一、工作簡況1、任務來源根據中國材料與試驗團體標準委員會(CSTM標準委員會)材試標字[2021]247號文件“關于CSTM標準《金屬材料管雙向加載試驗方法》的立項公告”(標準計劃編號：CSTMLX010000830-2021)的要求，由大連理工大學牽頭，負責制定CSTM團體標準《金屬材料管雙向加載試驗方法》。本項目為標準制定項目，歸口管理委員會為CSTM/FC01鋼鐵材料領域委員會，參與標準制定的主要起草單位有大連理工大學等。該項目計劃于2022年完成審定。2、標準化對象簡要情況具有彎曲軸線和異形截面的復雜管狀零件，已在汽車、航空航天等領域得到廣泛應用。通常情況下，利用原始圓截面管材制造這些零件時，管材內部受到壓力介質的作用而在環(huán)向產生拉力，管材的軸向既可能受到拉伸載荷也可能受到壓縮載荷，即管材處于雙向拉-拉、拉-壓應力狀態(tài)。金屬管材在不同應力狀態(tài)下會表現出不同的變形行為和力學特性，對于各向異性明顯的鋁合金、鎂合金擠壓管材更是如此。此時，需要測試金屬管材在不同雙向應力狀態(tài)下的彈塑性變形行為和力學特性。利用擬建立的金屬管材雙向加載試驗方法，可以使被測試管材試樣在各種雙向加載條件下發(fā)生變形，從而獲得金屬管材在不同雙向應力狀態(tài)下的應力-應變關系，進而準確描述雙向應力條件下金屬管材的彈塑性變形行為和力學特性，為復雜異形管件成形過程的理論分析、數值仿真等提供科學數據。同時，也可為金屬管材生產單位和應用單位提供專用的管材力學性能測試評價標準。綜上，應當建立測試金屬管材在雙向加載（拉-拉、拉-壓）條件下彈塑性變形行為和力學特性的方法。3、主要工作過程起草(草案、調研)階段:計劃下達后，2021年8月CSTM/FC01鋼鐵材料領域委員會委托歸口秘書單位，全國鋼標委力學分委員會組織各起草單位成立了起草工作組，由大連理工大學為組長單位，負責主要起草工作。工作組在拉伸試驗機平臺上建立專用的可控雙軸加載試驗裝置，以GB/T38719-2020規(guī)定的金屬薄壁管雙軸應力應變曲線的測定為基礎，進一步拓展到增加軸向拉或壓載荷，驗證雙軸加載試驗方法的適用性。2021年9月至2022年2月，工作組完成《金屬材料管雙向加載試驗方法》(草案稿)，編制完成了通過拉-拉或拉-壓雙軸加載的方式確定雙向應力-應變曲線的計算程序，并與SCI公開發(fā)表的高水平材料學文獻中的雙向應力-應變曲線進行廣泛比對確認。2022年3月形成《金屬材料管雙向加載試驗方法》(征求意見稿)與標準編制說明。征求意見階段:2022年4月18日，由CSTM鋼鐵材料領域委員會秘書處將標準征求意見稿和編制說明發(fā)送到全國鋼標委力學分委員會委員及有代表性的標準相關方廣泛征求意見，同時在《鋼鐵標準網》網站上公開征求社會意見，為期1個月時間。4、主要參加單位和工作組成員及其所做的工作項目主要參與單位：項目主要分工：二、標準編制原則本標準在制定過程中，遵循“面向市場、服務產業(yè)、自主制定、適時推出、及時修訂、不斷完善”的原則，注重標準修訂與技術創(chuàng)新、試驗驗證、產業(yè)推進、應用推廣相結合，本著先進性、科學性、合理性和可操作性以及標準的目標、統(tǒng)一性、協調性、適用性、一致性和規(guī)范性的原則來進行本標準的制定工作。本標準在起草過程中主要按GB/T1.1-2009《標準化工作導則第1部分：標準的結構和編寫規(guī)則》和GB/T20001.4《標準編寫規(guī)則第4部分：試驗方法標準》的要求編寫。在確定本標準主要技術指標時，綜合考慮生產企業(yè)的能力和用戶的利益，尋求最大的經濟、社會效益，充分體現了標準在技術上的先進性和合理性。三、主要技術內容編制說明本文件給出了應用管材雙向加載試驗測定金屬管材在整個拉-拉、拉-壓雙向應力狀態(tài)下的雙向應力-應變曲線的方法。與單向拉伸試驗及管材液壓脹形試驗相比，本文件所提供的試驗方法可獲得與管材實際變形相符的更大應力比范圍的雙向應力狀態(tài)。依據本文件給出的方法獲得的結果能夠更加準確地反映管材彈塑性變形特性和力學特性，可以為復雜異形管件成形過程的理論分析、數值仿真等提供可靠數據。同時，也可為金屬管材生產單位和應用單位提供專用的管材力學性能測試評價方法。作為一種測試材料力學性能的標準方法，必須對實現金屬管材“雙向加載”變形的原理、試驗過程的數據采集和分析、試驗結果的分析處理等進行具體限定。本文件規(guī)定了金屬材料管雙向加載試驗的范圍、規(guī)范性引用文件、術語和定義、符號及說明、試驗原理、設備、試樣、試驗步驟、曲率半徑的確定、應力的確定、雙向應力-應變曲線的確定和試驗報告。1）標準名稱標準名稱為：“金屬材料管雙向加載試驗方法”。標準的名稱主要體現“雙向加載”，“雙向”是指金屬材料管的環(huán)向和軸向。雙向加載試驗測定金屬管材在整個拉-拉、拉-壓雙向應力狀態(tài)下的雙向應力-應變曲線的方法。采用該標準名稱，充分且準確地反映了本標準的主要內容。2）范圍本部分說明和限定了標準的內容和應用范圍。參照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規(guī)則》和GB/T20001.4《標準編寫規(guī)則第4部分：試驗方法標準》的要求，以及本標準屬于“測試方法”類型，因此本標準主要規(guī)定了試驗的術語和定義、符號及說明、試驗原理、設備、試樣、試驗程序、曲率半徑的確定、應力的確定、雙向應力-應變曲線確定和試驗報告。在范圍中，限定了本標準適用于壁厚不小于0.5mm且徑厚比（外徑與壁厚比）大于20的圓形截面薄壁金屬材料管（包括無縫管和焊管）。該范圍包含了目前塑性加工復雜管狀零件時所采用的原始管坯的種類和尺寸、規(guī)格。3）規(guī)范性引用文件為充分保證本標準條款的可依性和可行性，本標準中引用和參考了最新版的國內和國際、國外先進標準。所引用的標準“GB/T228.1金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法”和“GB/T15825.2金屬薄板成形性能與試驗方法第2部分：通用試驗規(guī)程”規(guī)定了金屬材料特別是薄板/薄帶的性能測試方法和規(guī)程?！癎B/T38684-2020金屬材料薄板和薄帶雙軸應力-應變曲線脹形試驗光學測量方法”規(guī)定了薄板和薄帶的雙軸應力-應變曲線脹形試驗方法，“GB/T38719-2020金屬材料管測定雙軸應力-應變曲線的液壓脹形試驗方法”規(guī)定了管材雙軸應力狀態(tài)下的力學性能的方法，引用該標準指導管材雙軸應力-應變曲線測定。標準“ISO16808-2014金屬材料板材和帶材基于液壓脹形及光學測量法測量雙軸應力應變曲線”涉及了采用液壓脹形及光學測量法測定板材雙軸應力應變曲線，用于補充規(guī)范本文件。4）術語和定義根據本標準的內容，對若干個概念進行定義并引用了若干定義，選擇或確立最恰當的術語，減少多義和同義現象，以避免信息交流過程中的歧義和誤解。本標準共給出8條術語及其定義，主要涵蓋雙軸加載、數字圖像光學測量方法、變形區(qū)幾何特征等。通過8條術語及其定義，明確了本標準所描述測試方法中的應變和變形測量、試樣制備及結果處理所涉及的關鍵詞。5）符號及說明本部分給出了本標準里涉及的主要的符號及其說明，是為了統(tǒng)一文本中的符號規(guī)定，為了更方便和準確理解標準內容。本標準的表1中共給出23個符號及其說明，這23個符號包括了本標準中所有涉及的名詞、參數和性能指標等。6）試驗原理本部分詳細介紹應用管材雙向加載試驗測定金屬管材在整個拉-拉、拉-壓雙向應力狀態(tài)下的雙向應力-應變曲線這一重要力學性能數據的方法。為本標準的核心內容，是必不可少的部分。將管材試樣兩端密封并采用卡具與管材端部連接，利用液體介質對試樣施加內壓力的同時通過卡具施加軸向載荷，使試樣在設定的軸向和環(huán)向應力路徑或應變路徑下發(fā)生變形，同步分析獲得變形區(qū)中間點的軸向和環(huán)向應力分量、應變分量，繪制出雙向應力-應變曲線，試驗原理如圖1所示。管材試樣軸向和環(huán)向應力分量可由軸向載荷、液體壓力、變形區(qū)中間點A點的軸向和環(huán)向曲率半徑、變形區(qū)中間點A點的壁厚計算；管材試樣的軸向和環(huán)向應變分量可由DIC系統(tǒng)測量得到。通過實時計算的應力分量或測量的應變分量作為反饋，調節(jié)液體壓力和軸向載荷使管材試樣按照設定的應力路徑或應變路徑加載。根據測量所得數據確定試樣雙向應力狀態(tài)下環(huán)向和軸向的應力-應變曲線。這些曲線用于確定試樣材料的單位體積塑性功等值線（面），也即是屈服軌跡（面），全面準確表征金屬管材在整個拉-拉、拉-壓雙向應力狀態(tài)下的力學性能。a)受力分析示意圖b)應力分析示意圖說明：1——液體介質輸入口；2——塞頭；3——管材試樣；4——坐標系；5——軸向載荷；6——卡具；7——液體介質；8——CCD鏡頭（屬于DIC系統(tǒng)）；9——軸向；10——徑向。圖1管材試樣雙向加載試驗原理7）設備本標準給出了實施本標準所述試驗方法時測試設備所應具備的要求。這是實施本標準所述測試方法的必要要素。為了實施本標準所描述的試驗方法，哈爾濱工業(yè)大學流體高壓成形技術研究所和大連理工大學高性能精密成形研究所自主開發(fā)了專用的“薄壁管雙軸應力可控加載測試裝置”，如圖2所示。該裝置包括軸向加載單元、內壓加載單元、變形測量單元和分析與控制單元。該裝置具有完全自主知識產權。該裝置具備以下特點：（1）采用DIC系統(tǒng)測量管試樣應變和幾何形狀，所測應變和軸向曲率半徑更加準確，使得應力計算精度更高；（2）省去應變片粘貼和引伸計、球徑儀安裝等操作，簡化了實驗準備工作，避免了人為因素引入的測量誤差；（3）以電子萬能試驗機為主體建立實驗裝置，其結構合理可靠、穩(wěn)定性好、軸向加載動作響應速度快；（4）應力比值范圍大，應力路徑加載精度高，加載過程穩(wěn)定性好。利用該裝置可以測得任意環(huán)向拉應力-軸向拉應力、環(huán)向拉應力-軸向壓應力狀態(tài)下薄壁管的雙向應力應變關系，用于研究薄壁管屈服特性、塑性流動特性、硬化特性及成形極限等。該裝置主要技術參數如下：（1）最高脹形壓力：150MPa；（2）軸向極限載荷：±200kN；（3）應力加載范圍：σz:σθ=-1:0~1:0；（4）軸向實驗空間：拉-拉實驗為460mm，拉-壓實驗為800mm；（5）可測的管徑范圍見表1。表1裝置可測的管徑范圍抗拉強度(MPa)壁厚(mm)1003005007009000.5[10,70][10,70][10,70][10,70][10,70]1.0[20,70][20,70][20,70][20,70][20,70]1.5[30,70][30,70][30,70][30,62][30,48]2.0[40,70][40,70][40,65][40,47]×3.0[60,70][60,70]×××目前，該測試裝置已在國內高等院校推廣應用，廣泛用于鋼管、鋁合金管力學性能的測試，并為復雜異形管件成形過程的仿真分析提供重要力學性能數據，應用取得成功，參見文獻（AnanisotropicconstitutivemodelforformingofaluminumtubesunderbothbiaxialtensionandpureshearstressstatesDOI：10.1016/j.ijplas.2022.103259）。(a)試驗設備原理圖(b)實驗設備實物圖2金屬材料管雙向加載試驗設備8）試樣本標準給出了實施本標準的測試方法時試樣的具體要求，包括試樣的規(guī)格和試樣表面噴涂散斑的要求。是保證測試結果有效的必要內容。本部分給出了試樣長度的計算公式：??=2??c+??0（1）式中：L0推薦取為(2.0~3.0)D0，也可以協商確定L0，但不能小于2D0。本標準中的L0稱為脹形區(qū)長度，之所以不能小于2D0，是因為脹形區(qū)長度較小時端部卡具約束作用會產生附加應力進而影響中間變形區(qū)域受力分析，使得測試結果不可靠。通過理論分析發(fā)現，試樣端部卡具約束產生的附件應力影響范圍約為0.5D0，試樣兩端各一個卡具?？紤]到分析試樣變形時需要一定大小的區(qū)域，因此將脹形區(qū)長度規(guī)定為不小于2D0。這對精確測試和評價金屬材料管的力學性能，或者對不同金屬材料管的力學性能進行比較，具有重要意義。本部分對制取試樣時端部加工質量做了規(guī)范，也對試樣表面質量做了規(guī)范，目的是為了避免試樣試驗時失效，以順利完成試驗。對試樣表面噴涂的散斑做出了規(guī)定，是為了采用DIC測量系統(tǒng)準確測量試樣變形數據。試樣端部應與其軸線垂直，最大偏差不超過0.3°，是為了避免端面傾斜使得試樣在試驗過程中受力不均而影響測試結果。9）試驗步驟本部分給出了實施試驗時的操作規(guī)范和流程，為保證測試過程順利展開提供了重要依據。對于焊管，其壁厚均勻性高，可選擇環(huán)向任意位置，但應避開焊縫及附近弧長15mm區(qū)域。這是因為焊縫附近0~15mm范圍內是熱影響區(qū)，會對測試結果產生影響，因此需要避開該區(qū)域。通過軸向加載單元對試樣施加100N~300N的預加載荷。這是為了消除各連接環(huán)節(jié)的安裝間隙且不能使試樣產生塑性變形。向試樣內部充入0.1MPa~0.2MPa的液體介質。這是為了排除試樣內部的氣體同時不能使試樣產生塑性變形。測量頻率一般不宜低于2幀/秒，對于應變速率約為0.0001s-1的試驗，測量頻率可為1幀/秒。這是為了確保試驗過程中記錄足夠多的變形測量數據，同時測量速度又不能太快以降低對DIC系統(tǒng)的要求。10）雙向應力-應變曲線的測定為了計算確定最終的雙向應力-應變曲線，需要獲得整個試驗全過程中試樣的應力分量、應變分量。試樣應力分量可由液體介質壓力、脹形區(qū)中間點壁厚、脹形區(qū)中間點軸向與環(huán)向曲率半徑計算。為此，本部分規(guī)定了曲率半徑、壁厚、應變和雙向應力-應變曲線的確定方法。11）試驗報告本部分給出了推薦的測試試驗報告內容，為了詳盡記錄試驗過程和具體的試驗結果，為編制試驗報告提供重要參考。12）附錄本標準主要的附錄有4個，分別為附錄A試驗設備（規(guī)范性）、附錄B散斑噴涂方法（規(guī)范性）、附錄C試樣制備要求及方法（推薦性）和附錄D屈服軌跡的測量方法（資料性）。附錄A試驗設備（規(guī)范性）對試驗所需設備進行詳細規(guī)范。所提供的液體壓力p應滿足式（2），所提供的軸向載荷T應滿足式（3），其中軸向抗拉強度Rm按照GB/T228.1測得。QUOTEp>2t0RmD0………………QUOTEF>1.3pπD0-2t022………如此規(guī)定是為了確保試驗能夠提供足夠的載荷以加載到管實驗破裂為止。附錄B散斑噴涂方法（規(guī)范性）對試樣表面散斑噴涂進行詳細規(guī)范，確保采用DIC系統(tǒng)測量應變、曲率半徑時的準確性。附錄C試樣制備要求及方法（推薦性）推薦了試樣的制備方法，保證雙向加載試驗時能夠施加足夠的軸向拉伸載荷和滿足密封性要求。附錄D屈服軌跡的測量方法（資料性）提供了確定被測試試樣屈服軌跡的方法。由此得到的雙向應力狀態(tài)下的屈服軌跡有利于全面、定量評價金屬管材的塑性變形特征和確定符合金屬管材成形特點的屈服準則，有利于提高金屬管材成形過程中有限元計算的預測精度ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA。四、主要試驗情況標準起草小組根據本標準中規(guī)定的試驗原理、試樣、設備、試驗步驟、雙向應力-應變曲線的測定、試驗報告，進行了驗證試驗。所采用的鋁合金管材為捷安特輕合金有限公司提供的6061-O鋁合金無縫管，外徑60mm，壁厚1.8mm。所采用的試驗設備如圖2所示。在σz-σθ應力空間中設計了17個線性加載路徑，分別為σz:σθ=-1:0、-4:1、-2:1、-4:3、-1:1、-3:4、-1:2、-1:4、0:1、1:4、1:2、3:4、1:1、4:3、2:1、4:1和1:0，近似均勻分布在整個應力空間的第一、二象限，如圖3所示。圖3金屬材料管雙向加載試驗應力路徑圖4所示為不同應力加載路徑下金屬材料管雙向可控加載試驗后的試樣。a)拉-壓應力狀態(tài)b)拉-拉應力狀態(tài)圖4不同應力加載路徑下雙向應力可控加載試驗后的試樣圖5所示為6061-O鋁合金擠壓管雙向加載試驗獲得的應力-應變曲線。該結果表征了金屬材料管的力學性能，用于分析雙向應力狀態(tài)下的屈服行為和后繼塑性變形行為，還可以用于確定金屬材料管的屈服軌跡，如圖6所示。a)軸向應力-應變曲線b)環(huán)向應力-應變曲線圖5雙向應力-應變曲線圖6用雙向加載實驗測得的不同等效應變時6061-O鋁合金擠壓管屈服軌跡利用圖6所示的屈服應力點實驗數據還可以用于確定該金屬材料管的本構模型，如Hill48、Barlat-Lian和Yld2000-2d，如圖7所示。利用建立的本構模型可以對金屬材料管的塑性變形行為進行全面預測，還可以用于有限元對金屬材料管的成形過程進行準確仿真。a)Hill48b)Barlat-Lianc)Yld2000-2d.圖7利用雙向加載試驗結果建立的6061-O本構模型驗證測試試驗表明，采用本標準提出的試驗方法可以進行金屬材料管雙向加載試驗，根據試驗結果獲得雙向應力-應變曲線，并進一步分析得到材料的主要力學性能參數。試驗方法簡單易行，試驗結果穩(wěn)定可靠。因此，依據本標準內容具有較強的意義。五、標準中涉及專利的情況本標準不涉及專利問題。六、預期達到的社會效益、對產業(yè)發(fā)展的作用等情況本標準采用內壓和軸向力共同加載的軸向-環(huán)向雙向加載條件，使得金屬薄壁管材在不同雙向應力比或應力路徑下產生變形，直到發(fā)生設定的變形程度或直至破裂。實現的應力狀態(tài)與金屬薄壁管材實際成形時的應力狀態(tài)更為貼合，獲得的結果能夠更加準確地反映管材彈塑性變形特性和力學特性。可以為復雜異形管件成形過程的理論分析、數值仿真等提供科學數據。通過標準的制定和實施，將規(guī)范金屬管材力學性能的測試方法，為金屬管材力學性能測量及評價提供可靠的依據，為指導和規(guī)范金屬管材生產、驗收和應用提供了依據。對規(guī)范金屬管材產品質量，引導相關產品市場良性發(fā)展具有積極的促進作用。七、與國際、國外對比情況本標準沒有采用國際、國內標準。本標準的編制主要依據大連理工大學高性能精密成形研究所和哈爾濱工業(yè)大學流體高壓成形技術研究所的最新研究成果，主體內容詳細記載于本標準起草人之一張坤的博士學位論文（何祝斌教授、苑世劍教授為其導師）。本標準所描述測試方法的基本原理、理論模型、測試設備及試驗程序等，以論文的形式同時發(fā)表于固體力學領域的國際著名期刊“國際塑性雜志”(InternationalJournalofPlasticity)和“國際機械科學”(InternationalJournalofMechanicalSciences)上。因此，本標準水平為國際領先水平。HeZB,ZhangK,LinYL,etal.AnAccurateDeterminationMethodForConstitutiveModelofAnisotropicTubularMaterialsWithDIC-basedControlledBiaxialTensileTest[J].InternationalJournalof