材料拉伸試驗(yàn)的案例
為什么材料拉伸試驗(yàn)要用“引伸計(jì)”
試驗(yàn)時(shí)，傳感器與試件測(cè)量段（亦稱“測(cè)量標(biāo)距”）的兩端點(diǎn)“固定”，傳感器測(cè)得標(biāo)距間的變形（伸長(zhǎng)或縮短）并將其轉(zhuǎn)化為其他信號(hào)（如電信號(hào)、光信號(hào)），經(jīng)放大器放大并由記錄器采集，從而獲得數(shù)據(jù)。
引伸計(jì)包括機(jī)械式引伸計(jì)、光學(xué)引伸計(jì)、電子引伸計(jì)（圖1）等。目前土木工程試驗(yàn)中較常用電子引伸計(jì)，如各類材料的拉伸試驗(yàn)。而電子引伸計(jì)又可分為軸向引伸計(jì)、橫向引伸計(jì)和夾式引伸計(jì)。本文主要談?wù)剬?duì)
軸向電子引伸計(jì)（測(cè)量試件沿加載方向的線變形）的一些理解，如圖1，其包括
刀刃、
標(biāo)距桿、
標(biāo)距桿墊片、
力臂等部件。
圖1 軸向電子引伸計(jì)
2. Why it ?| 為什么需要用引伸計(jì)？
目前多數(shù)試驗(yàn)機(jī)都能記錄加載頭的位移，利用位移計(jì)也能測(cè)量試件的變形，這兩者相對(duì)于引伸計(jì)的安裝和使用都方便太多，所以剛開始做材料拉伸試驗(yàn)時(shí)，我對(duì)試件上額外添加一個(gè)引伸計(jì)是疑惑的。
那么使用引伸計(jì)的意義是什么？
結(jié)合試驗(yàn)來(lái)談一談會(huì)一點(diǎn)。
當(dāng)進(jìn)行材料拉伸試驗(yàn)時(shí)，試件所受荷載可以直接從試驗(yàn)機(jī)獲得，記為
F；試件的“受拉伸長(zhǎng)量”也可以直接從試驗(yàn)機(jī)獲得，記加載頭位移為
d；那拉伸試驗(yàn)的荷載-位移曲線不就已經(jīng)可以繪制了么？如果試件的截面積為
A，原長(zhǎng)為
l，那
σ=
F/
A、
ε=
d/
l后拉伸試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線也能得到。
圖2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線
好像有道理哈？
展開 一文搞懂：金屬材料的拉伸試驗(yàn) 附《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》下載
所謂強(qiáng)度系指試樣受軸向拉伸負(fù)荷過(guò)程中任一瞬間,金屬抵抗變形或破斷的能力,一般以原單位橫截面積上所受的力表示。而塑性則為試樣經(jīng)拉伸到破斷后，以百分?jǐn)?shù)表示的標(biāo)距的伸長(zhǎng)率和斷裂處原橫截面積的縮減率。
2、拉伸試驗(yàn)步驟
1）準(zhǔn)備試件。對(duì)相同大小規(guī)格形狀的普碳鋼和鋁合金試樣分別進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。用刻度機(jī)在原始標(biāo)距范圍內(nèi)刻劃圓周線。將標(biāo)距內(nèi)分為等長(zhǎng)的10格。測(cè)量得到其原始直徑為10mm，原始標(biāo)距長(zhǎng)度為100mm。
2）調(diào)整試驗(yàn)機(jī)。手動(dòng)控制上夾頭至合適的夾持位置。選擇合適的測(cè)力度盤。開動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，使工作臺(tái)上升10mm左右，以消除工作臺(tái)系統(tǒng)自重的影響。調(diào)整主動(dòng)指針對(duì)準(zhǔn)零點(diǎn)，從動(dòng)指針與主動(dòng)指針靠攏，調(diào)整好自動(dòng)繪圖裝置。
3）裝夾試件。先將試件裝夾在上夾頭內(nèi)，再將下夾頭移動(dòng)到合適的夾持位置，最后夾緊試件下端。（鋁合金材料無(wú)顯著屈服現(xiàn)象需轉(zhuǎn)載電子引伸計(jì)）
4）檢查與試車。檢查以上步驟完成情況。開動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，預(yù)加少量載荷（載荷對(duì)應(yīng)的應(yīng)力不能超過(guò)材料的比例極限），然后卸載到零，以檢查試驗(yàn)機(jī)工作是否正常。
5）進(jìn)行試驗(yàn)。開動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，緩慢而均勻地加載，仔細(xì)觀察測(cè)力指針轉(zhuǎn)動(dòng)和繪圖裝置繪出圖的情況。注意捕捉屈服荷載值，將其記錄下來(lái)用以計(jì)算屈服點(diǎn)應(yīng)力值。屈服階段注意觀察滑移現(xiàn)象。過(guò)了屈服階段，加載速度可以快些。將要達(dá)到最大值時(shí)，注意觀察“縮頸”現(xiàn)象。試件斷后立即停車，記錄最大荷載值。（鋁合金試樣無(wú)明顯屈服現(xiàn)象）
6）取下試件和記錄紙。
7）用游標(biāo)卡尺測(cè)量斷后標(biāo)距。
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室溫下金屬圓棒試樣高應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)影響因素分析
測(cè)試設(shè)備為液壓伺服型高速拉伸試驗(yàn)機(jī)和高速相機(jī)及數(shù)字圖像處理系統(tǒng)。
基于國(guó)內(nèi)外行業(yè)研究現(xiàn)狀，該試驗(yàn)考察了8個(gè)影響因素：夾具材料、相機(jī)角度/距離、試驗(yàn)材料、應(yīng)變測(cè)試、樣條形狀/標(biāo)距、試樣夾持端長(zhǎng)度、應(yīng)力測(cè)試、應(yīng)變速率。按照DFSS（6西格瑪設(shè)計(jì)）進(jìn)行正交試驗(yàn)，各影響因素的水平設(shè)置如表1所示。
表1 圓棒試樣高應(yīng)變速率拉伸的DISS設(shè)計(jì)方案
0
2
試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 夾具材料選擇
拉伸試驗(yàn)采用螺紋旋緊夾持方式：夾具內(nèi)螺紋長(zhǎng)度大于圓棒試樣螺紋端長(zhǎng)度，確保試樣螺紋全部擰入。利用現(xiàn)有高速拉伸設(shè)備，加工了 M12 mm 內(nèi)螺紋的 45 鋼和鈦合金兩種夾具，熱處理后硬度分別為 31 HRC 和 30 HRC。在 500 s?1 應(yīng)變速率下對(duì) AlSi10Mg 試樣進(jìn)行拉伸，結(jié)果如圖 1 所示：鈦合金夾具測(cè)得的曲線振蕩幅值明顯低于 45 鋼夾具，因此后續(xù)試驗(yàn)均選用鈦合金夾具。
圖1 AlSi10Mg鋁合金在不同材料夾具下的力-位移曲線
2.2 相機(jī)角度/距離的調(diào)節(jié)
試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)試樣的直徑確定后，兩臺(tái)相機(jī)的距離和角度基本固定，因此只要能夠標(biāo)定出相機(jī)清楚圖像，距離和角度不需做出改變。
2.3 試驗(yàn)材料對(duì)高速拉伸試驗(yàn)的影響
在應(yīng)變速率 1 s?1 條件下測(cè)得鑄鐵及鑄鋁的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖 2 所示。通過(guò)設(shè)備自帶的力傳感器測(cè)試應(yīng)力，使用一臺(tái)相機(jī)測(cè)試應(yīng)變。可見(jiàn)同組試樣的試驗(yàn)曲線平滑且重合性好，與靜態(tài)拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線相近。改變各項(xiàng)測(cè)試控制因子并觀察曲線，同組試驗(yàn)結(jié)果仍然相似，因此接下來(lái)重點(diǎn)考察應(yīng)變速率為100 s?1和500 s?1的情況。
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塑性材料拉伸力學(xué)實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)實(shí)驗(yàn)方法可參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 228.1-2010 金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》。本文以圓形截面拉伸試驗(yàn)樣件為例利用ansys Workbench仿真塑性材料拉伸力學(xué)試驗(yàn)。根據(jù)GB/T 228.1-2010試驗(yàn)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(shè)置
在ANSYS Workbench中創(chuàng)建結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析項(xiàng)目（Static Structural）。設(shè)置材料參數(shù)如下：楊氏模量2E11 Pa，泊松比0.325，屈服極限（Tensile Yield Strength）350Mpa，強(qiáng)度極限（Tensile Ultimate Strength）516Mpa。塑性階段采用Multilinear Kinematic hardening(多線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型)材料本構(gòu)關(guān)系模型，用列表形式輸入應(yīng)力與塑性應(yīng)變。（關(guān)于Multilinear Kinematic hardening(多線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型)材料模型的介紹可
可用電子拉力機(jī)對(duì)小試件做力學(xué)性能試驗(yàn)來(lái)確定的。通過(guò)試驗(yàn)可以得到上述材料應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。注意試驗(yàn)得到的是總應(yīng)變，而在上面材料模型中需要的是Plastic Strain，所以還需將試驗(yàn)所得的總應(yīng)變減去對(duì)應(yīng)的彈性應(yīng)變（即屈服點(diǎn)之后的每一個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的總應(yīng)變減去這個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的彈性應(yīng)變，其中彈性應(yīng)變=應(yīng)力/彈性模量，這里不考慮其他因素影響近似認(rèn)為總應(yīng)變=彈性應(yīng)變+塑性應(yīng)變）。
有限元模型
載荷邊界設(shè)置
如果拉力過(guò)小會(huì)出現(xiàn)試件根本拉不到屈服階段，如果過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力范圍超過(guò)之前設(shè)定的范圍，而出現(xiàn)計(jì)算出錯(cuò)。
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如何將拉伸試驗(yàn)所得的材料數(shù)據(jù)輸入到材料庫(kù)中，建立流動(dòng)應(yīng)力曲線
WB案例分享-塑性材料拉伸試驗(yàn)仿真案例 ￥1
https://mp.weixin.qq.com/s/SR--sMBarmpFKWiebEe6eQ
單軸拉伸試驗(yàn)是了解大多數(shù)材料并獲得應(yīng)力和應(yīng)變之間關(guān)系的主要方法。可以使用可塑性模型，并且可以在AnsysWorkbench中看到拉伸棒試樣的較大應(yīng)變頸縮。 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試棒零件進(jìn)行塑性材料進(jìn)行拉伸模擬仿真。
此示例說(shuō)明了拉伸試條的頸縮。介紹了多線性各向同性硬化塑性模型，并給出了驗(yàn)證仿真結(jié)果的過(guò)程。
XM-12 不銹鋼試樣高溫拉伸試驗(yàn)解析
XM-12 不銹鋼因其優(yōu)異的材料性能，廣泛應(yīng)用于石油開采機(jī)械。XM-12 材料鍛造過(guò)程中的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以為鍛造工藝編制提供有效的數(shù)據(jù)支持，然而高溫檢測(cè)過(guò)程中，試樣有效加熱部分隨試樣延長(zhǎng)率變化而變化，且拉伸過(guò)程以頸縮變形為主，為真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的測(cè)試帶來(lái)很大難度，且通過(guò)伸長(zhǎng)率計(jì)算的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與實(shí)際存在較大的偏離。因此，真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的準(zhǔn)確修正在XM-12 不銹鋼鍛造工藝優(yōu)化過(guò)程中非常重要。
XM-12 銅沉淀硬化型馬氏體不銹鋼，廣泛應(yīng)用于石油開采機(jī)械制造，執(zhí)行ASTM A705-2017《Standard Specification for Age-Harding Stainless Forging》標(biāo)準(zhǔn)(含)。通過(guò)合金元素Cr、Ni、Cu、Nb 等合金元素的加入，XM-12 不銹鋼擁有良好的耐腐蝕性和良好的機(jī)械性能，低溫?cái)嗔秧g度非常好，其化學(xué)成分要求如表1 所示。
表1 XM-12 化學(xué)成分要求(wt%)
XM-12 不銹鋼材料，因其合金含量較高，鍛造過(guò)程中存在熱態(tài)變形抗力大，鍛造溫度區(qū)間窄，表面易開裂等特點(diǎn)。因此材料在高溫過(guò)程中的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的測(cè)試在其鍛造工藝優(yōu)化過(guò)程中非常重要。
XM-12 材料高溫拉伸試驗(yàn)檢測(cè)溫度范圍：900 ～1200℃。普通的試驗(yàn)機(jī)無(wú)法滿足，因此此次試驗(yàn)選擇Gleeble-3500 熱模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行光滑圓棒試樣的拉伸試驗(yàn)。拉伸試樣圖如圖1 所示。
圖1 拉伸試樣尺寸
高溫拉伸測(cè)試
本文以1050℃拉伸結(jié)果為分析對(duì)象，對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正分析，試樣實(shí)測(cè)直徑
φ9.98mm。
試驗(yàn)時(shí)，先將試樣以10℃/s 的加熱速度加熱至1180℃，保溫120s；以5℃/s 的冷卻速度將試樣降溫至1050℃，以3mm/s 的速度進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。
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拉伸試驗(yàn)！
內(nèi)插0厚度cohesive單元以模擬分層
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【iSolver案例分享52】復(fù)合材料層合板彈性拉伸仿真
【iSolver案例分享52】復(fù)合材料層合板彈性拉伸仿真
引言：復(fù)合材料由于其優(yōu)異的性能，廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)有限元軟件iSolver已發(fā)展到一定階段，現(xiàn)采用結(jié)構(gòu)有限元軟件iSolver進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，iSolver可使用全自主的前后處理或者Abaqus作為前后處理工具。本文以標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合材料層合板試樣的彈性拉伸仿真分析為例，采用Abaqus前后處理，模型分別輸入到iSolver求解器和Abaqus進(jìn)行計(jì)算，并比對(duì)兩種有限元軟件的計(jì)算結(jié)果。
（1） 模型尺寸與網(wǎng)格
拉伸試件模型形狀為長(zhǎng)方形，幾何尺寸根據(jù)聚合物基復(fù)合材料拉伸性能標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法確定，截面草圖如下圖所示。層合板單層厚度0.2mm，鋪層順序?yàn)椋偤穸葹?.6mm。
拉伸模型草圖尺寸
采用C3D8R單元對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分結(jié)果如下圖所示。注意：由于層合板具有8層，因此對(duì)模型劃分網(wǎng)格時(shí)，厚度方向應(yīng)為8的倍數(shù)個(gè)網(wǎng)格，本案例中使用8個(gè)網(wǎng)格。
（2） 材料及單元屬性
由于復(fù)合材料層合板在宏觀表現(xiàn)為線彈性力學(xué)行為，因此本模型中只需要對(duì)其賦予彈性屬性，單層板的材料屬性如下圖所示。
單層板材料屬性
使用abaqus自帶的composite layup功能對(duì)幾何模型進(jìn)行層合板設(shè)置，分別設(shè)置鋪層角度。
復(fù)合材料層合板設(shè)置
最后復(fù)合材料層合板模型可以通過(guò)查詢鋪層查看其鋪層信息，如下圖所示。
復(fù)合材料層合板鋪層信息
（3） 邊界條件
分別在兩個(gè)端面處建立參考點(diǎn)RP-1與RP-2，分別與兩個(gè)端面進(jìn)行耦合約束，方便施加載荷約束與載荷位移曲線結(jié)果的提取。左端固定，右端施加沿x方向的拉伸載荷2mm。
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鑄鐵拉伸試驗(yàn)ABAQUS模擬
