基于DIC的颈缩失效极限应变检测方法

摘要

本发明提供了一种基于DIC的金属板料颈缩失效极限应变检测方法，包括如下步骤：步骤1：基于DIC技术，在多个与裂纹方向垂直的截面内选取数据点绘制主、次应变随时间变化的曲线；步骤2：基于绘制的主、次应变随时间变化的曲线，确定各个与裂纹方向垂直的截面的极限主应变、极限次应变；步骤3：基于各个与裂纹方向垂直的截面的极限主应变、极限次应变，以极限主应变、极限次应变分别为纵轴、横轴绘制在坐标图中，连接成线，得到金属板料的成形极限曲线，实现金属板料颈缩失效极限应变检测。本发明快速直接、简洁有效，并且具有很好的普适性。

权利要求

1.一种基于DIC的金属板料颈缩失效极限应变检测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：基于DIC技术，在多个与裂纹方向垂直的截面内选取数据点，绘制主应变、次应变随时间变化的曲线；

步骤2：基于绘制的主应变、次应变随时间变化的曲线，确定各个与裂纹方向垂直的截面的极限主应变、极限次应变；

步骤3：基于各个与裂纹方向垂直的截面的极限主应变、极限次应变，以极限主应变、极限次应变分别为纵轴、横轴绘制在坐标图中，连接成线，得到金属板料的成形极限曲线，实现金属板料颈缩失效极限应变检测；

所述步骤2包括如下步骤：

步骤2.1：确定极限主应变，在各个与裂纹方向垂直的截面内各点的主应变随时间变化的曲线中，选取断裂前主应变不再增加的曲线，以数值最大的一个作为极限主应变；记该极限主应变所对应的时间为tlim；

步骤2.2：确定极限次应变，在与裂纹方向垂直的截面内各点的次应变随时间变化的曲线中，选取步骤2.1中所确定点tlim时的次应变数值作为极限次应变。

2.根据权利要求1所述的基于DIC的金属板料颈缩失效极限应变检测方法，其特征在于，所述步骤1中选取的数据点是在各个与裂纹方向垂直的截面内从失稳区中心到失稳区外等距选取的多个数据点。

说明书

基于DIC的颈缩失效极限应变检测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及板材成形性能测试技术领域，具体地涉及一种基于DIC的颈缩失效极限应变检测方法，尤其是一种快速检测方法。

背景技术

[0002] 金属板料在成形时，变形过程包含均匀变形、扩散性失稳、集中性失稳、断裂破坏几个阶段。其中扩散性失稳与集中性失稳也可分别称为分散颈缩与局部颈缩。金属板料成形必须超过弹性极限，但不能超过颈缩阶段，尤其是局部颈缩阶段。因为一旦变形超过这个阶段，材料的强度便无法保证，在后续工序或使用过程中，稍有受力便可能招致破裂失效。因此虽然大变形能得到所期望的形状，但实际工序中必须避免板料产生颈缩。由于局部颈缩前的分散颈缩起始点往往难以测定，所以一般以局部颈缩点作为最大许可变形，并选取一个适当的安全系数，保证金属板料在后续使用中强度可靠。如果金属板料在成形过程中出现颈缩现象，虽然某些金属可能还会有十分可观的伸长量，但对于有强度要求的零件必须视为废品，成形失败，不可使用。

[0003] 板料在不同变形模式下的颈缩失效极限用成形极限图(Forming Limit Diagram,FLD)来表征。将材料在各种应变状态下达到集中性失稳阶段时的极限应变标注到以对数应变和为坐标轴的直角坐标系中并连接成线，就是该材料的成形极限图，它是板料制造过程中应用最为广泛也最为重要的失效评价方法之一。

[0004] 利用Marciniak和Kuczyski提出的M-K理论或 和Rice提出的Vertex理论等都能对材料的成形极限进行预测。到目前为止，Nakazima和Marciniak试验仍然是最为可靠和最重要的对理论预测结果的试验验证手段。然而在试验中要精确地检测局部颈缩的起始时刻并获取相应的极限应变十分困难，相应的检测技术一直是研究热点。

[0005] 国际标准化组织(International Organization for Standardization,ISO)在12004-2-2008-FLC文件中给出了一种空间相关的检测极限应变的方法。利用反抛物线对裂纹两侧点的应变进行拟合，重构失稳区域附近局部颈缩开始时刻的应变分布，通过反抛物线顶点的数值来确定极限应变。但是，在弯曲效应显著的情况下，如拉弯试验中，空间相关的方法便不再能准确地测量板料的成形极限。因此该方法并不能推广到弯曲效应显著、应变梯度很大的实际工业生产中进行应用。

[0006] 近年来国际上的研究者基于数字图像相关(Digital Image Correlation,DIC)技术提出了一些时间相关的检测方法，即数字图像应变测试(DIC)。Martínez-Donaire等人2014年在期刊《Materials and Design》(材料与设计)上发表论文“New approaches to detect the onset of localized necking in sheets under through-thickness strain gradients”(“在厚度应变梯度下检测板料局部缩颈起始时刻的新方法”)，利用DIC设备获得板料失稳区域一系列点的主应变率随时间变化的曲线，认为失稳区边界点的主应变率出现明显极值就表示局部颈缩开始发生，并由此确定极限应变。该方法及其他一些已有的时间相关检测方法虽然获得的成形极限曲线准确性较好，但是普遍需要进行微分运算，对数据的连续性、平滑性有很高的要求，必要时还需要进行滤波处理，后续分析工作引入了较多的数学处理，整个过程显得冗长、繁琐和复杂不利于工程应用。

[0007] 综上所述，提供一种快速直接且简洁有效的时间相关检测方法来获取金属板料的极限应变十分必要。

发明内容

[0008] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于DIC的颈缩失效极限应变快速检测方法。

[0009] 根据本发明提供的一种基于DIC的金属板料颈缩失效极限应变检测方法，包括如下步骤：

[0010] 步骤1：基于DIC技术，在多个与裂纹方向垂直的截面内选取数据点，绘制主应变、次应变随时间变化的曲线；

[0011] 步骤2：基于绘制的主应变、次应变随时间变化的曲线，确定各个与裂纹方向垂直的截面的极限主应变、极限次应变；

[0012] 步骤3：基于各个与裂纹方向垂直的截面的极限主应变、极限次应变，以极限主应变、极限次应变分别为纵轴、横轴绘制在坐标图中，连接成线，得到金属板料的成形极限曲线，实现金属板料颈缩失效极限应变检测。

[0013] 优选地，所述步骤1中选取的数据点是在各个与裂纹方向垂直的截面内从失稳区中心到失稳区外等距选取的多个数据点。

[0014] 优选地，所述步骤2包括如下步骤：

[0015] 步骤2.1：确定极限主应变，在各个与裂纹方向垂直的截面内各点的主应变随时间变化的曲线中，选取断裂前主应变不再增加的曲线，以数值最大的一个作为极限主应变；记该极限主应变所对应的时间为tlim；

[0016] 步骤2.2：确定极限次应变，在与裂纹方向垂直的截面内各点的次应变随时间变化的曲线中，选取步骤2.1中所确定点tlim时的次应变数值作为极限次应变。

[0017] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

[0018] 1、本发明只需要通过分析试样表面与裂纹生长方向垂直的截面上一系列点的应变随时间变化的曲线，就能从图线中准确获得材料的极限主、次应变，获取结果更加快速直接、简洁有效，并且所得结果也十分准确可靠。

[0019] 2、本发明聚焦于颈缩产生的局部区域，面内变形或面外变形都可适用，并且可以推广到弯曲效应显著、厚度方向应变梯度很大的实际工业生产中进行应用，具有更好的普适性。

[0020] 3、本发明以失稳区边界点所能达到的最大主应变数值作为板料的极限主应变，具有明确的物理意义。

附图说明

[0021] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

[0022] 图1为本发明实施的流程图。

[0023] 图2为基于DIC技术获得的拉弯试验中与裂纹生长方向垂直的截面上各点的主应变随时间的演变过程。

[0024] 图3为Nakazima试验中与裂纹生长方向垂直的截面上等距的五个点的主应变随时间变化的曲线。

[0025] 图4为本发明所得成形极限曲线与Martínez-Donaire方法所得结果的对比。

[0026] 图中：β表示次应变与主应变的瞬时变化率之比，即β＝dε2/dε1。FLD0表示平面应变状态下板料的极限主应变数值。

具体实施方式

[0027] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

[0028] 从物理现象上，板料上关键局部区域的厚度突然变化表明了局部颈缩的开始。在局部颈缩开始之前，板料的应变取决于冲头的几何特征与板料自身的形状。局部颈缩开始之后，所有的应变集中到了这个局部区域，该区域就是失稳区。板料在失稳区之外的应变速率此后迅速下降直到最终停止变形。本发明利用这个物理现象，针对时间相关的极限应变检测方法，借助DIC技术获取的主次应变随时间的演变关系，提供一种既快速直接又准确可靠的方法来获取极限主次应变，并将其标注在主次应变坐标图中，得到金属板料的成形极限曲线。本发明快速直接、简洁有效，尤其是不需要进行微分运算，对数据的连续性、平滑性没有很高的要求，也不需要进行滤波处理，后续分析工作不需要引入了较多的数学处理。

[0029] 图1描绘了使用直径10mm的圆柱冲头进行拉弯试验中与裂纹生长方向垂直的截面上各点的主应变随时间的演变过程，图中曲线 的排列次序与图例中排列次序一致。在试验开始阶段，截面上各点的主应变随着时间变化一致地增长，在中心产生很小的凸起。
然而某个时刻之后，主应变增长集中到了中心的局部区域，该区域内主应变迅速增加，图线形成一个尖顶，该区域之外的主应变几乎不再变化，图线的高度保持不变。

[0030] 在图1中以主应变值0.06作为分界，产生了两种具有明显区别的变形状况。主应变值大于0.06的点，集中性失稳发生后变形量迅速增加，直到裂纹产生。主应变值小于0.06的点，集中性失稳发生后变形程度几乎不再改变。也就是说主应变值0.06可以视为材料是否进入失稳区的一个阈值。若主应变超过这个数值，便进入失稳区参与剧烈变形；若主应变低于这个数值，便停止变形。从这个意义上来说，此时的主应变分界点0.06就是判断板料是否发生集中性失稳的极限主应变，也就是局部颈缩起始点对应的极限主应变。

[0031] 图2给出了DX57D-Z100M钢在使用直径30mm的半球形冲头进行Nakazima试验后，试样表面失稳区附近与裂纹生长方向垂直的截面上等距的五个点的主应变随时间的变化曲线。从图2中可以看出，失稳区内的点主应变一直严格单调上升。但是失稳区外的点从裂纹产生之前的某一时刻开始主应变不再增加，几乎处于一个不变的数值，维持稳定。也就是说主应变值出现了一个平台期，主应变率降为零。

[0032] 结合之前的分析，主应变曲线出现平台期的点都是不能进入到失稳区内发生剧烈变形的点。本发明就认为所有主应变平台数值中最大的一个就正好是失稳区边界的主应变临界值，就是判断是否发生集中性失稳的极限主应变，也就是局部颈缩起始时刻对应的极限主应变。

[0033] 具体地，根据本发明提供的一种基于DIC的金属板料颈缩失效极限应变快速检测方法，以利用Nakazima试验获取DX57D-Z100M钢的成形极限曲线为例，包括如下步骤：

[0034] 步骤1：基于DIC技术，在多个与裂纹方向垂直的截面内选取数据点，绘制主应变、次应变随时间变化的曲线；优选地，所述步骤1中选取的数据点是在各个与裂纹方向垂直的截面内从失稳区中心到失稳区外等距选取的多个数据点，优选地，至少选取三个与裂纹方向垂直的截面，每个截面内至少选取五个数据点；

[0035] 步骤2：基于绘制的主应变、次应变随时间变化的曲线，确定各个与裂纹方向垂直的截面的极限主应变、极限次应变；优选地，所述步骤2包括如下步骤：

[0036] 步骤2.1：确定极限主应变，在各个与裂纹方向垂直的截面内各点的主应变随时间变化的曲线中，选取断裂前主应变不再增加的曲线，以数值最大的一个作为极限主应变；记该极限主应变所对应的时间为tlim；优选地，如图2所示，曲线3平台区的最大值 即为对应截面的极限主应变；所述步骤2中金属板料的极限应变为各个与裂纹方向垂直的截面内各点所确定的极限应变中的最大值。直接采用最高主应变平台的数值作为极限主应变，并不关心局部颈缩在何时开始发生，是基于应变结果的检测方法；很可能出现在一个截面上没有取到失稳区临界点的情况，此时所确定的截面上的极限应变便会出现一定的偏差，用这样的有偏差的数值来进行算术平均取板料的极限应变是不合理的，因此为了确保曲线上最高的平台对应的是失稳区的临界点，选择各截面内各点所得极限应变的最大值作为板料的极限应变值；

[0037] 步骤2.2：确定极限次应变，在与裂纹方向垂直的截面内各点的次应变随时间变化的曲线中，选取步骤2.1中所确定点tlim时的次应变数值作为极限次应变；

[0038] 步骤3：基于各个与裂纹方向垂直的截面的极限主应变、极限次应变，以极限主应变、极限次应变分别为纵轴、横轴绘制在坐标图中，连接成线，得到金属板料的成形极限曲线，实现金属板料颈缩失效极限应变检测。

[0039] 将利用本发明获得的DX57D-Z100M钢成形极限曲线与利用Martínez-Donaire等提出的方法获得的结果进行对比，如图3所示，实施例结果表明，本发明不仅快速直接、准确可靠，而且可以推广到弯曲效应显著、厚度方向应变梯度很大的实际工业生产中进行应用，充分体现了本发明的有效性、简洁性与合理性。

[0040] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。