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金属材料的塑性本构关系(又称应力应变关系)描述的是材料塑性成形过程中应力与应变、应变速率、温度等参数间的关系,它是评价材料性能的重要指标。在管材液压胀形中,金属薄壁管塑性本构关系不仅是影响成形件质量和精度的重要因素之一,更是用有限元对金属薄壁管塑性成形过程进行数值模拟的前提条件,因此探明准确的管坯塑性本构关系具有重要意义。目前,金属薄壁管本构关系的获取方法主要包括单向拉伸法、液压胀形法等。本文兴迪源机械带来管材液压胀形中金属薄壁管的塑性本构关系研究现状。
一、单向拉伸法：
单向拉伸法因简单易行而成为获取材料塑性本构关系常用的方法。最初的金属薄壁管拉伸试件直接取自卷曲前的板材,但由于板材的卷曲过程中会发生明显的塑性变形和加工硬化,从而与实际管材性能存在较大差异,因此研究者考虑从管材上截取拉伸件进行拉伸。李波等以304不锈钢焊缝管母材和焊缝区材料作为拉伸试件,通过单向拉伸试验获得了不同区域材料的塑性本构模型。
为了准确测量管材的环向力学性能,何祝斌等采用正压力线性变化假设对管材环向拉伸试件的力学模型和变形特点进行了分析,同时完成了拉伸试验验证。M.Zhan等对Q215焊缝管混合试件进行单向拉伸试验,研究了不同尺寸混合试件的塑性本构关系的影响因素。
但是,无论是采用平直试样还是环形试样进行拉伸,都不能真实反映管材在液压胀形环境下的力学行为和变形特点,为此研究者开始了新的本构关系的构建。
二、液压胀形法：
为构建更加可靠、准确的金属薄壁管材塑性本构关系,基于真实应力状态下的液压胀形法是最合理的方法。目前,基于THF环境建立管材塑性本构关系的基本方法包括假设法和离线测量法。
假设法是先假定金属薄壁管胀形区轮廓为某一简单的曲线形状,推导出管材胀形时应力应变的计算公式,然后通过多次管材胀形试验测量或计算获得塑性本构关系。 Fuchizawa等基于胀形轮廓的圆弧形假设,通过动态测量胀形轮廓上3个点的胀形半径来确定子午向曲率半径,然后基于最大胀形处的静力平衡方程计算出管材本构关系。
Strano等假设胀形轮廓为二次函数,基于最小能量法计算出子午向曲率半径,获得本构关系。林艳丽等假设胀形轮廓为椭圆,利用轮廓曲线方程和离线测量最大胀形高度及厚度获取本构关系。然而上述假设法与真实的管材胀形轮廓曲线存在一定的差别,可能影响本构关系构建的精确性。
离线测量法是对多根管坯进行不同压力下的胀形试验,然后利用测量装置离线测量成形管材的胀形参数,再经过曲线拟合得到材料参数强度系数K和硬化指数n。 Sokolowski等m采用离线测量各胀形参数,利用静力平衡法求解轴向和周向应力,然后获得等效应力和等效应变,用最小二乘法求解硬度系数K和硬化指数n,Song等通过离线测量壁厚、轴向半径及胀形长度,利用径向和轴向静力平衡计算出轴向和周向应力,得到本构关系。
杨连发等沿胀形轮廓离线测量周向半径和胀形轮廓坐标,拟合出胀形轮廓曲线方程,从而求解子午向曲率半径。然而离线测量法需要对多根管坯分别进行不同胀形条件的试验和测量,工作量大,操作较繁琐,面且由于采用多根管坯而引起较大的误差。
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部分文段和图片摘自：
《金属薄壁管冲击液压胀形技术》
作者：刘建伟
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