CSTM 金属材料 管 双向加载试验方法（征求意见稿）编制说明

一、工作简况

1、任务来源

根据中国材料与试验团体标准委员会(CSTM标准委员会)材试标字[2021]247

号文件“关于CSTM标准《金属材料管双向加载试验方法》的立项公告”(标准

计划编号：CSTMLX010000830-2021)的要求，由大连理工大学牵头，负责制定

CSTM团体标准《金属材料管双向加载试验方法》。本项目为标准制定项目，归

口管理委员会为CSTM/FC01钢铁材料领域委员会，参与标准制定的主要起草单位

有大连理工大学等。该项目计划于2022年完成审定。

2、标准化对象简要情况

具有弯曲轴线和异形截面的复杂管状零件，已在汽车、航空航天等领域得到广

泛应用。通常情况下，利用原始圆截面管材制造这些零件时，管材内部受到压力

介质的作用而在环向产生拉力，管材的轴向既可能受到拉伸载荷也可能受到压缩

载荷，即管材处于双向拉-拉、拉-压应力状态。金属管材在不同应力状态下会表现

出不同的变形行为和力学特性，对于各向异性明显的铝合金、镁合金挤压管材更

是如此。此时，需要测试金属管材在不同双向应力状态下的弹塑性变形行为和力

学特性。

利用拟建立的金属管材双向加载试验方法，可以使被测试管材试样在各种双向

加载条件下发生变形，从而获得金属管材在不同双向应力状态下的应力-应变关系，

进而准确描述双向应力条件下金属管材的弹塑性变形行为和力学特性，为复杂异

形管件成形过程的理论分析、数值仿真等提供科学数据。同时，也可为金属管材

生产单位和应用单位提供专用的管材力学性能测试评价标准。

综上，应当建立测试金属管材在双向加载（拉-拉、拉-压）条件下弹塑性变形

行为和力学特性的方法。

3、主要工作过程

起草(草案、调研)阶段:计划下达后，2021年8月CSTM/FC01钢铁材料领域

委员会委托归口秘书单位，全国钢标委力学分委员会组织各起草单位成立了起草

工作组，由大连理工大学为组长单位，负责主要起草工作。工作组在拉伸试验机

平台上建立专用的可控双轴加载试验装置，以GB/T38719-2020规定的金属薄壁管

1

双轴应力应变曲线的测定为基础，进一步拓展到增加轴向拉或压载荷，验证双轴

加载试验方法的适用性。2021年9月至2022年2月，工作组完成《金属材料管双

向加载试验方法》(草案稿)，编制完成了通过拉-拉或拉-压双轴加载的方式确定双

向应力-应变曲线的计算程序，并与SCI公开发表的高水平材料学文献中的双向应

力-应变曲线进行广泛比对确认。2022年3月形成《金属材料管双向加载试验方

法》(征求意见稿)与标准编制说明。

征求意见阶段:2022年4月18日，由CSTM钢铁材料领域委员会秘书处将

标准征求意见稿和编制说明发送到全国钢标委力学分委员会委员及有代表性的标

准相关方广泛征求意见，同时在《钢铁标准网》网站上公开征求社会意见，为期1

个月时间。

4、主要参加单位和工作组成员及其所做的工作

项目主要参与单位：

项目主要分工：

二、标准编制原则

本标准在制定过程中，遵循“面向市场、服务产业、自主制定、适时推出、

及时修订、不断完善”的原则，注重标准修订与技术创新、试验验证、产业推进、

应用推广相结合，本着先进性、科学性、合理性和可操作性以及标准的目标、统

一性、协调性、适用性、一致性和规范性的原则来进行本标准的制定工作。

本标准在起草过程中主要按GB/T1.1-2009《标准化工作导则第1部分：标准

的结构和编写规则》和GB/T20001.4《标准编写规则第4部分：试验方法标准》

的要求编写。在确定本标准主要技术指标时，综合考虑生产企业的能力和用户的

利益，寻求最大的经济、社会效益，充分体现了标准在技术上的先进性和合理性。

三、主要技术内容编制说明

本文件给出了应用管材双向加载试验测定金属管材在整个拉-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材液压胀形试验相比，

本文件所提供的试验方法可获得与管材实际变形相符的更大应力比范围的双向应

力状态。依据本文件给出的方法获得的结果能够更加准确地反映管材弹塑性变形

特性和力学特性，可以为复杂异形管件成形过程的理论分析、数值仿真等提供可

2

靠数据。同时，也可为金属管材生产单位和应用单位提供专用的管材力学性能测

试评价方法。

作为一种测试材料力学性能的标准方法，必须对实现金属管材“双向加载”

变形的原理、试验过程的数据采集和分析、试验结果的分析处理等进行具体限定。

本文件规定了金属材料管双向加载试验的范围、规范性引用文件、术语和定义、

符号及说明、试验原理、设备、试样、试验步骤、曲率半径的确定、应力的确定、

双向应力-应变曲线的确定和试验报告。

1）标准名称

标准名称为：“金属材料管双向加载试验方法”。

标准的名称主要体现“双向加载”，“双向”是指金属材料管的环向和轴向。

双向加载试验测定金属管材在整个拉-拉、拉-压双向应力状态下的双向应力-应变

曲线的方法。采用该标准名称，充分且准确地反映了本标准的主要内容。

2）范围

本部分说明和限定了标准的内容和应用范围。

参照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起

草规则》和GB/T20001.4《标准编写规则第4部分：试验方法标准》的要求，以

及本标准属于“测试方法”类型，因此本标准主要规定了试验的术语和定义、符

号及说明、试验原理、设备、试样、试验程序、曲率半径的确定、应力的确定、

双向应力-应变曲线确定和试验报告。

在范围中，限定了本标准适用于壁厚不小于0.5mm且径厚比（外径与壁厚比）

大于20的圆形截面薄壁金属材料管（包括无缝管和焊管）。该范围包含了目前塑

性加工复杂管状零件时所采用的原始管坯的种类和尺寸、规格。

3）规范性引用文件

为充分保证本标准条款的可依性和可行性，本标准中引用和参考了最新版的

国内和国际、国外先进标准。

所引用的标准“GB/T228.1金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法”

和“GB/T15825.2金属薄板成形性能与试验方法第2部分：通用试验规程”规定

了金属材料特别是薄板/薄带的性能测试方法和规程。“GB/T38684-2020金属材

3

料薄板和薄带双轴应力-应变曲线胀形试验光学测量方法”规定了薄板和薄带

的双轴应力-应变曲线胀形试验方法，“GB/T38719-2020金属材料管测定双轴应

力-应变曲线的液压胀形试验方法”规定了管材双轴应力状态下的力学性能的方法，

引用该标准指导管材双轴应力-应变曲线测定。标准“ISO16808-2014金属材料

板材和带材基于液压胀形及光学测量法测量双轴应力应变曲线”涉及了采用液

压胀形及光学测量法测定板材双轴应力应变曲线，用于补充规范本文件。

4）术语和定义

根据本标准的内容，对若干个概念进行定义并引用了若干定义，选择或确立

最恰当的术语，减少多义和同义现象，以避免信息交流过程中的歧义和误解。

本标准共给出8条术语及其定义，主要涵盖双轴加载、数字图像光学测量方

法、变形区几何特征等。通过8条术语及其定义，明确了本标准所描述测试方法

中的应变和变形测量、试样制备及结果处理所涉及的关键词。

5）符号及说明

本部分给出了本标准里涉及的主要的符号及其说明，是为了统一文本中的符

号规定，为了更方便和准确理解标准内容。

本标准的表1中共给出23个符号及其说明，这23个符号包括了本标准中所

有涉及的名词、参数和性能指标等。

6）试验原理

本部分详细介绍应用管材双向加载试验测定金属管材在整个拉-拉、拉-压双向

应力状态下的双向应力-应变曲线这一重要力学性能数据的方法。为本标准的核心

内容，是必不可少的部分。

将管材试样两端密封并采用卡具与管材端部连接，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，试验原理如图1所示。管材试样轴向和环向应力

分量可由轴向载荷、液体压力、变形区中间点A点的轴向和环向曲率半径、变形

区中间点A点的壁厚计算；管材试样的轴向和环向应变分量可由DIC系统测量得

到。通过实时计算的应力分量或测量的应变分量作为反馈，调节液体压力和轴向

载荷使管材试样按照设定的应力路径或应变路径加载。根据测量所得数据确定试

4

样双向应力状态下环向和轴向的应力-应变曲线。这些曲线用于确定试样材料的单

位体积塑性功等值线（面），也即是屈服轨迹（面），全面准确表征金属管材在整

个拉-拉、拉-压双向应力状态下的力学性能。

a)受力分析示意图b)应力分析示意图

说明：

1——液体介质输入口；

2——塞头；

3——管材试样；

4——坐标系；

5——轴向载荷；

6——卡具；

7——液体介质；

8——CCD镜头（属于DIC系统）；

9——轴向；

10——径向。

图1管材试样双向加载试验原理

7）设备

本标准给出了实施本标准所述试验方法时测试设备所应具备的要求。这是实

施本标准所述测试方法的必要要素。

为了实施本标准所描述的试验方法，哈尔滨工业大学流体高压成形技术研究

所和大连理工大学高性能精密成形研究所自主开发了专用的“薄壁管双轴应力可

控加载测试装置”，如图2所示。该装置包括轴向加载单元、内压加载单元、变形

测量单元和分析与控制单元。该装置具有完全自主知识产权。该装置具备以下特

点：（1）采用DIC系统测量管试样应变和几何形状，所测应变和轴向曲率半径更

5

加准确，使得应力计算精度更高；（2）省去应变片粘贴和引伸计、球径仪安装等

操作，简化了实验准备工作，避免了人为因素引入的测量误差；（3）以电子万能

试验机为主体建立实验装置，其结构合理可靠、稳定性好、轴向加载动作响应速

度快；（4）应力比值范围大，应力路径加载精度高，加载过程稳定性好。

利用该装置可以测得任意环向拉应力-轴向拉应力、环向拉应力-轴向压应力状

态下薄壁管的双向应力应变关系，用于研究薄壁管屈服特性、塑性流动特性、硬

化特性及成形极限等。

该装置主要技术参数如下：（1）最高胀形压力：150MPa；（2）轴向极限载荷：

±200kN；（3）应力加载范围：σz:σθ=-1:0~1:0；（4）轴向实验空间：拉-拉实验为

460mm，拉-压实验为800mm；（5）可测的管径范围见表1。

表1装置可测的管径范围

抗拉强度

(MPa)100300500700900

壁厚(mm)

0.5[10,70][10,70][10,70][10,70][10,70]

1.0[20,70][20,70][20,70][20,70][20,70]

1.5[30,70][30,70][30,70][30,62][30,48]

2.0[40,70][40,70][40,65][40,47]×

3.0[60,70][60,70]×××

目前，该测试装置已在国内高等院校推广应用，广泛用于钢管、铝合金管力

学性能的测试，并为复杂异形管件成形过程的仿真分析提供重要力学性能数据，

应用取得成功，参见文献（Ananisotropicconstitutivemodelforformingofaluminum

tubesunderbothbiaxialtensionandpureshearstressstatesDOI：

10.1016/j.ijplas.2022.103259）。

6

(a)试验设备原理图

(b)实验设备实物

图2金属材料管双向加载试验设备

8）试样

本标准给出了实施本标准的测试方法时试样的具体要求，包括试样的规格和

试样表面喷涂散斑的要求。是保证测试结果有效的必要内容。

7

本部分给出了试样长度的计算公式：

=2c+0（1）

式中：���

L0推荐取为(2.0~3.0)D0，也可以协商确定L0，但不能小于2D0。

本标准中的L0称为胀形区长度，之所以不能小于2D0，是因为胀形区长度较

小时端部卡具约束作用会产生附加应力进而影响中间变形区域受力分析，使得测

试结果不可靠。通过理论分析发现，试样端部卡具约束产生的附件应力影响范围

约为0.5D0，试样两端各一个卡具。考虑到分析试样变形时需要一定大小的区域，

因此将胀形区长度规定为不小于2D0。这对精确测试和评价金属材料管的力学性能，

或者对不同金属材料管的力学性能进行比较，具有重要意义。

本部分对制取试样时端部加工质量做了规范，也对试样表面质量做了规范，

目的是为了避免试样试验时失效，以顺利完成试验。对试样表面喷涂的散斑做出

了规定，是为了采用DIC测量系统准确测量试样变形数据。试样端部应与其轴线

垂直，最大偏差不超过0.3°，是为了避免端面倾斜使得试样在试验过程中受力不均

而影响测试结果。

9）试验步骤

本部分给出了实施试验时的操作规范和流程，为保证测试过程顺利展开提供

了重要依据。

对于焊管，其壁厚均匀性高，可选择环向任意位置，但应避开焊缝及附近弧

长15mm区域。这是因为焊缝附近0~15mm范围内是热影响区，会对测试结果产

生影响，因此需要避开该区域。通过轴向加载单元对试样施加100N~300N的预

加载荷。这是为了消除各连接环节的安装间隙且不能使试样产生塑性变形。向试

样内部充入0.1MPa~0.2MPa的液体介质。这是为了排除试样内部的气体同时不能

使试样产生塑性变形。测量频率一般不宜低于2帧/秒，对于应变速率约为0.0001s-1

的试验，测量频率可为1帧/秒。这是为了确保试验过程中记录足够多的变形测量

数据，同时测量速度又不能太快以降低对DIC系统的要求。

10）双向应力-应变曲线的测定

为了计算确定最终的双向应力-应变曲线，需要获得整个试验全过程中试样的

应力分量、应变分量。试样应力分量可由液体介质压力、胀形区中间点壁厚、胀

8

形区中间点轴向与环向曲率半径计算。为此，本部分规定了曲率半径、壁厚、应

变和双向应力-应变曲线的确定方法。

11）试验报告

本部分给出了推荐的测试试验报告内容，为了详尽记录试验过程和具体的试

验结果，为编制试验报告提供重要参考。

12）附录

本标准主要的附录有4个，分别为附录A试验设备（规范性）、附录B散斑喷

涂方法（规范性）、附录C试样制备要求及方法（推荐性）和附录D屈服轨迹的测

量方法（资料性）。

附录A试验设备（规范性）对试验所需设备进行详细规范。所提供的液体压

力p应满足式（2），所提供的轴向载荷T应满足式（3），其中轴向抗拉强度Rm按

照GB/T228.1测得。

2Rt

pm0………………（2）

D0

TD0t0Rm………（3）

如此规定是为了确保试验能够提供足够的载荷以加载到管实验破裂为止。

附录B散斑喷涂方法（规范性）对试样表面散斑喷涂进行详细规范，确保采

用DIC系统测量应变、曲率半径时的准确性。

附录C试样制备要求及方法（推荐性）推荐了试样的制备方法，保证双向加

载试验时能够施加足够的轴向拉伸载荷和满足密封性要求。

附录D屈服轨迹的测量方法（资料性）提供了确定被测试试样屈服轨迹的方

法。由此得到的双向应力状态下的屈服轨迹有利于全面、定量评价金属管材的塑

性变形特征和确定符合金属管材成形特点的屈服准则，有利于提高金属管材成形

过程中有限元计算的预测精度。

四、主要试验情况

标准起草小组根据本标准中规定的试验原理、试样、设备、试验步骤、双向

应力-应变曲线的测定、试验报告，进行了验证试验。所采用的铝合金管材为捷安

特轻合金有限公司提供的6061-O铝合金无缝管，外径60mm，壁厚1.8mm。所采

9

用的试验设备如图2所示。在σz-σθ应力空间中设计了17个线性加载路径，分别为

σz:σθ=-1:0、-4:1、-2:1、-4:3、-1:1、-3:4、-1:2、-1:4、0:1、1:4、1:2、3:4、1:1、

4:3、2:1、4:1和1:0，近似均匀分布在整个应力空间的第一、二象限，如图3所示。

图3金属材料管双向加载试验应力路径

图4所示为不同应力加载路径下金属材料管双向可控加载试验后的试样。

a)拉-压应力状态

10

b)拉-拉应力状态

图4不同应力加载路径下双向应力可控加载试验后的试样

图5所示为6061-O铝合金挤压管双向加载试验获得的应力-应变曲线。该结果

表征了金属材料管的力学性能，用于分析双向应力状态下的屈服行为和后继塑性

变形行为，还可以用于确定金属材料管的屈服轨迹，如图6所示。

a)轴向应力-应变曲线b)环向应力-应变曲线

图5双向应力-应变曲线

图用双向加载实验测得的不同等效应变p时铝合金挤压管屈服轨迹

606061-O

利用图6所示的屈服应力点实验数据还可以用于确定该金属材料管的本构模

型，如Hill48、Barlat-Lian和Yld2000-2d，如图7所示。利用建立的本构模型可以

对金属材料管的塑性变形行为进行全面预测，还可以用于有限元对金属材料管的

成形过程进行准确仿真。

11

a)Hill48b)Barlat-Lian

c)Yld2000-2d.

图7利用双向加载试验结果建立的6061-O本构模型

验证测试试验表明，采用本标准提出的试验方法可以进行金属材料管双向加

载试验，根据试验结果获得双向应力-应变曲线，并进一步分析得到材料的主要力

学性能参数。试验方法简单易行，试验结果稳定可靠。因此，依据本标准内容具

有较强的意义。

五、标准中涉及专利的情况

本标准不涉及专利问题。

六、预期达到的社会效益、对产业发展的作用等情况

本标准采用内压和轴向力共同加载的轴向-环向双向加载条件，使得金属薄壁

管材在不同双向应力比或应力路径下产生变形，直到发生设定的变形程度或直至

破裂。实现的应力状态与金属薄壁管材实际成形时的应力状态更为贴合，获得的

结果能够更加准确地反映管材弹塑性变形特性和力学特性。可以为复杂异形管件

12

成形过程的理论分析、数值仿真等提供科学数据。

通过标准的制定和实施，将规范金属管材力学性能的测试方法，为金属管材力

学性能测量及评价提供可靠的依据，为指导和规范金属管材生产、验收和应用提

供了依据。对规范金属管材产品质量，引导相关产品市场良性发展具有积极的促

进作用。

七、与国际、国外对比情况

本标准没有采用国际、国内标准。

本标准的编制主要依据大连理工大学高性能精密成形研究所和哈尔滨工业大

学流体高压成形技术研究所的最新研究成果，主体内容详细记载于本标准起草人

之一张坤的博士学位论文（何祝斌教授、苑世剑教授为其导师）。本标准所描述测

试方法的基本原理、理论模型、测试设备及试验程序等，以论文的形式同时发表

于固体力学领域的国际著名期刊“国际塑性杂志”(InternationalJournalofPlasticity)

和“国际机械科学”(InternationalJournalofMechanicalSciences)上。

因此，本标准水平为国际领先水平。

[1]HeZB,ZhangK,LinYL,etal.AnAccurateDeterminationMethodFor

ConstitutiveModelofAnisotropicTubularMaterialsWithDIC-basedControlled

Biax