管材力学性能的研究方法

文／蒋让文·贵州振华群英电器有限公司

力学性能是金属材料最基本的性能之一，包括抗拉强度、屈服强度、硬度、韧性等指标。针对板材的力学性能测试，常根据国标采用沿着轧制方向呈不同角度取拉伸试样，再进行简单单向拉伸获得，而对于管材来讲，由于特殊的空心结构，力学性能的测试方式同板材截然不同。管材广泛应用在航空航天、交通运输、化工能源、建筑、电子产业等工业领域，如何较为准确地获取管材的力学性能参数对于提高管材变形理论计算和模拟精度，评判管材在工程中的承载能力等具有重要意义，本文将重点对管材力学性能的研究方法进行论述。

管材应力应变试验方法

简单拉伸测试方法

采用室温下单向拉伸试验获得管材应力应变曲线是最为容易的评价方法，根据GB/T 228.1-2021 金属材料拉伸试验标准规定，管材的单向拉伸试验试样可以为管段试样或纵向弧形试样。针对小直径的管材来说，经常采用小直径管段进行直接拉伸试验，即采用对小直径管两端施加塞子，然后将整管进行直接拉伸试验的方法，相关尺寸可参考GB/T 228.1-2021，如图1 所示。针对大直径的管材来说，经常采用纵向弧形试样进行拉伸试验，也称作“剖条法”，即直接在管材轴向制备拉伸样进行轴向拉伸的方法，如图2所示，相关尺寸同样参考GB/T 228.1-2021。

图1 圆管管段试样及尺寸

图2 纵向弧形试样及尺寸

其他测试方法

因为管材横截面为空心的结构特征，导致其不能像板材一样测量不同方向上的力学性能，因此研究者们提出了很多其他的测试方法来获得管材的环向性能，或者获得管材综合的力学性能，主要包括D 形块环向拉伸法和液压胀形法。

为了实现对薄壁管环向性能测试的高效和低成本，设计了一种通用的薄壁管环向性能测试工装，如图3 所示。该工装通过沿环向切取带有弧状变形段的环形试样，并在其内部放置两个D 形块，在加载过程中始终保持变形段与D 形块的弧面接触，以确保弧面形状不发生改变。通过不同的D 形块和衬环组合方式，可以实现对不同薄壁管的环向性能测试。

图3 D 形块环向拉伸测试原理

哈尔滨工业大学的苑世剑团队研发出一种专用的管材自由胀形试验设备，该设备可以对不同长度和直径的管材进行自由胀形，并且实时采集胀形高度和胀形压力。这里利用该设备，采用不同的模具角半径和胀形区长度进行了管材的自由胀形试验，从中分析了胀形过程中胀形区最高点壁厚的变化规律，得出了管材的等效应力应变曲线，如图4 所示。

图4 直接测试管材力学性能的胀形试验

管材成形极限测试方法

和板材的应力应变曲线测试方法一样，薄板成形极限的测试方法也比较成熟，然而由于薄壁管的几何封闭结构属性，难以使用这些传统薄板成形极限测试方法来对管材成形极限进行测试。目前，管材的成形极限测试方法比较常用的是自由胀形，很多学者都对其进行过研究，基本原理为在液压胀形时管材将受到双向应力状态，可以通过调整胀形区的长度来调整双向应力的比值，还可以通过轴向加载和内压力的相互配合获取更多的加载路径，实现双拉区域和拉压区域的成形极限图的获取。由于管材在此变形过程中的应力状态很难预估，因此该方法经常通过有限元模拟计算获得，才能达到目标的加载路径。

林艳丽通过理论分析，得出了通过改变管材自由胀形的约束条件可以获得不同的应力状态，即：管材成形极限图的第一象限(拉-拉变形区)，可以通过两端固定的胀形试验来获得；管材成形极限图的第二象限(拉-压变形区)，可以通过两端自由和两端补料的胀形试验来获得。对于管材成形极限图中不同位置的状态点，如双向等拉状态点、平面应变状态点和简单拉状态点等均使用数值模拟进行了分析，获得的管材成形极限图见图5。

图5 变端部约束胀形方法测试管材成形极限图

从图5 可以看出，目前的成形极限测试方法也存在部分问题，对于管材成形极限曲线的右侧区域，即拉-压变形区来说，所获得的成形极限曲线不是理想的线性加载路径，特别是次应变越大时其应变路径远远偏离了初始应变路径，而应变路径对成形极限的影响不容忽视，因此现有管材成形极限构建方法所得到的结果对实际管材成形工艺分析的指导作用存在局限性。

对此，中国科学院金属研究所的张士宏研究团队提供了一种管材成形极限图右侧区域曲线的试验装置及构建方法，该方法主要是通过设置一系列具有不同椭圆尺寸的限定孔，可以实现测试管材在大范围的双拉应变状态下的成形极限测量，并能够保证其加载路径的线性，还可以通过改变椭圆限定孔的尺寸控制双拉应变状态下测试管材的破裂位置，针对性地对局部缺陷区域如焊缝等进行变形能力分析。

基于该试验方法，测试了不同加载路径下薄壁管极限主、次应变，试验装置如图6 所示，获得的管材成形极限图如图7 所示，从结果可以看出，该方法能够保证拉-压变形区管材加载路径的线性。

图6 一种管材成形极限图右侧区域曲线的试验装置

图7 管材成形极限图右侧区域曲线

结束语

管材的力学性能是工程应用的重要选材依据之一，也是进行二次塑性加工时的重要参考指标之一。通过比较大量试验结果发现，材料在管形状态下拉伸所表现的力学性能因受到几何属性的影响而与同材质棒料拉伸有一定的差异，因此在研究管材成形以及选材前需要明确好如何准确获得管材材料力学性能参数，才能更好地缩小理论解析、有限元仿真与试验结果的差距。