收稿日期:1997—03—31建立材料塑性本构方程的实验分析方法史宝军(山东建筑工程学院计算结构力学与计算机辅助设计研究所)鹿晓力(郑州轻工业学院)鹿晓阳杨乐宇(山东建筑工程学院计算结构力学与计算机辅助设计研究所)李奎(吉林化建公司金属结构厂)摘要以热推弯管变形分析为实例,在实验基础上综合考虑温度效应、应变速率、变形程度、应力状态与含碳量等因素对碳钢材料力学性能的影响,兼顾准确性和计算简单性建立了碳钢弯管成形过程材料本构方程。给出了一种建立材料塑性本构方程的实验分析方法,为复杂条件下钢结构分析奠定了基础。关键词材料本构方程;温度效应;应变速率;应力状态分类号TG302;O34411不同变形条件下,材料产生塑性变形的应力强度是不同的。材料产生塑性变形后,应力—应变关系也因变形条件不同而有所差异。对金属塑性变形过程进行力学分析,必须根据实际变形条件研究金属力学性能、建立相应的材料本构方程。在文献1～4中,我们曾对弯管成形过程进行过实验研究,为建立热推弯管成形过程材料本构方程奠定了基础。本文以实验研究为基础,侧重阐述建立材料塑性本构方程的实验分析方法。1宏观定性分析金属在高温(高于再结晶温度)下进行塑性加工,材料性能同时发生两个过程:一方面由于应变增加,产生应变强化即加工硬化;另一方面由于发生动态恢复再结晶,消除了组织缺陷、提高了材料塑性,解除了强化。若应变速率过高,恢复再结晶过程来不及抵消变形强化,材料将呈现粘性。图1给出了各种因素对材料屈服应力的影响。除加热温度、应变速率和变形程度外,应力状态、金属化学成分及组织等都对材料屈服应力有影响。通常分析金属塑性加工过程,采用刚塑性材料本构模型会给计算带来很大方便。热推弯管成形过程是否可以采用刚塑性材料本构模型描述呢?回答这个问题前,先分析一下弯管成形时不同变形阶段各部分金属的变形。如图2所示,热推弯管成形过程可以分为1、2、3三个变形阶段。下面与图3所示牛角芯棒外形几何尺寸相对照,分析一下三个变形阶段的变形情况:(1)未进入牛角芯棒变形区的直管坯阶段(图2中的下部,对应图3中牛角芯棒的L段)。在该阶段管坯处于室温下向前推进,只产生弹性小变形。试件上环向各部位5mm×5mm单元网格(图2)基本无变化,其变形量远小于管坯进入感应加热区后在700～900℃高温下产生的塑性变形,可以忽略不计。故处于该阶段的管坯可视为刚性材料。(2)进入牛角芯棒变形区的变形阶段(图2中间部分,对应图3中Β角)。在该阶段,管坯通过感应区的一瞬间被加热到700～900℃、在高温下同时产生较大的弯曲变形和扩径变形。第13卷第2期1998年6月山东建筑工程学院学报JOURNALOFSHANDONGINSTITUTEOFARCH.ANDENG.Vol.13No.2June1998但管坯环向不同部位金属的变形程度有明显差别。弯管凹边金属变形量最大,原5mm×5mm正方形网格逐变成矩形状(图2)。弯管凸边金属基本不变形,直到推出牛角芯弯管凸边正方形网格仍基本保持原有的形状和大小(图2、图4)。可见,弯管凸边金属在整个推制过程中都处于弹性变形状态。(3)变形后的整形阶段(图2中的上部,对应图3所示牛角芯棒几何尺寸Α角)。在该阶段,牛角芯棒的曲率半径和横截面直径不再发生变化,弯管经过该阶段不再产生新的变形,主要是实现高温定形并完成恢复再结晶过程。因此,为了全面了解热推弯管成形过程中,环向各部位金属的应力、应变状态及其演化过程,应该采用弹塑性材料本构模型。图1各种因素对材料屈服应力的影响图2成形过程中的弯管图3牛角芯棒外形几何尺寸图4成形后的弯管2基于实验的定量描述关于材料在不同变形条件下屈服应力的计算,目前尚无有实用价值的理论解。虽然有时凭经验采用基于某种假设的理想模型,对简单工程问题可以得到具有一定实用价值的分析结果。但对一种受力、变形特点仍不清楚的新型塑性加工工艺进行力学分析,仅凭经验或想象建立材料本构模型而进行的分析计算,其实用价值就很难令人信服。显然,建立适用于某种塑性加工工艺过程的材料本构模型,必须依据实际工艺条件,以相应的实验分析为基础。下面根据热推弯管成形时的工艺条件和有关实验数据[1,2],综合考虑各种因素的影响建立弯管成形过程材料本构方程。211应变速度(工程中又称变形速度,指...
