一种焊接过程材料循环硬化行为测试方法技术

本发明专利技术涉及一种焊接过程材料循环硬化行为测试方法，包括以下步骤：1)将试样安装在高温疲劳试验机上，使用环形红外加热炉以一定的加热速度将试样加热到设定温度，并对试样保温；2)采用应变控制，进行多级载荷循环拉压试验；3)绘制循环拉压试验的应力应变曲线图，建立在设定温度下最大拉应力与循环次数的关系，基于最大拉应力变化趋势确定应变硬化特征；4)根据循环拉压试验的循环应力应变曲线，计算相对内应力；5)根据相对内应力与试验温度的关系曲线，取试样材料力学熔点以下温度的相对内应力平均值作为该试样材料随动硬化模型的比例。与现有技术相比，本发明专利技术具有定性评价循环硬化特征、定量确定随动硬化模型的比例等优点。

A Test Method for Cyclic Hardening Behavior of Materials in Welding Process

【技术实现步骤摘要】
一种焊接过程材料循环硬化行为测试方法
本专利技术涉及焊接力学领域，尤其是涉及一种焊接过程材料循环硬化行为测试方法。
技术介绍
由于焊接热循环的作用导致焊接接头微观组织、力学性能的不均匀，不可避免地产生焊接变形和残余应力，全面准确地评估焊接残余应力对焊接结构寿命预测以及完整性评估具有重要的影响。采用科学的数值模拟技术和少量的试验验证相结合的方法，将研究模式从“理论—试验—生产”转变为“理论—计算机模拟—生产”，是当今信息时代发展的趋势，在新产品设计、工艺制定及优化、结构安全性评估以及失效分析等方面提供重要支持，不仅节约大量试验所需人力物力，而且提高焊接热加工的科学水平。焊接过程，材料热弹塑性应力应变演化决定了残余应力的分布和大小。在焊接数值模拟中，一般采用材料的硬化模型表征焊接过程材料的热弹塑性应力应变关系。不同的材料表现出不同的循环硬化特征，采用传统的等向硬化模型或者随动硬化模型不能准确表征材料的热弹塑性应力应变关系。最近发展的非线性混合硬化模型可以更加准确地表征焊接过程热弹塑性应力应变关系，但是硬化模型比例均采用假设法，缺乏非线性混合硬化模型比例试验测试手段。张建平等提出了一种铝合金应力应变关系的Browman本构优化模型及其应用(申请号：201610264432.2)，结合铝合金应力应变试验数据，采用数学算法多次的对原始公式进行变形、拆分，再分别计算强度系数、应变硬化指数等系数，该方法只是预测铝合金单向的应力应变关系，无法计算循环应力应变关系。Q·王等提出了预测铝合金在多轴加载下的疲劳寿命的系统和方法(申请号：201010135917.4)，通过计算机与基于微观力学的疲劳寿命模型相结合，计算出影响疲劳寿命的损伤因子参数，从而预测出铝合金在循环多轴加载下的疲劳寿命。但该方法只是对疲劳寿命进行预测，并未对多级疲劳载荷下的应力应变关系进行预测。因此，如何提出一种方法，能够对焊接过程材料的循环硬化行为进行测试，建立准确的硬化模型表征焊接过程材料热弹塑性应力应变关系成为业界亟待解决的重要课题。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种焊接过程材料循环硬化行为测试方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种焊接过程材料循环硬化行为测试方法，包括以下步骤：1)将试样安装在高温疲劳试验机上，使用环形红外加热炉以一定的加热速度将试样加热到设定温度，并对试样保温；2)采用应变控制，进行多级载荷循环拉压试验；3)绘制循环拉压试验的应力应变曲线图，建立在设定温度下最大拉应力与循环次数的关系，基于最大拉应力变化趋势确定应变硬化特征；4)根据循环拉压试验的循环应力应变曲线，计算相对内应力5)根据相对内应力与试验温度的关系曲线，取试样材料力学熔点以下温度的相对内应力平均值作为该试样材料随动硬化模型的比例。所述的步骤4)中，相对内应力的计算式为：其中，σFmax为每级拉伸阶段最大拉应力，σR0.02为压缩阶段的屈服强度。所述的步骤1)中，试样为圆棒拉伸试样，其夹持端设有螺纹，设定温度数量不少于5个，设定温度的范围为从室温到金属材料的熔点，加热速度控制在5～15℃/s，并采用保温棉包裹试样，以确保试样平行段区域的均温性，平行段的尺寸满足高温引伸计长度的要求。所述的步骤2)中，多级载荷不低于2级，第一级的应变幅最小，其值大于式样材料在试验温度下的弹性应变，确保循环拉压试验过程发生塑性变形，且后续应变逐级增加，所设的最大应变幅以试样在压缩过程不发生弯曲变形为评价指标，每级载荷下的循环拉压试验次数不少于5次，应变速率不高于5×10-4/s。所述的压缩阶段的屈服强度σR0.02的获取方法如下：以循环应力应变曲线与横坐标的交点为中心对称变换压缩阶段的曲线，得到应变-应力曲线，将压缩阶段的曲线向左平移0.02％，与拉伸阶段卸载的曲线相交于一点，该点取值即为σR0.02。所述的步骤5)中，试样材料力学熔点的范围为材料熔点的0.65～0.7倍。平行段的均温性采用三个热电偶传感器进行测试监控，分别布置在试样平行段的中部以及上、下两端，三个热电偶测量的温差在±5℃范围内。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：一、现有的焊接数值模拟，硬化模型一般选择等向硬化或随动硬化模型，缺少评价依据，本专利技术提供的焊接过程材料循环硬化行为测试方法，采用多级循环拉压试验，根据最大拉应力与循环次数的变化趋势，可以定性地评价材料的循环硬化特征，为硬化模型的选择提供评判依据。二、非线性混合硬化模型可以更加准确地评价焊接过程材料的热弹塑性应力应变演化关系，但是非线性混合硬化模型中等向硬化模型的比例均采用假设法，本专利技术提出的相对内应力计算方法可以定量地确定随动硬化模型的比例，根据随动硬化模型比例确定等向硬化模型比例，弥补现有假设法的不足，提高焊接数值模拟结果的准确性。附图说明图1为本专利技术的流程示意图。图2为试样尺寸示意图。图3为实施例316L不锈钢的循环拉压试验示意图。图4为实施例316L不锈钢室温下的循环应力应变曲线。图5为实施例316L不锈钢室温下的最大拉应力与循环次数的关系。图6为实施例316L不锈钢室温下的应力应变曲线对称转化。图7为实施例316L不锈钢相对内应力与温度的关系。图8为实施例7XXX系列铝合金相对内应力与温度的关系。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。实施例：本专利技术提供一种焊接过程材料循环硬化行为测试方法，该方法通过等温多级应变循环拉压试验，获得循环应力应变曲线，以最大拉应力的变化趋势评价焊接过程材料的循环硬化特征，提出相对内应力方法确定非线性混合硬化模型中的随动硬化模型比例。其具体试验步骤如下：(1)将带螺纹的圆棒拉伸试样安装到高温疲劳试验机上，在试样平行段上安装引伸计，同时采用3个接触式热电偶温度传感器均布在试样平行段的上、中、下三个位置，使用保温棉将试样包裹；(2)采用环形红外加热炉加热试样到指定温度，指定温度不少于5个，温度范围从室温到熔点以内，加热速率控制在5-15℃/s，保温一定时间，确保三个热电偶的温度差不超过±5℃，确保平行段的均温性；(3)采用应变控制，应变速率不高于5×10-4/s，在保温情况下进行多级载荷循环拉压试验，第一级应变最小，但是必须大于材料在试验温度下的弹性应变，每级应变下至少完成5次循环拉压试验；第一级完成后增加应变值，进行后续的循环拉压试验；多级载荷循环拉压试验至少完成两级，最大应变值以保证试样不发生弯曲变形为评价指标；(4)试验过程采集温度、时间、应力、应变数据，作出应力应变曲线，提取每次循环试验的最大拉应力σFmax，建立最大应力与循环次数的关系，评价试验温度下材料的循环硬化特征；(5)提取任一级的第一次循环应力应变曲线，以曲线和横坐标的交点为中心对称变换，以0.02％塑性应变作为塑性屈服标准读取压缩阶段的屈服强度σR0.02，根据公式(1)计算相对内应力；(6)重复步骤(1)～(5)，完成不同指定温度下的相对内应力测试和计算，建立相对内应力与试验温度的关系，取测试材料力学熔点以下的相对内应力的平均值，即为随动硬化模型比例。如图1所示，本专利技术提供的焊接过程材料循环硬化行为测试方法，包括：采用夹持端为螺纹的圆棒拉伸试样，试样结构如图2所示，将试样加热到指定温度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种焊接过程材料循环硬化行为测试方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将试样安装在高温疲劳试验机上，使用环形红外加热炉以一定的加热速度将试样加热到设定温度，并对试样保温；2)采用应变控制，进行多级载荷循环拉压试验；3)绘制循环拉压试验的应力应变曲线图，建立在设定温度下最大拉应力与循环次数的关系，基于最大拉应力变化趋势确定应变硬化特征；4)根据循环拉压试验的循环应力应变曲线，计算相对内应力

【技术特征摘要】
1.一种焊接过程材料循环硬化行为测试方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将试样安装在高温疲劳试验机上，使用环形红外加热炉以一定的加热速度将试样加热到设定温度，并对试样保温；2)采用应变控制，进行多级载荷循环拉压试验；3)绘制循环拉压试验的应力应变曲线图，建立在设定温度下最大拉应力与循环次数的关系，基于最大拉应力变化趋势确定应变硬化特征；4)根据循环拉压试验的循环应力应变曲线，计算相对内应力5)根据相对内应力与试验温度的关系曲线，取试样材料力学熔点以下温度的相对内应力平均值作为该试样材料随动硬化模型的比例。2.根据权利要求1所述的一种焊接过程材料循环硬化行为测试方法，其特征在于，所述的步骤4)中，相对内应力的计算式为：其中，σFmax为每级拉伸阶段最大拉应力，σR0.02为压缩阶段的屈服强度。3.根据权利要求1所述的一种焊接过程材料循环硬化行为测试方法，其特征在于，所述的步骤1)中，试样为圆棒拉伸试样，其夹持端设有螺纹，设定温度数量不少于5个，设定温度的范围为从室温到金属材料的熔点，加热速度控制在5～15℃/s，并采用保温棉包裹试样，以确保试样平行段区域的均温性，平行段的尺寸满足高温引伸计长度的...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐济进，洪杰，王帅，余春，陈俊梅，陆皓，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31