双轴原位试验机的实际应用及案例分享

前言

目前研究材料变形主要采用单轴力学试验方法。单轴力学实验操作简单，容易得到较为可靠的试验数据，在工业应用和实验研究中被广泛利用。但是在实际服役过程中材料通常会受到多轴载荷的作用而发生断裂失效，这使得材料的力学响应、变形机理及失效机制较单轴而言要复杂的多。此外，在不同成型工艺的加工过程中材料也常处于多轴应力状态，在成型过程中出现的制耳现象，冲压件断裂位置和极限成型高度的改变等现象都与板材在成型过程中的多轴力学响应有关。

十字形试样双轴试验可以准确地进行任意应力或应变比下板材的弹塑性变形，经常用于确定建模或确定屈服面的参数，或为不同的应变硬化特性提供证据。基于材料双轴变形研究的现状，凯尔测控技术有限公司开发了面内双轴试验系统IPBF-8000，并完成了镁合金、纯钛的双轴变形试验，相关成果分别发表在《International Journal of Plasticity》、《Journal of Materials Science & Technology》期刊上。

试验仪器推荐 

典型应用案例：

1、镁合金双轴试验

实验材料为厚度60mm的AZ31镁合金热轧板。热轧板在400°C下均匀化处理2h以获得再结晶组织，退火样品为等轴晶且晶粒尺寸约为40 μm，板材呈现典型的基面织构，即（0002）面平行轧制面，柱面呈现随机分布特征。

在不同双轴应力比下对AZ31镁合金板沿着ND和TD进行双轴拉伸试验，其双轴应力比值分别为： ND: TD=1: 0、4 : 1、2 : 1、1: 1、1 : 2 和1 : 4。

图2. 不同应力加载条件下的真应力应变曲线图

图3. DIC采集双轴加载下的标距段应变分布

图4. 双轴加载下的样品极图：ND:TD = (a) 1:0, (b) 4:1, (c) 3:1, (d) 2:1, (e)1:1, (f) 1:2, (g) 1:4

双轴拉伸样品的织构主要由两部分构成：晶粒的c轴都平行或者接近平行于ND的取向和晶粒c轴垂直于或近似于垂直ND取向（孪晶）。在应力比为1:4的样品中，孪晶织构明显缺失，这主要是因为样品在很小的应变条件下就发生了断裂，而且孪晶几乎未启动。在其他应力比下，孪晶织构组分的分布与应力比密切相关。对于单轴来说，孪晶的（0002）极轴呈圆圈分布。对于双轴加载来说，随着应力比的逐渐减低，孪晶的（0002）极轴逐渐聚集在RD附近。

2、纯钛双轴试验

将CP-Ti薄板厚度从4 mm冷轧至2mm，然后在750℃氩气下退火1h。退火后空气冷却到室温。在室温下进行双轴拉伸试验，应力比R=σx/σy = 1:0与1:1(表示为准单轴与等双轴拉伸)。

图5. 十字形试样的形状和几何尺寸以及双轴拉伸试验配置示意图

图6. CP-Ti样品力学性能对比

图7. CP-Ti试样在准单轴和等双轴拉伸过程中的应变分布

图8. (a-c)准单轴拉伸和(d-f)等双轴拉伸下CP-Ti试样的断裂过程及相关应变分布。

具有典型基面织构的CP-Ti在等双轴拉伸下的断裂行为与准单轴拉伸下的断裂行为明显不同。对于单轴拉伸，裂纹起源于明显的应变局部化区域，形成断裂。对于双轴拉伸，类似的正常断裂首先进行，随后是沿45°方向的剪切断裂。