程中應力與應變、應變速率、溫度等參數間的關系,它是評價材料性能的重要指標。在管材液壓脹形中,金屬薄壁管塑性本構關系不僅是影響成形件質量和精度的重要因素之一,更是用有限元對金屬薄壁管塑性成形過程進行數值模擬的前提條件,因此探明準確的管坯塑性本構關系具有重要意義。目前,金屬薄壁管本構關系的獲取方法主要包括單向拉伸法、液壓脹形法等。本文興迪源機械帶來管材液壓脹形中金屬薄壁管的塑性本構關系研究現狀。
一、單向拉伸法：
單向拉伸法因簡單易行而成為獲取材料塑性本構關系常用的方法。最初的金屬薄壁管拉伸試件直接取自卷曲前的板材,但由于板材的卷曲過程中會發生明顯的塑性變形和加工硬化,從而與實際管材性能存在較大差異,因此研究者考慮從管材上截取拉伸件進行拉伸。李波等以304不銹鋼焊縫管母材和焊縫區材料作為拉伸試件,通過單向拉伸試驗獲得了不同區域材料的塑性本構模型。
為了準確測量管材的環向力學性能,何祝斌等采用正壓力線性變化假設對管材環向拉伸試件的力學模型和變形特點進行了分析,同時完成了拉伸試驗驗證。M.Zhan等對Q215焊縫管混合試件進行單向拉伸試驗,研究了不同尺寸混合試件的塑性本構關系的影響因素。
但是,無論是采用平直試樣還是環形試樣進行拉伸,都不能真實反映管材在液壓脹形環境下的力學行為和變形特點,為此研究者開始了新的本構關系的構建。
二、液壓脹形法：
為構建更加可靠、準確的金屬薄壁管材塑性本構關系,基于真實應力狀態下的液壓脹形法是最合理的方法。目前,基于THF環境建立管材塑性本構關系的基本方法包括假設法和離線測量法。
假設法是先假定金屬薄壁管脹形區輪廓為某一簡單的曲線形狀,推導出管材脹形時應力應變的計算公式,然后通過多次管材脹形試驗測量或計算獲得塑性本構關系。?Fuchizawa等基于脹形輪廓的圓弧形假設,通過動態測量脹形輪廓上3個點的脹形半徑來確定子午向曲率半徑,然后基于最大脹形處的靜力平衡方程計算出管材本構關系。
Strano等假設脹形輪廓為二次函數,基于最小能量法計算出子午向曲率半徑,獲得本構關系。林艷麗等假設脹形輪廓為橢圓,利用輪廓曲線方程和離線測量最大脹形高度及厚度獲取本構關系。然而上述假設法與真實的管材脹形輪廓曲線存在一定的差別,可能影響本構關系構建的精確性。
離線測量法是對多根管坯進行不同壓力下的脹形試驗,然后利用測量裝置離線測量成形管材的脹形參數,再經過曲線擬合得到材料參數強度系數K和硬化指數n。?Sokolowski等m采用離線測量各脹形參數,利用靜力平衡法求解軸向和周向應力,然后獲得等效應力和等效應變,用最小二乘法求解硬度系數K和硬化指數n,Song等通過離線測量壁厚、軸向半徑及脹形長度,利用徑向和軸向靜力平衡計算出軸向和周向應力,得到本構關系。
楊連發等沿脹形輪廓離線測量周向半徑和脹形輪廓坐標,擬合出脹形輪廓曲線方程,從而求解子午向曲率半徑。然而離線測量法需要對多根管坯分別進行不同脹形條件的試驗和測量,工作量大,操作較繁瑣,面且由于采用多根管坯而引起較大的誤差。
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部分文段和圖片摘自：
《金屬薄壁管沖擊液壓脹形技術》
作者：劉建偉
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