金屬材料拉伸的案例
盤點影響金屬拉伸性能的主要因素
隨著金屬沖壓件拉伸工藝日益發展，市場對金屬拉伸件的需求越來越高，對產品的要求也越來越高，包括形狀、性能、外觀等等。金屬拉伸工藝是指利用模具將沖裁后得到的一定形狀平板毛坯沖壓成各種開口空心零件或將開口空心毛坯減小直徑，增大高度的一種機械加工工藝。用拉深工藝可以制造成筒形、階梯形、錐形、球形、盒型和其他不規則形狀的薄壁零件，與翻邊、脹形、擴口、縮口等其他沖壓成形工藝配合，還能制造形狀極為復雜的零件。
雖然金屬材料拉伸性能取決于材料本身的性質，如化學成分、組織結構等，但即使是相同的材料在不同拉伸試驗過程中所得的結果也很有可能不相同。影響金屬拉伸性能的因素很多，總體來說可以分為金屬原材料的性質和加工對金屬材料拉伸性能的影響這兩大方面。
首先說一下金屬原材料的性質對金屬拉伸性能的影響： 金屬材料通常是指由金屬元素或以金屬元素為主所構成的具有金屬特性的材料的統稱，主要包括純金屬、特種金屬、合金以及金屬材料金屬間化合物等。在金屬材料的加工過程中，其組織會受到一定的影響而發生相應的改變。金屬材料的特殊性質主要表現為如下幾個方面：1.許多金屬材料，在工作過程中需要承受交變載荷，在此作用下，雖然金屬材料的屈服極限遠遠高于應力水平，但經過長期的應力循環作用后，也會出現突然脆性斷裂現象，此現象就是金屬材料的疲勞，是一種最常見也最危險的斷裂形式。2.在載荷外力的作用下，金屬材料所呈現的永久變形而不被破壞的能力即為金屬材料的塑性。金屬材料的塑性越好，越能在較大的范圍內形成塑性變形，并在塑性變形的過程中強化金屬材料的強度，增加金屬材料的安全性。3.硬度主要是指金屬材料對硬物體壓入其表面的抵抗能力，是考量金屬材料性能的重要指標之一。金屬材料的硬度是起始塑性變形抗力與繼續塑性變形抗力共同作用的結果，一般來說金屬材料的硬度越高，耐磨性也就會越好。
展開 一文搞懂：金屬材料的拉伸試驗 附《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》下載
4、相關計算
對于屈服現象明顯的材料：
上屈服強度ReH= FeH/S0 （S0表示原始橫截面面積、FeH表示上屈服點對應的軸向力）
下屈服強度ReL = FeL/S0 （S0表示原始橫截面面積、FeL表示下屈服點對應的軸向力）
抗拉強度Rm=Fmax/ S0 （Fmax是指最大軸向力）
對于屈服現象不明顯的材料，規定以產生0.2%殘余變形的應力值為其屈服極限，稱為條件屈服極限或屈服強度。大于此極限的外力作用，將會使零件永久失效，無法恢復。
下載地址：GB／T228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》
展開 基于GTN模型的金屬材料拉伸頸縮現象模擬（原創案例賞析，如轉載，請注明出處）
分析類型：基于GTN模型的金屬材料拉伸頸縮現象模擬
分析平臺：ANSYS17
技術難點：損傷力學 GTN模型 拉伸頸縮
關鍵詞：損傷力學 GTN模型 拉伸頸縮 孔洞生長和聚合
完成人：技術鄰ANSYS專家
業務咨詢網址：http://www.yqgqt.org.cn/content/other/402981
技術背景：延性金屬的微觀損傷
工程意義：金屬損傷
研究對象：金屬圓桿
模擬過程：金屬材料拉伸頸縮現象模擬
GTN模型的適用范圍：延性金屬
微觀尺度的孔洞形核 生長和聚合模型
孔洞的演化方程
微觀塑性應變的演化方程
孔洞的形核有兩種：應力和應變
GTN模型的屈服準則
單元建模：
采用軸對稱
金屬干的軸對稱模型
GTN模型的材料定義
分析類型：靜力分析，（動態分析還沒有做，后續做出來再show一下）
邊界條件：下端固定，上端施加位移
計算結果
基于GTN損傷模型的延性金屬拉伸頸縮現象模擬
載荷位移曲線
后續可進一步的研究：
1、基于GTN的動態損傷、斷裂分析和裂紋擴展研究
2、動力學的GTN模型分析
作者說明：
ANSYS采用GTN的本構，利用宏觀的有限元方法實現模擬微觀尺度的延性金屬的損傷過程，但無法顯示孔洞的形核 生長 聚合甚至裂紋形成等微尺度信息，但可以從宏觀角度以較少的計算費用實現結構的損傷分析，相比于分子動力學，這個方面的優勢非常明顯。
另外分享一個基于分子動力學（MD)的金屬拉伸的孔洞形核、生長和聚合的數值仿真案例
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塑性材料拉伸力學實驗的詳細實驗方法可參考國家標準《GB/T 228.1-2010 金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》。本文以圓形截面拉伸試驗樣件為例利用ansys Workbench仿真塑性材料拉伸力學試驗。根據GB/T 228.1-2010試驗樣件尺寸如下圖所示。
取直徑d0=10mm，L0=5*d0=50mm，Lc=L0+d0/2=55mm，Lt>Lc+4*d0，取Lt=115mm。
2、ANSYS Workbench仿真分析
2.1 材料設置
在ANSYS Workbench中創建結構靜力學分析項目（Static Structural）。設置材料參數如下：楊氏模量2E11 Pa，泊松比0.325，屈服極限（Tensile Yield Strength）350Mpa，強度極限（Tensile Ultimate Strength）516Mpa。塑性階段采用Multilinear Kinematic hardening(多線性隨動強化模型)材料本構關系模型，用列表形式輸入應力與塑性應變。（關于Multilinear Kinematic hardening(多線性隨動強化模型)材料模型的介紹可
可用電子拉力機對小試件做力學性能試驗來確定的。通過試驗可以得到上述材料應力應變曲線圖。注意試驗得到的是總應變，而在上面材料模型中需要的是Plastic Strain，所以還需將試驗所得的總應變減去對應的彈性應變（即屈服點之后的每一個試驗點的總應變減去這個點對應的彈性應變，其中彈性應變=應力/彈性模量，這里不考慮其他因素影響近似認為總應變=彈性應變+塑性應變）。
有限元模型
載荷邊界設置
如果拉力過小會出現試件根本拉不到屈服階段，如果過大則會導致應力范圍超過之前設定的范圍，而出現計算出錯。
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室溫下金屬圓棒試樣高應變速率拉伸試驗影響因素分析
全文速讀：
在不同應變速率下對鑄鐵和鑄鋁圓棒試樣進行了單軸高速拉伸試驗，研究了它們的動態力學性能及斷裂情況，分析了相關因素對試驗的影響。結果表明：測試應變、應力的方法，試樣標距長度及夾持端長度等對試驗準確性和曲線振蕩程度有較大影響；使用比剛度和比強度高的夾具、短標距試樣、應變片測試應力、兩臺相機測試應變、適當增加夾持端長度可以提高試驗結果的準確性。
工程上對金屬材料的拉伸試驗通常要求應變速率在10?2～103 s?1之間。一般應變速率小于0.1 s?1時，可以在靜態試驗機上進行試驗，規范參考GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》；當應變速率大于0.1 s?1時，需要在高速拉伸試驗機上進行試驗，稱為高應變速率拉伸測試。ISO 26203-2:2011 Metallic materials — Tensile testing at high strain rates — Part 2: Servo-hydraulic and other test systems 及 GB/T 30069.2—2016對金屬板材試樣的高應變速率拉伸測試有詳細的說明，但對金屬圓棒試樣缺乏指導性規范。
機械設備結構件多為鑄件，其力學性能關系到產品的碰撞安全性。鑄件的力學性能一般通過測試標準圓棒試樣獲得，因此了解圓棒試樣高應變速率測試時的影響因素，獲得準確的高應變速率條件下的拉伸應力應變曲線等相關信息對零件結構的碰撞安全性評價非常重要。
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試驗材料及方法
試驗材料為啞鈴型鑄鋁和鑄鐵件，根據常用零件的最小壁厚，選擇平行段直徑為 5 mm、夾持端直徑為 12 mm 的試樣。平行段工作部分表面粗糙度為 0.32 μm，同軸度小于 0.01 mm，使用銑床和外圓磨床進行加工。
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Abaqus纖維復合材料修復金屬開孔板！
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補片與母體間采用cohesive膠接，模型中復合材料采用hashin失效準則，金屬采用ductile失效！
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展開 常見的金屬材料金屬材料成型方法
常見金屬材料主要有黑色金屬鐵及其合金，壓鑄模具以及有色金屬及其合金。有色金屬又叫非鐵材料。
鐵的合金主要為鋼和鑄鐵。工業用鋼分結構鋼，零件鋼，工具鋼和特殊性能鋼。常用鑄鐵分灰鑄鐵，可鍛鑄鐵，球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵。
常用有色金屬：鋁及鋁合金，鈦及鈦合金，銅及銅合金和軸承合金（錫基，鉛基，鋁基軸承合金）。
常用成型方法
冷加工：車，銑，刨，磨，鉆，拉（機加工）；冷軋、冷拔、冷鍛、沖壓、冷擠壓。
熱加工：鑄造，熱扎，鍛造，熱處理，焊接，熱切割，熱噴涂
淺談金屬拉伸試驗的必要性
在金屬的制造過程中，一個很重的力學性能就是金屬的拉伸能力。金屬拉伸試驗在金屬材料力學性能試驗中是最常見、最重要的試驗方法之一，它關乎到金屬的韌性、強度等，拉伸性能是通過拉伸試驗判定的。
金屬拉伸試驗所得到的材料強度和塑性性能數據，對于設計和選材、新材料的研制、材料的采購和驗收、產品的質量控制、設備的安全和評估，都有很重要的應用價值和參考價值。
金屬拉伸試驗一般分為四個階段：
1、彈性階段: 隨著荷載的增加，應變隨應力成正比增加。如卸去荷載，試件將恢復原狀，表現為彈性變形，此階段內可以測定材料的彈性模量。
2、屈服階段: 普碳鋼：超過彈性階段后，載荷幾乎不變，只是在某一小范圍內上下波動，試樣的伸長量急劇地增加，這種現象稱為屈服。
3、強化階段：試樣經過屈服階段后，若要使其繼續伸長，由于材料在塑性變形過程中不斷強化，故試樣中抗力不斷增長。應變增加應力也增加，力量最大值就是金屬材料抗拉強度的極限值。
4、頸縮階段：當應變增加應力下降，金屬材料就會產生“頸縮”狀態，直至斷裂。
我們通過金屬拉伸實驗可以測試出材料的強度、硬度、疲勞等等一系列的機械性能。作為沖壓件加工廠只有充分了解了材料的性能之后才能安全的制定材料的應用環境，才能放心投產，加工生產出優質、合格的沖壓件。
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產生屈服時的應力稱為屈服強度極限，用σs表示，相應于拉伸試驗曲線圖中的S點稱為屈服點。對于塑性高的材料，在拉伸曲線上會出現明顯的屈服點，而對于低塑性材料則沒有明顯的屈服點，從而難以根據屈服點的外力求出屈服極限。因此，在拉伸試驗方法中，通常規定試樣上的標距長度產生0.2%塑性變形時的應力作為條件屈服極限，用σ0.2表示。屈服極限指標可用于要求零件在工作中不產生明顯塑性變形的設計依據。但是對于一些重要零件還考慮要求屈強比（即σs/σb）要小，以提高其安全可靠性，不過此時材料的利用率也較低了。
3）彈性極限：材料在外力作用下將產生變形，但是去除外力后仍能恢復原狀的能力稱為彈性。金屬材料能保持彈性變形的最大應力即為彈性極限，相應于拉伸試驗曲線圖中的e點，以σe表示，單位為兆帕（MPa）：σe=Pe/Fo式中Pe為保持彈性時的最大外力（或者說材料最大彈性變形時的載荷）。
4）彈性模數：這是材料在彈性極限范圍內的應力σ與應變δ（與應力相對應的單位變形量）之比，用E表示，單位兆帕（MPa）：E=σ/δ=tgα式中α為拉伸試驗曲線上o-e線與水平軸o-x的夾角。彈性模數是反映金屬材料剛性的指標（金屬材料受力時抵抗彈性變形的能力稱為剛性）。
1.2.塑性
金屬材料在外力作用下產生永久變形而不破壞的最大能力稱為塑性，通常以拉伸試驗時的試樣標距長度延伸率δ（%）和試樣斷面收縮率ψ（%）延伸率δ=[(L1-L0)/L0]x100%，這是拉伸試驗時試樣拉斷后將試樣斷口對合起來后的標距長度L1與試樣原始標距長度L0之差（增長量）與L0之比。
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基于comsol的卷曲金屬拉伸塑性
金屬沖壓件拉伸加工常見成型類型以及注意事項
金屬沖壓拉伸件的使用越來越多，應用很廣泛不僅僅在工業上，生活上也開始普及了，因為它的拉伸工藝可以制作出各種形狀，如筒形、矩形、階梯形、球形，甚至其他不規則形狀的薄壁零件。那么大家知道沖壓件拉伸成型類型有哪些嗎?
使用沖壓設備進行產品的拉伸成型加工包括：
拉伸加工：使用壓板裝置，利用凸模的沖壓力，將平板材的一部分或者全部拉入凹模型腔內，使之成形為帶底的容器。容器的側壁與拉伸方向平行的加工，是單純的拉伸加工，而對圓錐（或角錐）形容器、半球形容器及拋物線面容器等的拉伸加工，其中還包含擴形加工。
再拉伸加工：即對一次拉伸加工無法完成的深拉伸產品，需要將拉伸加工的成形產品進行再次拉伸，以增加成形容器的深度。
逆向拉伸加工：將前工序的拉伸沖壓件進行反向拉伸，工件內側變成外側，并使其外徑變小的加工。
變薄拉伸加工：用凸模將已成形容器擠入比容器外徑稍小的凹模型腔內，使帶底的容器外徑變小，同時壁厚變薄，既消除壁厚偏差，又使容器表面光滑。
金屬沖壓拉伸件加工時的注意事項：
1.金屬沖壓拉伸成型加工形狀應盡量簡略、對稱，盡可能一次拉深成形;
2.需進行多次拉伸的零件，在確保必要的外表質量前提下，應外表存在拉伸過程中能夠發生的痕跡;
3.在確保安裝需求的前提下，拉伸件側壁要有必定的斜度;
4.拉伸件的底或凸緣上的孔邊到側壁的間隔要適宜;
5.拉伸件的底與壁、凸緣與壁、矩形件四角的圓角半徑要適宜;
6.金屬沖壓拉伸件的尺度標示，不能一起標示內外形尺度。
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對金屬板料拉伸成形過程中破裂的研究
金屬板料在拉伸成形的過程中，由于受多種因素的共同影響，包括成形零件的形狀、大小、深度，材料本身的厚度、硬度和坯料尺寸，模具中凸、凹模圓角的大小、凸凹模間隙的大小，以及壓邊力設置等，使得金屬板料在拉伸成形過程中，有時會出現破裂或嚴重拉薄的現象，導致零件報廢無法使用。盡管可采取CAE 分析的方式，通過對拉伸系數、拉伸凸、凹模圓角、壓邊力設置等工藝參數的調整優化，改善拉伸成形的破裂狀況；但有的時候這種調整并不能從根本上解決破裂的問題。
通常，在拉伸成形過程中無法有效改善或避免破裂時，工藝上就會考慮對拉伸成形零件進行回火或局部退火，以軟化材料；或者犧牲材料性能抑或改變零件形狀，以改善拉伸成形性能。而如此改變的結果，要么增加零件的生產成本，要么降低零件的部分功能。
本文從另一個角度，即如何合理利用拉伸成形過程中的破裂，以改善金屬板料的拉伸成形，并結合實際工作中的兩個實例，介紹拉伸成形過程中破裂的合理利用。
拉伸成形過程中破裂產生的原因及其對策
根據金屬板料在拉伸成形過程中其材料在變形區域內的應力應變分析可知，當處于材料變形區域內的材料受到的某一矢量方向上的拉應力大于材料本身的抗拉強度，且此時材料又無法沿著較大的受力方向做相應移動時，此處的材料就會破裂。
因此，為了不使材料被拉破或嚴重拉薄，從理論上來說，就是要改變在拉伸成形過程中材料的受力狀況或使材料在受到較大外力時，可以在相應的方向上做相應的移動。
在實際生產中，人們歸納總結了許多的方法和經驗，如：改變拉伸成形凸、凹模圓角半徑大小并使其粗糙度變小，改變壓邊力的設置，調整每道工序的拉伸系數，注意控制好凸凹模之間的間隙等等，其目的均是改變材料在拉伸變形區域內所受的應力大小及其材料變形程度，使其所受的拉應力小于材料本身的抗拉強度，以避免材料破裂。
展開 你真的得能講清楚什么是金屬材料的微觀組織結構嗎？（ 金屬材料科學與技術）
花粉的微觀組織結構
你知道金屬材料的微觀組織結構是怎么形成的嗎？你了解鑄造、冷加工、熱處理分別如何影響金屬材料的微觀組織結構嗎？
3相(Phase)/組分(Component)/缺陷(Component)
相，通常被認為是材料中具有不同的晶體結構和/或不同化學成分的部分，金屬材料中不同的相之間是通過不同的界面分離開的。一種具有特定化學成分的純物質通常被認為是由一個化學組分構成。一些材料的化學成分可以在兩個或多個極端之間連續變化。這些材料通常必須含有兩個或更多的組分。注意一種多組分材料可以以單相的形式存在，前提是不同組分的原子可以在固相狀態(Solid state)緊密混合，這種混合體(Mixtures)被稱為固溶體(Solid solution)。
孿晶界形貌
缺陷，通常被定義為晶體結構周期性的任何中斷(Disruption)。點缺陷，如空位(Vacancies)和間隙(Interstitials)。面缺陷(Planar defects)，如表面(Surfaces)、孿晶界(Twin boundaries)和晶界(Grain boundaries)以及位錯(Dislocation)等。
??空位缺陷示意圖
4微觀組織結構的形成 ？
微觀組織結構是在不同工藝條件下產生的。微觀組織結構通常是通過溫度或/和壓力的變化帶來的相變產生的。材料的變形或加工(滾壓(Rolling)、鍛造(Pressing)、焊接(Welding))也可以帶來微觀組織結構的變化。最后，微觀組織結構還可以通過人工將不同材料組合到一起形成復合材料(Composite material)的方式創造出來，如纖維增強復合材料。
展開 液態金屬柔性可拉伸傳感器取得新進展
（來源：深圳先進技術研究院）
柔性傳感器的拉伸、扭轉和彎曲
超高可拉伸傳感器的拉伸實驗
可拉伸傳感器的特性分析和應用示范
來源：材料科學與工程
金屬圓棒膠粘接頭在高拉伸速率下的抗拉強度評價方法
圖13 室溫下高速拉伸后失效情況
圖14 低溫下高速拉伸后失效情況
圖15 高溫下高速拉伸后失效情況
總結
本案例進行了膠粘對接接頭在高拉伸速率下的粘接強度測試，分析了拉伸速率和溫度對粘接強度的影響。實驗結果表明，膠粘接頭在不同溫度下的抗拉強度均具有較明顯的速度敏感性，拉伸速率越大，抗拉強度約大。相同拉伸速率下，低溫和高溫環境均會使膠粘強度退化。不同環境和拉伸速率下，接頭的失效模式也不同。
* 本文案例為國高材分析測試中心原創，轉載請注明出處。
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