本发明涉及力学性能测试技术领域，具体涉及一种小尺寸样品的材料拉伸性能测试方法及装置。
背景技术：
核聚变能因其安全、清洁、无污染，且核聚变燃料用之不竭，被认为是一种崭新的可持续能源。在建造聚变反应堆前，需对结构备选材料进行中子辐照考验，测试材料在辐照后的力学性能，对结构材料进行抗辐照性能筛选，判断材料是否符合入堆使用要求。然而，由于辐照空间较小，如ifmif高通量的体积仅为0.5l，且需在有限体积内放置拉伸、冲击、疲劳、断裂韧性等多种样品。采用传统的拉伸标准(astme8-16a.standardtestmethodsfortensiontestingofmetallicmaterials.annualbookofastmstandards.westconshohocken,pa:americansocietyfortestingandmaterials；2016.)进行测试对辐照空间利用率较低，且单个样品体积越大，辐照后冷却时间越长。因此，在获得可靠材料性能的同时尽量减小样品的尺寸是缓解上述问题的有效途径。同时，小样品对于一些特殊领域(如航空航天、核电工程等焊接结构、在役结构等)也有较大测试需求。同时，小样品对于一些特殊领域(如航空航天、核电工程等焊接结构、在役结构等)也有较大测试需求。
材料的单轴应力-应变关系、弹性模量e、屈服强度rp0.2、抗拉强度rm是材料的基本力学性能，对工程结构的力学分析、优化设计和安全性评价至关重要，因此有关材料的拉伸小样品试验方法得到了广泛的研究。早在1981年，bajar(bajajr,shoganrp,deflitchc.tensilepropertiesofneutron-irradiatednimonicpe16[c]//astmstp725.westconshohocken,pa:astminternation,1981.)等在ebr-2材料辐照研究项目中提出了一种平板状拉伸样品(smallspecimen-1,ss-1)，等直段宽1.52mm，长20.32mm，为小尺寸板状样品的获取拉伸性能研究提供了样品设计及试验技术思路；kohnoy(kohnoy,kohyamaa,hamiltonm,etal.specimensizeeffectsonthetensileproperofjpcaandjfms[j].journalofnuclearmaterials,2000,283-287:10141017.)等在此基础上减小了样品尺寸，提出了ss-j(smallspecimen-japan)样品，其等直段宽1.2mm，长5mm，测量样品等直段的载荷-位移曲线来获取材料拉伸性能。
现有拉伸小样品测试技术中存在一定问题：1.在测试方法上缺乏弹塑性解析理论，测试内容单一、测试结果稳定性和准确度不高；2.在试验操作上有较多不便，不利于热室内操作；3.样品尺寸不够小，对节约辐照空间存在一定浪费。
陈辉、蔡力勋(chenh,cailx.unifiedelastoplasticmodelbasedonstrainenergyequivalenceprinciple[j].appliedmathematicalmodelling,2017.52:664-671.)提出c-c能量等效方法，即代表性体积单元(representativevolumeelement,rve)的vonmises等效和有效变形域内能量中值等效。根据功能原理，外力f做功等于内部总应变能，建立单向加载构元的载荷-位移与应力-应变之间的关系：
从理论上建立了单向加载的试验载荷-位移关系与材料应力-应变关系之间的桥梁。
本测量技术中，针对小尺寸板状样品完成了单轴拉伸试验，提供试验条件和试验技术的支持；给出了关联样品几何尺寸、hollomon模型参数的载荷-位移半解析预测模型；可用于材料单轴拉伸性能的预测；但该测试方法和试验夹具仅针对于特定构型和尺寸的样品，对其他样品构型尺寸需重新标定相应预测模型参数；c-c能量等效方法给出了理论推导的基础，对单轴拉伸性能获取有指导作用。
技术实现要素：
针对上述技术问题，本发明提供了解决上述问题的一种小尺寸样品的材料拉伸性能测试方法及装置，解决传统拉伸性能试验测试方法的样品尺寸限制问题，具有可靠的基础理论支撑，不依赖于经验公式，试验操作简便，使用小尺寸样品即可准确获取材料连续完整的单轴应力-应变关系、屈服强度及抗拉强度。
本发明通过下述技术方案实现：
一种小尺寸样品的材料拉伸性能测试方法，包括以下步骤：
s1.取小尺寸样品进行拉伸试验，建立小尺寸样品非等直测量段有限元仿真模型，通过小尺寸样品在位移控制下的单轴拉伸加载试验，获取夹持小尺寸样品轴向两端的两夹具端稳定的载荷-位移曲线；
s2.提取试验曲线，以样品非等直测量段载荷-位移关系预测符合hollomon本构模型的单轴真应力-应变关系；同时得到材料弹性模量e和抗拉强度rm；
s21.对载荷-位移曲线弹性段进行线性拟合，得到斜率k；对弹塑性段进行幂律拟合，得到加载系数c和指数m：
式(1)中，f为试验载荷，h为位移；
s22.将式(1)的参数k、c和m代入下式(2)中：
式(2)中，e为样品的弹性模量，n为应变硬化指数，k为应变硬化系数，t0、t1、t2、t3、t4为样品的有限元模型常数，取等直段长度l0为特征长度h*，a*为特征面积；
s23.根据s22中得到的e、k、n代入hollomon模型中，得到材料单轴真应力-应变关系：
式(3)中，σt为真应力，εt为真应变，σy为名义屈服强度；
s3.根据步骤s2获取的单轴真应力-应变关系转换得到工程应力-应变曲线，得到屈服强度rp0.2和抗拉强度rm。
进一步优选，步骤s3中，将得到的真应力-应变关系转换为工程应力-应变关系，如式(4)所示：
式(4)中，εe、σe、εt、σt分别为工程应变、工程应力、真应变、真应力。
进一步优选，通过0.2％偏置线与工程应力-应变关系曲线交点确定屈服强度rp0.2。
进一步优选，抗拉强度rm＝fmax/a，fmax为试验最大载荷，a为样品等直段横截面积。
进一步优选，所述小尺寸样品的构型为板状或圆棒状。
进一步优选，所述小尺寸样品的尺寸范围为：总长h＝14mm，夹持段宽度s＝6mm，过渡半径r＝1mm，等直段长度l0＝1mm；对于板状样品：等直段宽度b＝1mm，厚度t∈(0.5mm,1mm)；对于圆棒样品：等直段直径d＝1mm。
进一步优选，步骤s1中，对小尺寸样品拉伸测试前，对小尺寸样品表面进行抛光处理。
一种小尺寸样品的材料拉伸性能测试装置，用于实现上述的一种小尺寸样品的材料拉伸性能测试方法，其特征在于，两组镜像对称分布的夹具，每组夹具包括底板和盖板；所述底板的长轴方向一端设有安装槽，安装槽用于放置小尺寸样品的待夹持端；所述盖板可拆卸覆盖在安装槽上方，小尺寸样品的待夹持端被夹持在安装槽和盖板之间；底板的长轴方向另一端用于安装在试验机的上下夹头间。
进一步优选，所述底板在远离安装槽的轴向端设有横板，横板与底板端部垂直连接呈t型结构。
进一步优选，还包括定位板，所述定位板可拆卸安装在底板的轴向中部、或靠近轴向中部位置处，且定位板的轴线方向与底板的轴线方向垂直。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1、本发明通过设计样品构思及测试计算方法，解决了传统单轴拉伸性能试验测试方法的样品尺寸限制问题，不依赖于经验公式，运用少量有限元标定后，即可准确获取材料连续完整的应力-应变关系及强度，适用于大范围延性金属材料；
2、本发明解决了辐照孔道空间难以放置较多样品的问题，提高了辐照空间利用率；
3、本发明设计与理论方法配套的拉伸小样品夹具，便于操作简便快捷；
本发明可应用于小型构件、焊接接头、管道结构、贵重材料、在役结构监测等领域。本发明设计的样品构型为拉伸形式，变形为单一的拉伸变形，与传统拉伸相似，可以直接准确的获取材料抗拉强度，还可用于材料疲劳性能的获取。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明实施案例采用的样品构型示意图；其中，图1(a)表示板状样品，图1(b)表示棒状样品；
图2为本发明实施例中板状样品有限元分析模型；
图3为本发明中hollomon本构模型曲线；
图4为本发明实施例中clf-1钢板状样品载荷-位移曲线；
图5为本发明实施例中clf-1钢板状样品应力-应变曲线；其中，图5(a)表示单轴真应力-应变曲线，图5(b)表示工程应力-应变曲线；
图6为本发明中提供的小样品测试夹具。
附图中标记及对应的零部件名称：1-底板，2-盖板，3-定位板，4-样品，5-加载线，6-夹持段i，7-测量段，8-夹持段ii。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提供了一种小尺寸样品获取金属材料单轴应力-应变关系和强度的测试方法，具体测试方法如下所示：
步骤1，根据测试需求将金属材料加工为特定尺寸的板状样品或圆棒样品，使用800目以上的砂纸对样品进行手工抛光；如图1所示，提供了两种样品构型尺寸可供选择使用，包括样品非等直测量段和夹具夹持段。图2给出了小尺寸板状样品非等直测量段的有限元分析模型图。完成样品初步机加工后，经过多次试验尝试，认为使用800目以上的砂纸对样品表面进行手工精细抛光较为合适。
步骤2，将步骤1中完成抛光的拉伸小样品安装至测试夹具，并在保证同轴度和紧固连接的基础上固定于试验机上下夹头。
步骤3，通过小样品在位移控制下的单轴拉伸加载试验，采集两上下夹具间稳定的载荷-位移曲线；
通过试验机对样品进行轴向拉伸加载，加载速率适中(0.005mm·s-1左右)，同步采集夹头间实时载荷、位移，拉伸样品直至断裂。
步骤4，提取试验曲线，以样品非等直测量段载荷-位移关系预测符合hollomon本构模型的单轴真应力-应变关系；具体操作如下所示：
步骤4-1，对载荷-位移曲线弹性段进行线性拟合，得到斜率k；对弹塑性段进行幂律拟合，得到加载系数c和指数m：
式(1)中，f为外载荷，h为位移；
步骤4-2，将式(1)的参数k、c和m代入下式(2)中：
式(2)中，e为样品的弹性模量，n为应变硬化指数，k为应变硬化系数，t0、t1、t2、t3、t4为样品的有限元模型常数，取等直段长度l0为特征长度h*，a*为特征面积；
本实施例所设计样品构型尺寸如图1所示，u端为固定端，p端为位移加载端。对于板状(sheet-type，st)样品，a*＝tb，t为样品厚度，b为样品等直段宽度；对于圆棒(round-bar，rb)样品，a*＝1/4πd^2，d为样品等直段直径。通过式(2)即可求出材料hollomon本构模型参数e、k、n；将参数e、k、n代入hollomon本构模型中，得到单轴真应力-应变关系及弹性模量e。
可根据测试条件和需求，选取板状样品或圆棒样品，两种样品构型相关参数如表1所示：
表1.参数列表
对于其他相似构型尺寸，只需重新标定t0、t1、t2、t3、t4，即可使用该方法，运用ansys软件，设定材料弹性模量e＝200gpa(可以为60gpa～250gpa的任一定值)，名义屈服强度σy＝500mpa(可以为200mpa～1000mpa的任一定值)，变换应变硬化指数n依次为0.1、0.15、0.2、0.25、0.3这5个值，分别进行计算，从而获取5条载荷-位移曲线，结合公式(1)和(2)，又已知e、k、n，即可标定出参数t0、t1、t2、t3、t4。
步骤5，根据步骤4获取的单轴真应力-应变关系转换得到工程应力-应变曲线，得到屈服强度rp0.2和抗拉强度rm。
将得到的真应力-应变关系转换为工程应力-应变关系：
式(3)中，εe、σe、εt、σt分别为工程应变、工程应力、真应变、真应力。
进一步，通过0.2％偏置线与工程应力-应变关系曲线交点确定屈服强度rp0.2。
进一步，抗拉强度rm＝fmax/a，fmax为试验最大载荷，a为样品等直段横截面积。
实施例2
本实施例提供了一种小尺寸样品获取金属材料单轴应力-应变关系和强度的测试装置，用于实施例1提供的一种小尺寸样品获取金属材料单轴应力-应变关系和强度的测试方法。两组镜像对称分布的夹具，每组夹具包括底板1和盖板2；底板1的长轴方向一端设有安装槽，安装槽用于放置小尺寸样品的待夹持端；盖板2可拆卸覆盖在安装槽上方，小尺寸样品的待夹持端被夹持在安装槽和盖板2之间，对于可拆卸安装结构可采用螺纹连接，在盖板2上开设通孔，在底板1一端部表面(位于安装槽附近)开设螺纹孔，通过螺栓穿过通孔后旋入螺纹孔内固定；底板1的长轴方向另一端用于安装在试验机的上下夹头间。底板1在远离安装槽的轴向端设有横板，横板与底板1端部垂直连接呈t型结构。还包括定位板3，定位板3可拆卸安装在底板1的轴向中部、或靠近轴向中部位置处，且定位板3的轴线方向与底板1的轴线方向垂直；定位板3与底板1的可拆卸安装结构，可采用螺纹连接，在定位板3上开设通孔，在底板1上开设螺纹孔，通过螺栓穿过通孔后旋入螺纹孔内固定，实现定位板3可拆卸固定在底板1上。
使用方法为：将实施例1中完成抛光的拉伸小样品安装至该装置上，如图6所示，并在保证同轴度和紧固连接的基础上固定于试验机上下夹头；如图6所示为拉伸小样品装置，有两组镜像对称分布、且结构完全一样的夹具，整个夹具有6个部件(即两个底座1、两个盖板2和两个定位板3)。将小尺寸样品4的夹持段放置于夹具底板1的安装槽内，使用盖板2上的螺栓将校尺寸样品4初步固定，小尺寸样品4的另一待夹持端进行相同操作。最后将夹具放置试验机上下板夹具内，通过定位板3保证夹具与试验机夹头同轴；若试验机板夹具深度较小，则可去掉定位板3，通过夹具底板1端部的t型设计可保证小样品夹具与试验机加载轴有较好的同轴度，夹紧试验机板夹具后施加2n～5n的拉伸载荷，再拧紧盖板2上的螺栓，完成样品安装。
实施例3
本实施例采用实施例1提供的方法以及实施例2提供的测试夹具进行测试，测试方法概括如下：
以小尺寸板状样品和圆棒样品为例。如图1所示，样品分为非等直测量段和夹持段。如图2所示，建立两种样品非等直测量段有限元仿真模型，一端采用固定铰接，另一端进行轴向拉伸加载。采用hollomon本构模型(如图3所示)作为模拟材料本构关系，模型包括弹性模量e、应变硬化指数n和应变硬化系数k，改变这三个参数可进行多种工况计算，得到不同假想材料的载荷-位移曲线，完成公式中常数的标定。
使用clf-1(chineselowactivationferritic)钢的板状样品完成位移控制下的单轴拉伸试验，过渡圆弧半径r＝1mm，样品厚度t＝0.5mm，等直段长度l0＝1mm、宽度b＝1mm、非等直测量段l＝6mm；对3个平行样品进行单轴拉伸试验，采集两端夹具相对位移h，图5为采集到连续稳定的载荷-位移试验曲线。
将曲线的直线段用线性函数拟合，弹塑性曲线段用幂律函数拟合，得到斜率k、加载系数c和指数m，再结合公式，得到hollomon本构模型参数弹性模量e、应变硬化系数k、应变硬化指数n，将e、k、n代入hollomon模型得到材料的单轴真应力-应变关系预测结果；通过公式rm＝fmax/a计算得到抗拉强度rm；同时对clf-1钢标准圆棒(smoothroundbar,srb)样品进行单轴拉伸试验，获取clf-1钢单轴真应力-应变关系；如图5(a)所示，3个平行样品(是指3个构型和尺寸相同的板状小样品)的单轴真应力-应变曲线与标准圆棒的结果基本重合；如图5(b)所示，将得到的真应力-应变关系转换为工程应力-应变关系，从而获取屈服强度rp0.2。在实际工程使用中，可对样品尺寸进行调整，只需重新进行简单的有限元计算标定预测模型的参数即可。clf-1钢试验预测结果如表2所示。
表2.预测结果列表
本发明设计了小尺寸板状和圆棒拉伸样品及专用工装夹具，可进行小样品单轴拉伸试验，根据非等直测量段的载荷-位移曲线，可预测材料对应的单轴真应力-应变曲线，同时可获取工程常用参数屈服强度rp0.2和抗拉强度rm；本发明解决了样品尺寸限制问题，具有可靠的基础理论支撑，不依赖于经验公式，可获取连续完整的应力-应变关系。对于小型构件、焊接接头、管道结构、贵重材料、在役结构监测等关键领域中材料单轴拉伸性能的获取具有较大工程应用价值。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种小尺寸样品的材料拉伸性能测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
s1.取小尺寸样品进行拉伸试验，建立小尺寸样品非等直测量段有限元仿真模型，通过小尺寸样品在位移控制下的单轴拉伸加载试验，获取夹持小尺寸样品轴向两端的两夹具端稳定的载荷-位移曲线；
s2.提取试验曲线，以样品非等直测量段载荷-位移关系预测符合hollomon本构模型的单轴真应力-应变关系；同时得到材料弹性模量e和抗拉强度rm；
s21.对载荷-位移曲线弹性段进行线性拟合，得到斜率k；对弹塑性段进行幂律拟合，得到加载系数c和指数m：
式(1)中，f为试验载荷，h为位移；
s22.将式(1)的参数k、c和m代入下式(2)中：
式(2)中，e为样品的弹性模量，n为应变硬化指数，k为应变硬化系数，t0、t1、t2、t3、t4为样品的有限元模型常数，取等直段长度l0为特征长度h*，a*为特征面积；
s23.根据s22中得到的e、k、n代入hollomon模型中，得到材料单轴真应力-应变关系：
式(3)中，σt为真应力，εt为真应变，σy为名义屈服强度；
s3.根据步骤s2获取的单轴真应力-应变关系转换得到工程应力-应变曲线，得到屈服强度rp0.2和抗拉强度rm。
2.根据权利要求1所述的一种小尺寸样品的材料拉伸性能测试方法，其特征在于，步骤s3中，将得到的真应力-应变关系转换为工程应力-应变关系，如式(4)所示：
式(4)中，εe、σe、εt、σt分别为工程应变、工程应力、真应变、真应力。
3.根据权利要求2所述的一种小尺寸样品的材料拉伸性能测试方法，其特征在于，通过0.2％偏置线与工程应力-应变关系曲线交点确定屈服强度rp0.2。
4.根据权利要求1所述的一种小尺寸样品的材料拉伸性能测试方法，其特征在于，抗拉强度rm＝fmax/a，fmax为试验最大载荷，a为样品等直段横截面积。
5.根据权利要求1所述的一种小尺寸样品的材料拉伸性能测试方法，其特征在于，所述小尺寸样品的构型为板状或圆棒状。
6.根据权利要求1或5所述的一种小尺寸样品的材料拉伸性能测试方法，其特征在于，所述小尺寸样品的尺寸范围为：总长h＝14mm，夹持段宽度s＝6mm，过渡半径r＝1mm，等直段长度l0＝1mm；对于板状样品：等直段宽度b＝1mm，厚度t∈(0.5mm,1mm)；对于圆棒样品：等直段直径d＝1mm。
7.根据权利要求1所述的一种小尺寸样品的材料拉伸性能测试方法，其特征在于，步骤s1中，对小尺寸样品拉伸测试前，对小尺寸样品表面进行抛光处理。
8.一种小尺寸样品的材料拉伸性能测试装置，用于实现权利要求1至7任一项所述的一种小尺寸样品的材料拉伸性能测试方法，其特征在于，两组镜像对称分布的夹具，每组夹具包括底板(1)和盖板(2)；所述底板(1)的长轴方向一端设有安装槽，安装槽用于放置小尺寸样品的待夹持端；所述盖板(2)可拆卸覆盖在安装槽上方，小尺寸样品的待夹持端被夹持在安装槽和盖板(2)之间；底板(1)的长轴方向另一端用于安装在试验机的上下夹头间。
9.根据权利要求8所述的一种小尺寸样品的材料拉伸性能测试装置，其特征在于，所述底板(1)在远离安装槽的轴向端设有横板，横板与底板(1)端部垂直连接呈t型结构。
10.根据权利要求1所述的一种小尺寸样品的材料拉伸性能测试装置，其特征在于，还包括定位板(3)，所述定位板(3)可拆卸安装在底板(1)的轴向中部、或靠近轴向中部位置处，且定位板(3)的轴线方向与底板(1)的轴线方向垂直。
技术总结