多轴复合加载下塑性金属材料的屈服准则及机理研究

According to the uniaxial strength theory of material, the strength condition of complicated stress problems is established by virtue of experimental consequences of simple stress state, which is proved to be defective by many researches. The limitations of the uniaxial strength theory of material become more and more manifest. In this project, a novel theory, according to which the strength condition of complicated stress problems is established through experimental consequences of multi-axis stress state, is proposed. A batch of multi-axis force combined loading tests is performed with plastic metal using a 6-DOF material test machine. The influences of load types and loading history on the material strength limits are studied and used as the cut-in point to investigate the yield criteria of the plastic metal under multi-axis combined force. The failure mechanism of the plastic metal is then discovered by studying the fracture state of the specimen using scanning electron microscope (SEM). The achievements of this project will provide new test equipment for multi-axis combined loading test of material; furthermore, they are also helpful to the further development of the material strength theory with multi-axis combined force, both in theory and technique way.

单轴材料强度理论处理复杂应力状态问题的方法为"由简单应力状态的实验结果，建立复杂应力状态的强度条件"，但是越来越多的研究表明这一方法存在不足，单轴强度理论的局限性日益凸显。本项目提出了"以多轴应力状态的实验结果，建立复杂应力状态的强度条件"的研究思路，使用六自由度并联材料试验机为平台，对塑性金属材料进行多轴复合加载批量试验研究；以载荷性质和加载历程对材料屈服极限的影响规律研究为切入点，对多轴复合加载下塑性金属材料的屈服准则进行探讨，并通过对试件断口进行微观检测与分析来探索材料破坏的机理。本项目研究成果可为塑性金属材料的多轴复合加载提供新的试验方法，并为塑性金属材料多轴加载强度理论的发展提供初步的理论依据与技术支撑。

本项目研究的主体研究内容集中在两个方面，一是对现有的六自由度材料实验机进行完善与改进，使之在刚度、精度及控制适应性上满足材料实验加载的需求；二是通过实验研究探索“以多轴应力状态的实验结果，建立复杂应力状态的强度条件”的方法。. 在第一个方面，对6UPS材料实验机进行机构学分析，进行结构优化与刚度评估，重点解决球铰链的摩擦力问题、复合铰链的适应性问题、控制算法的精准性问题，并提出了相应的解决方案。对于铰链的摩擦力问题，提出了采用聚四氟乙烯涂层固体润滑减摩的方案；采用复合铰链加强的方法提高机构的刚性；采用自适应控制算法来提高加载过程力控制的精准性等。采用上述方法对6UPS实验机进行改造后，其加载能力与控制精度明显提高。. 在第二个方面，进行了变载荷类型及加载历程下的材料试验研究，分别对LY12和45#钢试件进行了拉伸、扭转及拉扭实验。通过对实验结果进行分析，发现在复合加载情况下，不同的载荷历程对材料的应力具有较大影响，尤其是在载荷类型变化时，会出现明显的应用松弛或断崖式下降的现象，并伴随着材料屈服特性的改变。.通过本项目研究，初步发现在多轴复合加载下，材料试件在力学特性上与单轴加载存在较大的差别；目前本项目研究还不完善，拟通过后续的实验寻找更多的依据，并系统的提出多轴材料力学强度评估准则。