一种金属材料拉伸-扭转组合变形强度条件的建立方法技术

本发明专利技术涉及一种金属材料拉伸‑扭转组合变形强度条件的建立方法，该方法先对试件进行声发射断铅试验得到各试件的声速值，再按照设定的拉转加载方案对标记声速值的试件进行拉扭加载试验并采集力学信号，利用信号得到拉扭破坏应力，然后建立拉扭破坏应力关于声速值、拉伸与扭转加载速率的关系模型，根据关系模型及测定的声速值预测材料的拉扭破坏应力，建立试件的拉扭强度条件。本发明专利技术建立了金属拉扭破坏应力关于材料声速值、拉伸位移加载速率、扭转加载速率的多元回归模型，基于对金属材料预先测定的声速值及拉扭加载速率，由该模型预测不同试件、不同加载速率下的破坏应力，建立相应材料的拉扭强度条件。

【技术实现步骤摘要】
一种金属材料拉伸-扭转组合变形强度条件的建立方法
本专利技术涉及一种结合金属材料声速值及拉伸加载速率预测材料拉扭破坏应力并建立相应拉扭条件的方法，尤其是一种金属材料拉伸-扭转组合变形强度条件的建立方法，属于材料力学性能测试分析领域。
技术介绍
金属材料有着其他结构材料无法比拟的特性而被广泛应用于生产生活中。但是，由于金属材料工作环境较为复杂，有时会承受多种载荷同时作用，因而对金属材料进行力学性能测试具有重要意义。材料的力学性能参数常用强度及刚度、泊松比等指标表示，其中强度是指材料抵抗塑性变形及断裂的能力，一般采用屈服极限或强度极限表示。材料的强度受多种因素的影响，如材料的种类、组织机构、载荷及其作用方式、加载速率及加载历史、环境温度及湿度等。一般来讲，材料性能测试是在常温、静载荷方式下进行的，目前单一载荷作用下材料的强度研究比较成熟，多种载荷作用下主要集中于材料弯拉(压)、弯扭组合变形强度研究，并建立了相应的强度条件。与单一载荷作用不同，组合载荷作用下的破坏应力不能直接由试验给出，需要结合理论分析及试验才能综合确定。已有学者们研究了拉伸—扭转联合作用下的力学性能及疲劳破坏行为，也有研究了拉扭作用下的破坏应力，考虑到加载速率对破坏应力的影响。由于强度受多种因素的影响，同一种材料由于内部组建及加工等因素的影响，其材料力学性能也存在差异，测出的指标值会表现出一定的离散性。目前，对这种离散性影响的研究较少。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：针对上述现有技术存在的不足，提出一种金属材料拉伸-扭转组合变形强度条件的建立方法，该方法在充分考虑材料离散性及加载速率对其强度影响的情况下，引入材料在加载前测定的声速值，在一定程度上体现出材料内部构造及外在加工等因素对材料性能的影响，同时考虑拉伸-扭转加载速率对材料破坏强度的影响，更为全面地研究拉伸-扭转作用下材料的强度。为了达到以上目的，本专利技术的技术方案如下：一种金属材料拉伸-扭转组合变形强度条件的建立方法，包括以下步骤：第一步、设计并组建试验系统，所述试验系统包括电子拉扭试验机及其配套的信号采集系统、声发射信号分析系统和计算机分析系统，所述电子拉扭试验机用于根据试验需要选择载荷或位移控制方式对由同种材料加工而成的一组专用拉扭试件进行拉伸-扭转载荷加载试验；所述信号采集系统用于采集试验过程中产生的声发射信号；所述声发射信号分析系统用于采集试件断铅试验中的声速值，并自动储存声发射声波，实时监测断铅试验过程中的声发射现象；所述计算机分析系统用于根据采集的声发射信号计算提取信号特征值，绘制特征曲线，并进行后续的不同加载速率下拉扭破坏应力的分析计算；第二步、在拉扭加载试验前，利用声发射信号分析系统对同材料的一组专用拉扭试件进行声发射断铅试验，得到各试件的声速值，并在试件上标记声速值；第三步、设计拉伸-扭转组合变形加载方案并利用电子拉扭试验机及其配套的信号采集系统按照设定的拉伸-扭转加载方案对标记声速值的试件进行试验，在试验过程中通过声发射信号分析系统采集力学信号，力学信号包括轴向拉力、轴向变形、扭矩和扭转角；第四步、结合材料拉扭组合破坏类型、应力状态理论及试验过程中采集的最大轴向拉力和最大扭矩，得到各试件的拉扭破坏应力；第五步、基于最小二乘法建立拉扭破坏应力关于材料声速值、拉伸与扭转加载速率的关系模型，然后获取相关性系数，并依据相关性系数验证关系模型的有效性；第六步、根据关系模型及测定的声速值预测给定拉扭加载速率下材料的拉扭破坏应力，然后建立试件的拉扭强度条件，为材料的拉扭强度设计提供依据及参考。考虑到不同加载速率的组合载荷作用下的破坏应力无法一一通过试验得到，需要通过一组样本试验建立预测模型，基于以上考虑，本专利技术在试验前测定一组样本试件材料的声速值，给定几个加载速率进行样本试验，声速值便于测量，无需做破坏试验，再根据试验测得的最大拉力及最大扭矩，代入理论分析推导出的拉扭组合作用下破坏应力公式，得到样本试验中的破坏应力值，然后基于测得的声速值及相应样本试验中的加载速率及破坏应力，建立一拉扭破坏应力的预测模型，从而对同一材料根据预先标定的声速值可以由该模型预测其在不同加载速率下的拉扭破坏应力，并建立塑性及脆性材料的拉扭强度条件，为拉扭组合变形的强度设计及疲劳寿命分析提供必要的参考及依据。总之，本专利技术考虑了试件材料的脆性或塑性特征、材料离散性、加载速率等因素对试件破坏强度的影响，建立了一个拉扭破坏应力的预测模型，并给出了拉扭组合的强度条件。进一步的，声发射信号分析系统包括两个声发射压电陶瓷传感器，两个放大器(一个传感器对应一个放大器)，一个声发射仪和一个专用微机(计算机)。再进一步的，第二步声发射断铅试验中，试件采用直线定位，用以在一维空间中确定声发射源的位置坐标。具体地，在一维空间内放置两个声发射压电陶瓷传感器，所确定的声发射源位置必须在两个传感器的连线或圆弧线上，两个传感器分别放置于距离试件中心两侧30mm处，然后其中声速标定断铅点位置为距离试件中心两侧20mm处。进一步的，第三步拉伸-扭转试验过程中，向试件施加的轴向拉力采用位移控制方式，向试件施加的扭矩采用角度控制方式，轴向拉力与扭矩同时加载，并且设计六级及以上的变形速率水平。具体地，设计拉扭加载试验时，根据电子拉扭试验机及其配套的信号采集系统，对前述标定过声速值的试件设计拉伸-扭转组合变形加载方案，按设定的加载速率对试件进行拉扭组合变形试验。设计至少六级不同水平的轴向位移、扭转角加载速率，并按设定的加载速率进行拉伸扭转试验，实时同步采集试验过程中的力学信号，包括轴力、轴向变形、扭矩、扭转角等。进一步的，在所述第一步与第二步之间还具有以下步骤：加工试验用标准试件，即将同一种材料按照设计要求尺寸加工(如图3所标注尺寸)，获得一组与电子拉扭试验机拉扭加载专用夹头配套的专用试件。进一步的，第四步中，基于试验中采集的最大轴向拉力及最大扭矩及材料力学理论，推导计算试件拉扭组合的破坏应力，具体方法如下：如图16所示，试件在拉力F及力偶M的作用下，产生拉扭组合变形，应力最大的点在试件表面。试件表面A点的单元体应力分布如图17所示，将试件表面A点的单元体在Y方向的应力记为σy，且σy＝0，在拉力F作用下，横截面上A点的正应力为：在力偶矩M的作用下，横截面上A点的剪应力τxy为：由于扭矩T＝M，那么抗扭截面模量Wt为：其中，d为试件横截面直径，Wt为抗扭截面系数，其单位为m3。根据材料力学中平面应力状态理论得到经过A点的各斜截面上的最大正应力σ1及最大剪应力τmax。其中，最大正应力σ1即主应力为：最大剪应力τmax为：当试件为脆性材料(呈现脆性断裂破坏特征)时，材料拉扭脆性破坏按照最大拉应力理论建立强度条件，以最大拉应力作为强度极限值。那么将试件破坏时的破坏应力记为σtt，结合采集的试验数据并根据(1)式就可计算试件破坏时的破坏应力，其中，σ1为主应力，σm为同一加载速率试验过程中的最大轴向拉伸正应力，τm为同一加载速率试验过程中试件在扭矩作用下横截面上的最大扭转切应力。当轴向拉力为最大轴向拉力时，根据(3)式计算对应的最大轴向拉伸正应力σm，其中，Fm为同一加载速率下试验过程中所采集的最大轴向拉力，A0为加载试验前试件标距内的原始横截本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属材料拉伸‑扭转组合变形强度条件的建立方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步、设计并组建试验系统，所述试验系统包括电子拉扭试验机及其配套的信号采集系统、声发射信号分析系统和计算机分析系统，所述电子拉扭试验机用于对由同种材料加工而成的一组专用拉扭试件进行拉伸‑扭转载荷加载试验；所述信号采集系统用于采集试验过程中产生的声发射信号；所述声发射信号分析系统用于采集试件断铅试验中的声速值，并自动储存声发射声波，实时监测断铅试验过程中的声发射现象；所述计算机分析系统用于根据采集的声发射信号计算提取信号特征值，绘制特征曲线，并进行后续的不同加载速率下拉扭破坏应力的分析计算；第二步、利用声发射信号分析系统对同材料的一组专用拉扭试件进行声发射断铅试验，得到各试件的声速值，并在试件上标记声速值；第三步、设计拉伸‑扭转组合加载方案并利用电子拉扭试验机按照设定的拉伸‑扭转加载方案对标记声速值的试件进行试验，在试验过程中通过声发射信号分析系统采集力学信号，力学信号包括轴向拉力、轴向变形、扭矩和扭转角；第四步、结合材料拉扭组合破坏类型、应力状态理论及试验过程中采集的最大轴向拉力和最大扭矩，得到各试件的拉扭破坏应力；第五步、基于最小二乘法建立拉扭破坏应力关于材料声速值、拉伸与扭转加载速率的关系模型，然后获取相关性系数，并依据相关性系数验证关系模型的有效性；第六步、根据关系模型及测定的声速值预测给定拉扭加载速率下材料的拉扭破坏应力，然后建立试件的拉扭强度条件。...

【技术特征摘要】
1.一种金属材料拉伸-扭转组合变形强度条件的建立方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步、设计并组建试验系统，所述试验系统包括电子拉扭试验机及其配套的信号采集系统、声发射信号分析系统和计算机分析系统，所述电子拉扭试验机用于对由同种材料加工而成的一组专用拉扭试件进行拉伸-扭转载荷加载试验；所述信号采集系统用于采集试验过程中产生的声发射信号；所述声发射信号分析系统用于采集试件断铅试验中的声速值，并自动储存声发射声波，实时监测断铅试验过程中的声发射现象；所述计算机分析系统用于根据采集的声发射信号计算提取信号特征值，绘制特征曲线，并进行后续的不同加载速率下拉扭破坏应力的分析计算；第二步、利用声发射信号分析系统对同材料的一组专用拉扭试件进行声发射断铅试验，得到各试件的声速值，并在试件上标记声速值；第三步、设计拉伸-扭转组合加载方案并利用电子拉扭试验机按照设定的拉伸-扭转加载方案对标记声速值的试件进行试验，在试验过程中通过声发射信号分析系统采集力学信号，力学信号包括轴向拉力、轴向变形、扭矩和扭转角；第四步、结合材料拉扭组合破坏类型、应力状态理论及试验过程中采集的最大轴向拉力和最大扭矩，得到各试件的拉扭破坏应力；第五步、基于最小二乘法建立拉扭破坏应力关于材料声速值、拉伸与扭转加载速率的关系模型，然后获取相关性系数，并依据相关性系数验证关系模型的有效性；第六步、根据关系模型及测定的声速值预测给定拉扭加载速率下材料的拉扭破坏应力，然后建立试件的拉扭强度条件。2.根据权利要求1所述一种金属材料拉伸-扭转组合变形强度条件的建立方法，其特征在于，所述声发射信号分析系统包括两个声发射压电陶瓷传感器，两个放大器，一个声发射仪和一个专用微机。3.根据权利要求2所述一种金属材料拉伸-扭转组合变形强度条件的建立方法，其特征在于，第二步声发射断铅试验中，试件采用直线定位，用以在一维空间中确定声发射源的位置坐标。4.根据权利要求1所述一种金属材料拉伸-扭转组合变形强度条件的建立方法，其特征在于，第三步拉伸-扭转试验过程中，向试件施加的轴向拉力采用位移控制方式，向试件施加的扭矩采用角度控制方式，轴向拉力与扭矩同时加载，并且设计六级及以上的变形速率水平。5.根据权利要求1所述一种金属材料拉伸-扭转组合变形强度条件的建立方法，其特征在于，在所述第一步与第二步之间还具有以下步骤：加工试验用标准试件，即将同一种材料按照设计要求尺寸加工，获得一组与电子拉扭试验机拉扭加载专用夹头配套的专用试件。6.根据权利要求1所述一种金属材料拉伸-扭转组合变形强度条件的建立方法，其特征在于，第四步中，获取试件拉扭破坏应力的方法如下：4.1当试件为脆性材料时，将试件破坏时的破坏应力记为σtt，结合采集的试验数据并根据(1)式计算试件破坏时的破坏应力，其中，σ1为主应力，σm为同一加载速率试验过程中的最大轴向拉伸正应力，τm为同一加载速率试验过程中试件在扭矩作用下横截面上的最大扭转切应力；4.2当试件为塑性材料时，将试件拉扭破坏时的破坏应力记为τtt，结合采集的试验数据并根据(2)式计算试件拉扭破坏时的破坏应力，其中，τmax为最大剪应力，σm为同一加载速率试验过程中的最大轴向拉伸正应力，τm为同一加载速率试验过程中试件在扭矩作用下横截面上的最大扭转切应力。7.根据权利要求6所述一种金属材料拉伸-扭...

【专利技术属性】
技术研发人员：喻秋，李顺才，
申请(专利权)人：江苏师范大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32