【GB国家标准】 金属材料 管 测定双轴应力-应变曲线的液压胀形试验方法

ICS.77.040.10
中华人民共和国国家标准
GB/T38719—2020
金属材料
测定双轴应力-应变曲线的
液压胀形试验方法
Metallic materials--Tube--Determination of biaxial stress-strain curve oftubebyhydro-bulgingtest
2020-03-31发布
国家市场监督管理总局
国家标准化管理委员会
2020-10-01实施
规范性引用文件
术语和定义
符号及说明
试验程序
曲率半径、应变和应力确定方法10
结果处理
试验报告
附录A（规范性附录）
附录B（规范性附录）
附录C（资料性附录）
参考文献
试验设备
散斑喷涂方法
双向应力状态等效应力-应变曲线的确定方法GB/T38719—2020
本标准按照GB/T1.1-2009给出的规则起草本标准由中国钢铁工业协会提出。本标准由全国钢标准化技术委员会（SAC/TC183)归口。GB/T38719—2020
本标准起草单位：哈尔滨工业大学、大连理工大学、江苏界达特异新材料股份有限公司、冶金工业信息标准研究院、东莞材料基因高等理工研究院、深圳万测试验设备有限公司、鞍钢股份有限公司、宝山钢铁股份有限公司。
本标准主要起草人：何祝斌、苑世剑、王炜、李荣锋、董莉、林艳丽、凡晓波、黄星、吕丹、方健、侯慧宁、张坤、胡馨予、朱海辉。
GB/T38719—2020
本标准是应用管胀形试验测定金属管在双向应力状态无摩擦影响条件下的双轴应力-应变曲线的方法。和单向拉伸试验相比，本标准所提供的试验方法可以获得更大的应变量及接近管状零件实际成形时的应力状态。本标准是金属管胀形试样的轴向和环向曲率半径、应变、应力的测量方法和确定方法。
1范围
金属材料管测定双轴应力-应变曲线的液压胀形试验方法
GB/T38719—2020
本标准规定了金属材料管双轴应力-应变曲线液压胀形试验的术语和定义、符号及说明、试验原理、设备、试样、试验程序、双轴应力-应变曲线的计算和试验报告。本标准适用于壁厚不小于0.5mm且径厚比（外径与壁厚比）大于20的圆形截面薄壁金属管（包括无缝管和焊管）。
规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件GB/T228.1金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法GB/T15825.2金属薄板成形性能与试验方法第2部分：通用试验规程术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。3.1
DIC测量系统digital image correlationmeasurement system采用数字图像相关方法（DIC，digitalimagecorrelation），跟踪物体变形的散斑图像，计算出物体表面全场的三维坐标、位移和应变的测量系统3.2
散斑speckle
试样表面随机分布的斑点。
intermediatepoint of thebulging zone胀形区中间点
位于胀形区中间横截面上的壁厚最薄点。注：见图1a)中P点。
等效应力
equivalentstress
复杂应力状态折算成单轴应力状态的当量应力。3.5
equivalentstrain
等效应变
复杂应变状态折算成单轴应力状态的当量应变3.6
双轴应力-应变曲线
biaxial stress-straincurve
在双向应力状态下得到的等效应力-应变曲线GB/T38719—2020
4符号及说明
本文件使用的符号及说明见表1。符号
表1符号及说明
受力分析微元体中性层环向弧长受力分析微元体中性层轴向弧长受力分析微元体环向圆心角
受力分析微元体轴向圆心角
试样初始外径
轴向推力
合模力
胀形区最高点距离试样轴线的距离胀形破裂时胀形区最高点距离试样轴线的距离试样长度
胀形区长度
夹持区长度
液体介质压力
试样初始外半径
模具圆角半径
抗拉强度
试样胀形区中间点径向位移（外表面）试验结束后试样胀形区中间点径向位移（外表面）试样原始外周长
胀形破裂时试样最大截面周长
试样初始壁厚
试验结束后试样胀形区中间点壁厚试样胀形区中间点实时壁厚
胀形区中间点轴向应变
胀形区中间点环向应变
胀形区中间点厚向应变
等效应变
胀形过程中某一时刻试样的膨胀率胀形破裂时的极限膨胀率
胀形区长度与试样初始外径的比值胀形区中间点环向曲率半径
5原理
胀形区中间点轴向曲率半径
胀形区中间点轴向应力
胀形区中间点环向应力
胀形区中间点厚向应力
等效应力
表1（续）
试样与模具圆角接触部分圆弧所对应的圆心角塞头的锥角
GB/T38719—2020
将试样两端密封目轴向固定，利用液体介质对试样施加内压力进行胀形，测量胀形过程中的液体压力、位移、壁厚、应变等数据，分析获得试样在内压作用条件下变形时的等效应力、等效应变并绘制应力应变曲线。试样应力分量可由液体压力、胀形区中间点P点的厚度、P点的轴向与环向曲率半径计算。计算所得P点的应力分量和测量所得P点的应变分量用于确定试样双轴应力-应变曲线，如图1所示。F
说明：
观察孔；
管试样；
右塞头：
液体介质：
下模；
左塞头；
上模；
玻璃板；
CCD镜头；
轴向；
径向。
受力分析示意图
应力分析示意图
图1管状试样液压胀形试验原理
GB/T38719—2020
6设备
液压胀形试验所用设备应符合附录A的规定。7试样
7.1试样为一段圆形截面的管材。7.2试样长度由式（1)）确定见图1a）。L=2L.+L+5
式中：
L=(1.0~3.0)Do,推荐L,=1.5D。。（1)
7.3试样端部应去除毛刺、打磨光滑，不应存在初始裂纹或较深、较尖锐的划痕，并且制样时保证试样表面没有损伤（划痕、裂纹等缺陷）。7.4试样外表面应清理于净以喷涂散斑，具体喷涂方法及注意事项见附录B。7.5制样过程中应防止试样产生变形。8试验程序
8.1试验时应记录试验温度，试验一般在室温10℃～35℃下进行。8.2测量试样的初始壁厚、初始外径，沿环向等间隔测量出8个点，测量工具的分辨力不低于0.01mm。
8.3对试验所用模具、试验装置进行必要的清洗、检查，检查压力控制系统能否正常运行和压力管路是否存在漏液，
8.4试验前，空载条件下检查设备是否能够正常运行并检查塞头和模具密封段是否配合良好8.5将准备好的试样放人模具中，合模后利用塞头进行扩口密封。8.6根据8.2测量的壁厚分布确定最薄点所在区域并做标记，以便采用DIC测量系统分析数据时找到胀形区中间点bzxZ.net
8.7向试样内部预加注液体（乳化液或液压油），排除试样内部的气体，然后增加塞头推力以实现管端密封。
8.8利用压力传感器测量试验过程中的液体压力。8.9利用DIC测量系统，与8.8同步测量试验过程中试样表面散斑图像。8.10按同一时间刻度，记录并保存试样内压力数据和DIC测量系统所测量的变形数据。推荐每分钟至少记录60组数据。为了保证足够的数据量，胀形测试过程中应至少拍摄100张图像。8.11按照一定的增压速率（推荐0.05MPa/s～0.1MPa/s)加载直至试样破裂，结束试验，记录胀破压力值，保存试验数据。
8.12为保证获得至少三个有效的试验结果，应准备足够多的试样。9曲率半径、应变和应力确定方法9.1曲率半径（pp、Pop）
需要求解的曲率半径为胀形区中间点的轴向和环向曲率半径。试样胀形时中间点附近区域外表面轴向的轮廓为椭圆形，环向的轮廓为圆形。以胀形区中间点为中心在DIC测量范围中选择一个局部矩GB/T38719—2020
形区域进行分析，如图2中所示。所选区域的长度1建议取值为1，=（0.2～0.5）D。，宽度12建议取值为l2=（0.2～0.4）L。，也可以根据实际视窗大小做调整。在所选区域内的轴向方向上均匀选取若干个点（推荐至少选取5个点，点与点之间距离应大于2mm），提取所选取点的坐标信息，根据椭圆方程采用最小二乘法拟合可确定胀形区中间点的轴向曲率半径：在所选区域内的环向方向上均匀选取若干个点（推荐至少选取5个点，点与点之间距离应大于2mm），提取所选取点的坐标信息，根据圆的方程采用最小二乘法拟合可确定胀形区中间点的环向曲率半径。必要时，也可以协商采用其他拟合方法或计算方法确定曲率半径。
说明：
1——轴向：
2——环向；
3—径向。
图2选择分析区域用于计算轴向和环向曲率半径9.2应变（8，8）
胀形区中间点的轴向和环向应变可以由DIC测量系统直接输出，得到轴向和环向应变（e、E。），根据体积不变原理按式（2)计算得到胀形区中间点的厚向应变(e,)：E=-E
按式(3)计算胀形区中间点的壁厚(t,)为：t,=teexpe,)=trexp(-ege)
9.3应力（6.6。）
轴向和环向的应力分量由式（4)确定。p(pp—tp）2
2tp(pop-tp/2)
p(pptp)
（2pep—Pop—tp）
2tp(pp—tp/2)
10结果处理
10.1双轴应力-应变曲线计算
·（2)
..（3)
..（4)
根据测量得到的数据（o：、o。)和(e、E。）确定双向应力状态下的等效应力-应变曲线。确定过程参照附录C给出的方法进行。
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10.2加工硬化指数和强度系数
采用幂指数硬化模型对所得的等效应力-应变曲线进行拟合，从而确定加工硬化指数和强度系数，参见附录C。
极限膨胀率
试样的极限膨胀率按式（5)计算：mx
2h end-D。
×100%或nx=
式中：hend和△Rend为试样破裂前一瞬间的数值。(D。+2△Raa）-
+.........(5)
极限膨胀率也可以利用试样胀破后最大截面外周长与原始试样截面外周长按式（6）计算：max
试验报告
试验报告应包括以下主要内容：a)
本标准编号；
b）试样标识；
Send-So
试样的厚度、外径、长度、长径比，材料牌号和状态拟合的双轴应力-应变曲线；
试验的测量计算结果，包括：胀破压力、极限膨胀率、加工硬化指数和强度系数等；试验日期、试验人员等。
试验报告还可包括下述内容：
试验过程描述；
双轴应力-应变曲线的确定方法；试样准备记录；
试验后样品整体外观照片；
试验中的其他说明
..（6)
附录A
（规范性附录）
试验设备
A.1管状试样液压胀形试验设备示意图见图A.1。说明：
DIC测量系统：
数据采集模块；
压力测量模块；
控制系统：
机身主体：
高压系统。
图A.1试验设备示意图
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A.2试验设备应具有向试样内部提供液体介质的装置和控制系统。所提供的液体压力力应满足式（A.1)，其中轴向抗拉强度R.按照GB/T228.1测得：p
A.3试验设备应提供足够大的轴向推力以满足试样端部的密封要求。所提供的轴向推力F应满足式（A.2)：
F(D。—2t.)
F>1.3p元
A.4试验设备应提供足够大的合模力。所提供的合模力F，应满足式（A.3)：F>1.2(D.-2t)Lb
.（A.2）
.（A.3)
A.5试验设备应配备一个试样内部液体压力测量系统，也可以配备间接测量系统。从最大测量压力值的20%起，测量误差不大于实际测量值的1%A.6在试验过程中，采用DIC测量方法获得试样外表面散斑点的X、Y、Z坐标。测试设备应保证在测试过程中对试样外表面进行连续测量。A.7模具和塞头应具有足够的刚度。塞头用于对试样端部密封并防止试样在胀形过程中产生轴向滑动。塞头推力应足以使试样端部扩口密封，但不应使试样端部在扩口密封时出现裂纹。建议塞头的锥角中为30°，也可以根据实际情况进行调整，达到密封效果即可。A.8设备应具有排气功能，以在试验前排除试样内部的气体，防止破裂时气体瞬间释放引起液体飞溅。A.9建议在镜头和灯具前放置一块玻璃板，以防止试验结束试样发生破裂时液体飞溅对设备造成损7
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坏，以保护DIC测量系统。放置的保护装置不应影响DIC测量系统的测量精度上模具需要留观察孔，观察孔的设置应既便于DIC测量系统的测量又不影响模具的整体刚度A.10
A.11模具圆角半径R依据试样初始直径和壁厚选取。由R。=D。to/20计算确定R的所在范围，根据表A.1确定R。的实际取值，
试验模具的结构、形状、尺寸应满足试验原理和试验条件。A.12
试验设备的其他要求，可按GB/T15825.2的规定表A.1
R，的取值
R。计算值范围
R.建议取值
单位为毫米
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