金属材料 管 双向加载试验方法

ICS77.040.10CCSH22团 体 标 准T/CSTMXXXXX—202X金属材料管双向加载试验方法Metallicmaterials—Tube—Biaxialloadingtestingmethod（征求意见稿）202X-XX-XX发布202X-XX-XX实施发布中关村材料试验技术联盟发布T/CSTMXXXXX—2020IIT/CSTMXXXXX—2020I引 言本文件给出了应用管双向加载试验测定金属管在整个拉-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液压胀形试验相比，本文件所提供的试验方法可获得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。依据本文件给出的方法获得的结果能够更加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。T/CSTMXXXXX—202X金属材料管双向加载试验方法警示——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。范围本文件规定了金属材料管双向加载试验方法的术语和定义、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0.5mm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）。注意：本文件中“双向加载”的“双向”是指金属材料管的环向和轴向。对于薄壁金属材料管，管厚度方向上的应力相对较小，可以忽略不计。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/T228.1金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法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GB/T38684-2020金属材料薄板和薄带双轴应力-应变曲线胀形试验光学测量方法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(Metallicmaterials-Sheetandstrip-Determinationofbiaxialstress-straincurvebymeansofbulgetestwithopticalmeasuringsystems)术语和定义GB/T38719-2020界定的以及下列术语和定义适用于本文件。双向加载biaxialloading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。DIC测量系统digitalimagecorrelationmeasurementsystem采用数字图像相关方法DIC(DigitalImageCorrelation)，跟踪物体变形的散斑图像，计算出物体表面全场的三维坐标、位移和应变的测量系统。[来源：GB/T38719—2020]散斑speckle试样表面随机分布的斑点。[来源：GB/T38719—2020]变形区中间区域middleareaofthedeformingzone试样上发生变形区域的中间部分。变形区中间点intermediatepointofthedeformingzone位于变形区中间横截面上的点。注：见图1b)中A点。应力比stressratio轴向应力与环向应力的比值。双向加载试验机biaxialloadingtestdevice能够同时对试样施加轴向和环向载荷的试验机（参见附录A）。双向应力-应变曲线stress-straincurveunderbiaxialstressstate双向应力状态下得到的管材轴向、环向应力-应变关系曲线。符号及说明本标准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mmdz受力分析微元体中性层轴向弧长mmdθ受力分析微元体环向圆心角raddφ受力分析微元体轴向圆心角radD0试样初始外径mmL试样长度mmL0变形区长度mmLc夹持区长度mmp液体介质压力MPaT轴向载荷（T>0为拉力，T<0为压力）NRm抗拉强度MPat0试样初始壁厚mmtA试样变形区中间点实时壁厚mm表1符号及说明（续）符号说明单位变形区中间点外表面轴向真实应变/变形区中间点外表面环向真实应变/εz变形区中间点中性层轴向真实应变/εθ变形区中间点中性层环向真实应变/εt变形区中间点中性层厚向真实应变/ρθA变形区中间点环向曲率半径mmρzA变形区中间点轴向曲率半径mmσz变形区中间点中性层轴向真实应力MPaσθ变形区中间点中性层环向真实应力MPaα应力比/试验原理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。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；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试样按照设定的应力路径或应变路径加载。设备双向加载试验所用设备应符合附录A的规定。试样试样为一段圆形截面的管材。试样长度由式（1）确定，见图1a）。𝐿=2,𝐿-c.+,𝐿-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。试样端部应去除毛刺、打磨光滑，试样端部内侧应进行倒角处理，并且制样时保证试样表面没有损伤（划痕、裂纹等缺陷）。试样端部应与其轴线垂直，最大偏差不超过0.3°。试样外表面应清理干净以喷涂散斑，具体喷涂方法及注意事项见附录B。制样过程中应防止试样产生变形。对于不同种类（无缝管、焊管等）的试样制备具体要求见附录C。a)受力分析示意图b)应力分析示意图标引序号说明：1——液体介质输入口；2——塞头；3——管试样；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管状试样双向加载试验原理试验步骤试验时应记录试验温度，试验一般在10℃～35℃下进行。沿环向等间隔测量出12个点的壁厚，取其平均值作为平均壁厚；沿环向等间隔测量4个点获得管材外径平均值；测量工具的分辨力不低于0.01mm。对试验所用卡具、塞头、试验装置进行必要的清洗、检查，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。根据8.2测量的壁厚分布确定变形区中间截面上壁厚平均值位置处并做标记，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，但应避开焊缝及附近弧长15mm区域。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8.4标记的平均壁厚位置正对DIC系统的CCD镜头。通过轴向加载单元对试样施加100N~300N的预加载荷以消除各连接环节的安装间隙。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，然后向试样内部充入0.1MPa~0.2MPa的液体介质。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。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。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。实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。推荐的应变速率范围为0.0001s-1~0.01s-1。准备足够多的试样，每种实验条件下保证有三组有效的测试结果。双向应力-应变曲线的测定通则根据测量所得数据确定试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），具体参见附录D。曲率半径的确定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。试样变形时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8.4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)D0，宽度l2建议取值为l2=(0.2~0.4)L0，也可以根据实际视窗大小作调整。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2mm），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；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2mm），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。必要时，也可以协商采用其他拟合方法或计算方法确定曲率半径。应变的确定变形区中间点的外表面轴向和环向应变分量（）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：……(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(εt)：……………（3）壁厚的确定按公式（4）计算变形区中间点的实时壁厚(tA)为：……（4）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应力的确定管材中性层上轴向和环向的应力分量由公式（5）确定。……（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。图3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-应变曲线的例子，并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)σz:σθ=1:1线性应力路径加载b)σz:σθ=-1:2线性应力路径加载图36061-T4铝合金无缝挤压管双向应力-应变曲线试验报告试验报告格式可自行设计；试验报告应包括以下主要内容：本标准编号；试样标识；试样的壁厚、外径、长度，材料牌号和状态；试验机；试验温度；试验所用卡具、塞头的几何信息；加载方式及加载速度；试验的测量计算结果：包括轴向载荷、液体压力、轴向和环向应力分量、轴向和环向应变分量、双向应力-应变曲线等；试验日期、试验人员等。试验报告还可包括下述内容试验过程描述；试样制造记录；试验后试样整体外观照片；试验中的其他说明。附录A

（规范性）

试验设备A.1管状试样双向加载试验设备示意图见图A.1。标引序号说明：1——轴向加载单元；2——机身主体；3——高压系统；4——控制系统；5——DIC测量系统；6——压力测量模块；7——轴向载荷测量模块；8——数据采集模块。图A.1试验设备示意图A.2试验设备应具有向试样内部提供液体介质的高压系统和相应的压力控制系统。输出的液体介质压力平稳，波动不宜超过±0.05Mpa，所提供的液体压力p应满足式（A.1），其中轴向抗拉强度Rm按照GB/T228.1测得：QUOTEp>2t0RmD0…………（A.3试验设备的轴向加载单元应提供足够大的轴向拉伸和压缩载荷并具有可供伺服控制的接口。所提供的轴向载荷T应满足式（A.2）：QUOTEF>1.3pπD0-2t022………（A.4试验设备应配备一个试样内部液体压力测量系统。从最大测量压力值的10％起，测量误差不大于1％。A.5轴向加载单元推荐采用精度等级为0.5级的电子万能试验机。也可自行设计满足试验要求的轴向加载单元，需要配备精度等级0.5级的载荷传感器。A.6A.7A.8设备应具有排气功能，以在试验前排除试样内部的气体，防止破裂时气体瞬间释放引起液体高速飞溅。A.9建议在镜头和灯具前放置一块平板状玻璃板，以防止试验结束试样发生破裂时液体飞溅对设备造成损坏，以保护DIC测量系统。在确保不影响DIC系统的测量精度且强度足够的前提下自行选择玻璃板。A.10试验卡具和塞头的结构、形状、尺寸应满足试验原理和试验条件，塞头上安装的密封圈依据试样内径自行选型，能够实现密封即可。A.11试验设备的其他要求，可按GB/T38719-2020的规定。附录B

（规范性）

散斑喷涂方法B.1概述采用DIC测量系统测量试样变形时的应变和几何形状时，需要在试样表面喷涂散斑，散斑的质量决定测量系统能否进行准确测量以获得准确的数据，因此本附录对散斑喷涂做了相关规定。B.2喷涂随机散斑B.2.1喷涂散斑的步骤如下：——第1步，首先将试样表面清理干净，确保不会出现影响散斑喷涂和粘附的油污等；——第2步，在待测试样上喷涂一层薄薄的哑光白色底漆以减小试样表面光泽的影响；——第3步，待上一步白色底漆将要晾干时喷涂黑色散斑，如图B.1所示为供参考的散斑图案。图B.1参考散斑图案B.2.2对于喷涂用喷漆的品牌及规格不作规定，以喷涂效果和DIC测量系统观测效果为准。推荐使用哑光自喷漆进行喷涂。喷涂散斑后的试样应尽快进行试验测试，防止久置后试样变形时散斑脱落。注意：喷漆可能含有有毒溶剂，请遵守喷漆罐上的警告，不要吸入喷出的气体，一定要在良好的通风条件下使用喷漆；避免喷漆接触皮肤和眼睛；喷出的漆雾一般具有可燃性，因此，应远离火源；在喷漆之前检查试件表面是否适合喷漆。B.3散斑质量要求试样表面的散斑质量会对测量产生影响，因此，被测试样表面所喷涂的散斑应满足以下要求：a）为了获得高对比度的随机灰度分布图像，试样表面喷涂的散斑必须具有随机特征，以保证参考图像中的像素区域和目标图像中对应的像素区域相匹配；b）所使用的油漆应该有足够的弹性和强度以免涂层开裂或脱落，散斑应能够随着试件一起变形且不会过早损坏；c）试样表面特征需要有良好的对比度，以保证图像匹配精度；d）散斑表面宜没有面积较大的持续强光区域，例如大的斑点，图B.2分别显示了不合格的散斑和合格的散斑。a）不合格的低对比度散斑b）干扰点过大的高对比度散斑c）较好的高对比度散斑图B.2散斑实例附录C

（推荐性）

试样制备要求及方法为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，对试样制备给出如下建议：C.1对于外表面光滑的无缝管和焊管，为了能够通过卡具对管材试样施加足够的拉伸载荷，需要对试样夹持段外表面进行粗糙化处理，以增大卡具和试样间的摩擦。处理方式可以采用砂纸打磨或者滚花，也可以采用其它实现增大摩擦效果的处理方法。C.2对于焊管，特别是无填充焊丝的激光焊管，焊缝区域与邻近母材间存在明显壁厚差。建议对试样两端安装塞头管段的内部焊缝及附近区域母材打磨或切削处理，使焊缝区与邻近母材间光滑过渡，以实现良好的密封效果。附录D

（资料性）

屈服轨迹的测量方法D.1概述本附录规定了金属管材屈服轨迹的测量方法。由双向加载试验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ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA。D.2塑性变形功的确定方法图D.1为金属管材塑性变形功的测量方法。首先进行沿管材轴向的单向拉伸实验，以获得的单轴真实应力-应变曲线作为参考确定某一应变εp0（也即是等效应变）时的单位体积的塑性功W0。W0是由真实应力-真实塑性应变曲线所围成的面积确定，如图D.1a）所示。然后，计算任意双向应力状态下各应力分量的塑性功Wz和Wθ，如图D.1b)所示。当满足公式（D.1）时表示塑性功相等。最后，将多组塑性功相等的应力点（σz,σθ）绘制在主应力空间中形成塑性功等值线，也即表示材料的屈服轨迹。QUOTEp>2t0RmD0……………（Da)单向应力状态b)双向应力状态图D.1塑性功测定示意图D.3屈服轨迹图D.2是采用金属管材恒定应力比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的双向加载试验得到的不同等效应变εp0时的屈服轨迹。对于σz:σθ=1:0，采用的是标准单向拉伸试验。图D.2用双向加载实验测量6061-O铝合金挤压管屈服轨迹的案例附录E

（资料性）

起草单位和主要起草人本文件起草单位：本文件主要起草人：

参考文献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ZL201510683896.2一种薄壁管双向应力状态应力应变测量装置及方法HeZB,ZhangK,LinYL,YuanSJ.AnAccurateDeterminationMethodForConstitutiveModelofAnisotropicTubularMaterialsWithDIC-basedControlledBiaxialTensileTest[J].InternationalJournalofMaterialSciences,2020,181:105715.ZhangK,HeZB,ZhengKL,YuanSJ.Experimentalverificationofanisotropicconstitutivemodelsundertension-tensionandtension-compressionstressstates[J].InternationalJournalofMaterialSciences,2020,178:105618.HwangYM,LinYK.AnalysisandFiniteElementSimulationoftheTubeBulgeHydroformingProcess[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2002,126(3):821-825.HwangYM,LinYK.AnalysisofTubeBulgeForminginanOpenDieConsideringAnisotropicEffectsoftheTubularMaterial[J].InternationalJournalofMachineToolsandManufacture,2006,46(15):1921-1928.HwangYM,LinYK,AltanT.EvaluationofTubularMaterialsbyaHydraulicBulgeTest[J].InternationalJournalofMachineToolsandManufacture,2007,47(2):343-351.HwangYM,LinYK.EvaluationofFlowStressesofTubularMaterialsConsideringAnisotropicEffectsbyHydraulicBulgeTests[J].JournalofEngineeringMaterialsandTechnology,2007,129(3):414-421.HwangYM,WangCW.FlowStressEvaluationofZincCopperandCarbonSteelTubesbyHydraulicBulgeTestsConsideringTheirAnisotropy[J].JournalofMater