T_CSTM 00830-2023 金属材料 管 双向加载试验方法.pdf

学兔兔 w w w.b z f x w.c o m 标准下载 ICS 77.040.10 CCS H 22 团 体 标 准 T/CSTM 008302023 金属材料 管 双向加载试验方法 Metallic materialsTubeBiaxial loading testing method 2023-12-22 发布 2024-03-22 实施 中关村材料试验技术联盟 发布 学兔兔 w w w.b z f x w.c o m 标准下载T/CSTM 008302023 I 前 言 本文件参照 GB/T 1.12020 标准化工作导则 第 1 部分：标准化文件的结构和起草规则，GB/T 20001.4标准编写规则 第 4 部分：试验方法标准的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国材料与试验标准化委员会钢铁材料标准化领域委员会（CSTM/FC01）提出。本文件由中国材料与试验标准化委员会钢铁材料标准化领域委员会（CSTM/FC01）归口。学兔兔 w w w.b z f x w.c o m 标准下载T/CSTM 008302023 II 引 言 本文件给出了应用管双向加载试验机，在管端部施加轴向载荷，内部通过液体介质施加压力测定金属管在拉-拉、拉-压双向应力状态下的双向应力-应变曲线的方法。与单向拉伸试验及管液压胀形试验相比，本文件所提供的试验方法可在与管状零件实际变形相符的更大应力比范围的双向应力状态下获得双向应力-应变曲线。依据本文件给出的方法获得的结果能够准确地反映金属管弹塑性变形特性和力学特性，可以为复杂异形管状零件成形过程的理论分析、数值仿真等提供可靠数据。同时，也可为生产单位和应用单位提供专用的金属管力学性能测试评价方法。学兔兔 w w w.b z f x w.c o m 标准下载学兔兔 w w w.b z f x w.c o m 标准下载T/CSTM 008302023 1 金属材料 管 双向加载试验方法 重要提示：使用本文件的人员应有正规实验室工作的实践经验。本文件并未指出所有可能的安全问题。使用者有责任采取适当的安全和健康措施，并保证符合国家有关法规规定的条件。1 范围 本文件规定了金属管双向加载试验方法的符号及说明、试验原理、设备、试样、试验步骤、数据处理和试验报告。本文件适用于壁厚不小于0.5 mm且径厚比（外径与壁厚比）大于20的圆形截面薄壁金属管（包括无缝管和焊管）的双向加载试验。径厚比为1020的圆形截面薄壁金属管也可以参考本文件进行双向加载试验。2 规范性引用文件 下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T 228.1 金属材料 拉伸试验 第 1 部分：室温试验方法 GB/T 38719 金属材料 管 测定双轴应力-应变曲线的液压胀形试验方法 3 术语和定义 GB/T 38719 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1 双向加载 biaxial loading 向试样内部充入一定压力的液体介质，并在试样端部施加轴向拉力或压力，实现试样在双向应力状态下变形的加载方式。注：“双向”是指金属管的环向和轴向。3.2 变形区中间区域 middle area of the deforming zone 试样上发生变形区域的中间部分。3.3 变形区中间点 intermediate point of the deforming zone 位于变形区几何中心处的点。注：见图 1 b)中 A 点。3.4 应力比 stress ratio 轴向应力与环向应力的比值。学兔兔 w w w.b z f x w.c o m 标准下载T/CSTM 008302023 2 3.5 双向应力-应变曲线 stress-strain curves under biaxial stressing 双向应力状态下得到的管材轴向、环向应力-应变关系曲线。4 符号及说明 本文件使用的符号及说明见表 1。表 1 符号及说明 符 号 说 明 单 位 ds 受力分析微元体中性层环向弧长 mm dz 受力分析微元体中性层轴向弧长 mm d 受力分析微元体环向圆心角 rad d 受力分析微元体轴向圆心角 rad Do 试样原始外径 mm F 轴向载荷（F 0 为拉力，F 0 为压力）N 1l 变形区选定区域环向原始长度 mm 2l 变形区选定区域轴向原始长度 mm L 试样长度 mm Lo 变形区原始长度 mm Lc 夹持区长度 mm p 液体介质压力 MPa Rm 抗拉强度 MPa tA 试样变形区中间点实时壁厚 mm to 试样原始壁厚 mm 应力比/sz 变形区中间点外表面轴向真实应变/s 变形区中间点外表面环向真实应变/z 变形区中间点中性层轴向真实应变/变形区中间点中性层环向真实应变/t 变形区中间点中性层厚向真实应变/A 变形区中间点环向曲率半径 mm zA 变形区中间点轴向曲率半径 mm 学兔兔 w w w.b z f x w.c o m 标准下载T/CSTM 008302023 3 表 1 符号及说明（续）符 号 说 明 单 位 z 变形区中间点中性层轴向真实应力 MPa 变形区中间点中性层环向真实应力 MPa 5 试验原理 将试样两端密封并采用卡具与试样端部连接，利用液体介质对试样施加内压力的同时通过卡具施加轴向载荷，使试样在设定的轴向和环向应力路径或应变路径下发生变形，同步测量并分析获得变形区中间点的轴向和环向应力分量、应变分量，绘制出双向应力-应变曲线，确定试样材料的单位体积塑性功等值线（面），也即屈服轨迹（面），见图 1。a)受力分析示意图 b)应力分析示意图 标引序号说明：1液体介质输出口；2塞头；3薄壁管试样；4坐标系；5轴向载荷；6卡具；7液体介质；8CCD 镜头（属于 DIC 系统）；9液体介质输入口；10轴向；11径向。图 1 薄壁管试样双向加载试验原理示意图 6 设备 双向加载试验所用设备应能够同时对试样施加轴向和环向载荷，并符合附录A的规定。7 试样 学兔兔 w w w.b z f x w.c o m 标准下载T/CSTM 008302023 4 7.1 试样为一段圆形截面的管材。7.2 试样长度由公式（1）确定，见图 1a）。Lo推荐取(2.0 3.0)Do，也可协商确定，但不能小于 2Do，以避免试样端部卡具对变形区中间区域受力状态产生影响。oc2LLL（1）7.3 试样端部应去除毛刺、打磨光滑，端部内侧应进行倒角处理。7.4 试样的端面垂直度，即端面相对于其轴线的垂直度不大于 0.005 倍管径。7.5 试样外表面应清理干净并喷涂散斑，具体喷涂方法及注意事项见附录 B。7.6 制样过程中应避免试样产生变形并保证试样表面无划痕、裂纹等缺陷。7.7 对于不同种类（无缝管、焊管等）的试样制备的特殊要求及方法见附录 C。8 试验步骤 8.1 试验时应记录试验温度，试验一般在 1035下进行，试验过程温度波动应不大于3。8.2 在试样同一截面沿环向等间隔测量出 12 个位置的壁厚，取其平均值作为试样原始壁厚；在轴向上等间隔 3 个位置处各沿环向等间隔测量 4 个位置的外径，取其平均值作为试样的原始外径；测量工具的分辨力应不低于 0.01 mm。8.3 在与平均壁厚最为接近的测量点附近沿环向测量确定平均壁厚位置并做标记，便于采用 DIC 系统测量应变、曲率半径等数据时定位到变形区中间点。对于焊管，其壁厚均匀性高，可选择环向任意位置，但应避开焊缝及其热影响区，热影响区范围由试验人员根据试样实际情况确定。8.4 对试验所用卡具、塞头进行必要的清洗，检查压力控制系统和轴向加载单元能否正常运行和压力管路是否存在漏液。8.5 将安装有密封圈的塞头从端部放入准备好的试样两端实现密封，将卡具与试样端部连接，然后将卡具与试验设备的轴向加载单元连接，连接时将 8.3 标记的平均壁厚位置正对 DIC 系统的 CCD 镜头。8.6 通过轴向加载单元对试样施加 100 N 300 N 的预加载荷以消除各连接环节的安装间隙。8.7 通过压力系统向试样内部预填充液体，排除试样内部的气体，防止试样破裂时气体瞬间释放引起液体高速飞溅，然后向试样内部充入 0.1 MPa 0.2 MPa 的液体介质。8.8 启动试验设备，轴向加载单元施加拉伸或压缩载荷，压力系统向试样内部充入不同压力的液体介质，DIC 系统同步地测量应变、曲率半径、壁厚等。对于应变速率不大于 0.0001s-1的试验，测量频率可为 1 帧/秒；对于应变速率大于 0.0001s-1的试验，测量频率不应小于 2 帧/秒。8.9 与 8.8 同步，利用力传感器采集轴向载荷大小，利用压力传感器采集液体压力值，实时计算试样轴向和环向应力分量、实时测量轴向和环向应变，调整轴向载荷和液体介质压力，使试样按照设定的应力路径或应变路径加载。推荐的应变速率范围为 0.0001s-1 0.01s-1。8.10 试验过程中按照恒定时间间隔记录并存储应力分量、应变分量、轴向载荷、液体介质压力、曲率半径及实时壁厚数据。当达到指定的应力或应变，或试样破裂，或轴向压缩失稳，终止试验。8.11 准备足够多的试样，重复进行以上试验步骤，每种试验条件下应至少获得三组有效的试验结果。9 双向应力-应变曲线的测定 9.1 曲率半径的确定 9.1.1 需要求解的曲率半径为变形区中间点的轴向和环向曲率半径。学兔兔 w w w.b z f x w.c o m 标准下载T/CSTM 008302023 5 9.1.2 中间点附近区域外表面轴向的轮廓为椭圆形，环向的轮廓为圆形。以变形区中间点（也即是 8.3标记点）为中心在 DIC 测量范围中选择一个局部矩形区域进行分析，如图 2 所示。所选区域的长度 l1建议取值为 l1=(0.2 0.5)Do，宽度 l2建议取值为 l2=(0.2 0.4)Lo，以确保所选区域在 DIC 系统视野范围内同时提供足够多的数据点用于确定曲率半径，也可根据实际视窗大小作调整。标引序号说明：1轴向；2环向；3径向。图2 选择分析区域用于计算轴向和环向曲率半径 9.1.3 在所选区域内的轴向方向上均匀选取若干个点，推荐至少选取 5 个点，点与点之间距离应大于2 mm，提取所选取点的坐标信息，根据椭圆方程采用最小二乘法拟合可确定变形区中间点的轴向曲率半径。9.1.4 在所选区域内的环向方向上均匀选取若干个点，推荐至少选取 5 个点，点与点之间距离应大于2 mm，提取所选取点的坐标信息，根据圆的方程采用最小二乘法拟合可确定变形区中间点的环向曲率半径。9.1.5 必要时，也可协商采用其他拟合方法或计算方法确定曲率半径。9.2 应变的确定 变形区中间点的外表面轴向和环向应变分量（ssz,）可以由 DIC 测量系统直接输出，利用公式（2）计算得到中性层上轴向和环向应变分量：soAoosAzzzAexp()lnln 12DtDtt（2）根据体积不变原理按公式（3）计算得到变形区中间点的厚向应变(t)：tz（3）9.3 壁厚的确定 按公式（4）计算变形区中间点的实时壁厚(At)为：学兔兔 w w w.b z f x w.c o m 标准下载T/CSTM 008302023 6 Aotozexp()exp()ttt（4）9.4 应力的确定 薄壁管试样中性层上轴向和环向的应力分量由公式（5）确定。2AAzAAAAzAAAAzzAAAzAA2=22=22TptDtttttpttt（5）9.5 双向应力-应变曲线的确定 根据公式（2）和公式（5）可以绘制出被测试材料的轴向和环向应力-应变曲线。示例：如图3所示是6061-T4铝合金无缝挤压管在不同双向应力状态下得到的轴向和环向应力-应变曲线，并分别与相同材料沿轴向的单轴拉伸应力-应变曲线进行了比较。a)z:=1:1线性应力路径加载 b)z:=-1:2线性应力路径加载