金屬板料單向拉伸過程溫度變化的預(yù)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及金屬材料成形技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種金屬板料單向拉伸過程溫 度變化的預(yù)測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 單向拉伸試驗(yàn)是目前使用最廣泛的力學(xué)性能測(cè)試手段，通過該試驗(yàn)獲得的材料的 應(yīng)力-應(yīng)變曲線是表征材料力學(xué)性能最直觀的方法。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，金屬的單向 拉伸試驗(yàn)已經(jīng)不再局限于準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變率?，F(xiàn)代汽車工業(yè)為了得到金屬板料在沖壓變形及汽 車碰撞過程的力學(xué)性能，往往需要進(jìn)行大量高于準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變率的單向拉伸試驗(yàn)。然而，當(dāng)應(yīng) 變率不再是準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變率時(shí)，變形過程產(chǎn)生的大量熱量來不及充分釋放到周圍環(huán)境中，必 然會(huì)使得試樣溫度升高，此時(shí)的單向拉伸變形過程不再是等溫狀態(tài)。而大量研究表明溫度 是影響材料力學(xué)性能的重要因素，特別是諸如TRIP鋼、奧氏體不銹鋼和Q&P鋼這類變形過程 伴隨相變的材料，因?yàn)橄嘧儗?duì)溫度非常敏感，所以溫度對(duì)力學(xué)性能的影響特別大。因此，當(dāng) 單向拉伸過程的溫度不再是等溫狀態(tài)時(shí)，準(zhǔn)確描述材料的力學(xué)性能還必須考慮溫度變化造 成的影響。
[0003] 目前，試樣單向拉伸過程溫度的變化主要可以通過熱電偶和紅外熱成像儀獲得， 這些方法測(cè)量精度高但測(cè)量過程耗時(shí)耗力，且成本高昂，并不適用于工業(yè)應(yīng)用。因此，定量、 快速、準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)不同應(yīng)變率單向拉伸過程的溫度變化具有非常重要的意義。
[0004] 板料成形領(lǐng)域習(xí)慣將材料變形過程的分為等溫狀態(tài)和絕熱狀態(tài)，一般認(rèn)為單向拉 伸過程應(yīng)變率足夠低的時(shí)候，變形過程產(chǎn)生的熱量有充分的時(shí)間與環(huán)境交換，試樣溫度基 本保持恒定，因此可認(rèn)為是等溫過程；當(dāng)應(yīng)變率足夠高的時(shí)候，材料變形過程非常短暫，試 樣與環(huán)境的熱交換基本可以忽略，因此可認(rèn)為處于絕熱狀態(tài)。等溫狀態(tài)單向拉伸過程溫度 保持恒定，絕熱狀態(tài)單向拉伸試樣的溫度變化可以用材料塑性功的表達(dá)式很好的表述。然 而，對(duì)于應(yīng)變率處于0.0002 ^ 0.丨.^范圍的單拉過程，試樣既有塑性功的釋放又有與周圍 環(huán)境之間的換熱，其溫度變化難以用傳統(tǒng)的絕熱溫升模型或者等溫模型的表達(dá)式描述。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種金屬板料單向拉伸過程溫度變 化的預(yù)測(cè)方法。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明提供的金屬板料單向拉伸過程溫度變化的預(yù)測(cè)方法，包括如下步驟：
[0007] 步驟1:依據(jù)熱彈性效應(yīng)的原理，計(jì)算金屬板料單向拉伸彈性變形過程的溫度變化 量；
[0008] 步驟2:根據(jù)能量守恒定律分析板料塑性變形過程的產(chǎn)生的熱量及與環(huán)境的熱交 換量，并建立能量守恒公式；
[0009]步驟3:通過設(shè)定假設(shè)條件，簡(jiǎn)化能量守恒公式；
[0010]步驟4:根據(jù)板料材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，依據(jù)塑性變形相關(guān)原理計(jì)算變形過程的塑 性功；
[0011] 步驟5:將單向拉伸過程的應(yīng)變率、塑性功、基本材料常數(shù)、試樣尺寸參數(shù)值代入所 述能量守恒公式，得到金屬板料單向拉伸過程的溫度變化的預(yù)測(cè)結(jié)果。
[0012] 優(yōu)選地，步驟1中金屬板料單向拉伸彈性變形過程是指：由于固體材料的熱彈性效 應(yīng)，彈性拉伸載荷會(huì)引起試樣溫度的略微下降，該階段材料的溫度變化計(jì)算公式如下：
[0014] 式中：Δ T表示板料的材料溫度變化，To表示試樣初始溫度，Δ 〇表示應(yīng)力變化，α表 示材料的線性膨脹系數(shù)，C表示材料比熱容，Ρ表示材料密度，ε表示材料的塑性應(yīng)變值；
[0015] 由于熱彈性效應(yīng)階段的溫度變化極小，不超過1°C，在預(yù)測(cè)溫度變化時(shí)忽略，只計(jì) 算彈性段結(jié)束時(shí)，即ε = ε〇時(shí)材料的溫度變化記為△ Ti，并將△ Ti作為后續(xù)塑性階段的初始 溫度;其中ε〇表示材料熱彈性效應(yīng)段結(jié)束時(shí)對(duì)應(yīng)的塑性應(yīng)變，也是材料的塑性變形開始占 主導(dǎo)作用的起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)的塑性應(yīng)變；Α !^的計(jì)算公式如下：
[0017] 式中：Δ σ〇表示塑性應(yīng)變?yōu)棣农枙r(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力變化。
[0018] 優(yōu)選地，所述步驟2中包括:通過分析大量塑性功的釋放時(shí)，板料溫度變化量以及 板料與環(huán)境之間進(jìn)行的熱交換，將單向拉伸板料的標(biāo)距段作為一個(gè)微元體，建立如下的能 量守丨旦公式：
[0020]
I代表微元體六個(gè)表面的換熱量，Τ表示微元體的瞬時(shí)溫 度，C表示材料比熱容，Ρ表示材料密度，
表示微元體溫度對(duì)時(shí)間的偏導(dǎo)，
表示與X軸 垂直的微元體上兩個(gè)表面的換熱量，
表示與y軸垂直的微元體上兩個(gè)表面的換熱量，
-表示與Z軸垂直的微元體上兩個(gè)表面的換熱量，a表示換熱系數(shù)或?qū)嵯禂?shù)，步表示福 射換熱，#表示試樣的內(nèi)熱源，單向拉伸中主要是塑性功轉(zhuǎn)化的熱量，假設(shè)轉(zhuǎn)化系數(shù)為β，則 內(nèi)熱源的計(jì)算公式如下：
[0022]式中：σ表示應(yīng)力；其中，對(duì)板料進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)，獲取應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，能夠得到 塑性功的值。
[0023]優(yōu)選地，所述步驟3包括:假設(shè)單向拉伸板料的標(biāo)距段在均勻變形過程，即抗拉強(qiáng) 度之前溫度均勻，把該標(biāo)距段作為一個(gè)微元并建立直角坐標(biāo)系；
[0024] 具體地，對(duì)步驟2中的公式（1)等式左右兩邊同時(shí)對(duì)dt積分，并同乘以微元體積v， 其中v = dxdydz，得到在Δ t時(shí)間內(nèi)，微元的能量守恒公式如下：
[0025]
[0026]對(duì)公式(2)進(jìn)一步簡(jiǎn)化后得到能量守恒公式如下：
[0028]把公式(3)中微元體的自然對(duì)流換熱量與福射換熱量合并，即：
[0030] 式中：Δ T2表示試樣與環(huán)境的溫差，Δ t表示拉伸過程持續(xù)時(shí)間，h。表示自然對(duì)流換 熱系數(shù)，hr表示輻射傳熱等價(jià)系數(shù)，為了簡(jiǎn)化，將自然對(duì)流換熱系數(shù)以及輻射傳熱等價(jià)系數(shù) 的和用綜合換熱系數(shù)h表示，h能夠通過查表并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)取值獲得；
[0031] 將金屬板料單向拉伸的塑性變形過程的能量守恒公式進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：
[0033] 優(yōu)選地，所述步驟4包括:假設(shè)單向拉伸過程的應(yīng)變率恒定
&表示應(yīng) 變率，單向拉伸板料的標(biāo)距段在塑性變形過程ε()< ε < eu中溫度變化表達(dá)為：
[0035] 式中，eu表示材料頸縮點(diǎn)對(duì)應(yīng)的塑性應(yīng)變，β表示拉伸過程塑性功轉(zhuǎn)化為熱量的百 分?jǐn)?shù)，ε表示塑性應(yīng)變，C表示材料比熱容，ρ表示材料密度，h表示綜合換熱系數(shù)，Α χ和Αζ分別 表示X方向和Ζ方向垂直的端面面積，ν表示微元體的體積，△ t表示拉伸持續(xù)時(shí)間；
[0036] 將溫度IV作為塑性階段的初始溫度，得到預(yù)測(cè)金屬板料單向拉伸過程ε < eu 溫度變化趨勢(shì)A f為如下表達(dá)式：
[0038] 式中：ε〇表示材料的塑性變形開始占主導(dǎo)作用的起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)的塑性應(yīng)變，eu表示材 料頸縮點(diǎn)對(duì)應(yīng)的塑性應(yīng)變，也就是抗拉強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的塑性應(yīng)變。
[0039] 優(yōu)選地，所述步驟5包括:將金屬板料某應(yīng)變率下的單向拉伸的時(shí)間、應(yīng)力應(yīng)變關(guān) 系、材料常數(shù)及試樣相關(guān)尺寸帶入所述公式(7)，得到材料單向拉伸過程的溫度變化的預(yù)測(cè) 結(jié)果。
[0040] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：
[0041] 1、本發(fā)明提供的金屬板料單向拉伸過程溫度變化的預(yù)測(cè)方法針對(duì)應(yīng)變率處于中 低應(yīng)變率范圍的單向拉伸過程的溫度變化，可快速、準(zhǔn)確、方便的進(jìn)行預(yù)測(cè)，相比傳統(tǒng)的熱 電偶法和紅外熱成像法，大大降低了獲取單向拉伸過程溫度變化的數(shù)據(jù)的成本。
[0042] 2、本發(fā)明提供的金屬板料單向拉伸過程溫度變化的預(yù)測(cè)方法考慮了單向拉伸試 驗(yàn)過程塑性功釋放的熱量和環(huán)境換熱對(duì)試樣溫度的影