管材在壓力管道和流體輸送工程中有大量應(yīng)用，又由于具有質(zhì)量輕、強韌性好、吸收沖擊功能好等優(yōu)點，容易實現(xiàn)產(chǎn)品的輕量化和強韌化。因此，近年來在航空航天、汽車及船舶制造領(lǐng)域中應(yīng)用越來越廣泛。管材橫截面為中空結(jié)構(gòu)，所以其服役狀態(tài)以及拉伸試驗時所表現(xiàn)的力學(xué)性能和相同材質(zhì)的棒材存在一定差異。
目前，對于各種規(guī)格尺寸管材的力學(xué)性能試驗方法雖然有所發(fā)展，如直接采用小直徑管拉伸來獲取材料在管形狀態(tài)下的真實力學(xué)性能參數(shù)，但對于管材的研究還很不充分，各國學(xué)者從不同角度采用不同方法進行了大量試驗和有限元模擬分析。諸多研究成果對于逐步認識和掌握管材成形性具有相應(yīng)的促進作用。為了研究材料在管形狀態(tài)下的力學(xué)行為以及受力失穩(wěn)過程，北京理工大學(xué)的研究者們采用1Cr18Ni9Ti小直徑薄壁管段進行了直接拉伸試驗，借助于有限元方法模擬分析了拉伸全過程的應(yīng)力應(yīng)變分布特征及其拉斷斷口形狀，為管材力學(xué)性能及其成形性分析提供參考。
拉伸試驗材料1Cr18Ni9Ti管，原始外徑d0=8mm，壁厚t0=2mm，采用國標規(guī)定比例試樣進行試驗。為便于夾持并保證均勻拉伸時標距段處于單向受力狀態(tài)，試樣兩端添加伸入端帶球頭的圓柱形塞頭。在萬能拉伸試驗機上進行恒位移加載，加載過程只有下橫梁運動，利用引伸計采集載荷-位移數(shù)據(jù)，處理后在origin軟件中進行曲線擬合。可以看出，1Cr18Ni9Ti管拉伸時，均勻伸長能力很強，總伸長率δ＞0.75，最大工程應(yīng)力產(chǎn)生在拉伸后期，抗拉強度σb≈602MPa。另外，計算所得相關(guān)力學(xué)性能參數(shù)如下：E=177GPa，σs=220MPa。σb≈602MPa，塑性系數(shù)K=1320MPa，硬化指數(shù)n=0.47，δ=0.76，由有限元模擬計算結(jié)果可知，管材拉伸分散性失穩(wěn)階段，細頸區(qū)真實軸向主應(yīng)力δz和主應(yīng)變εz沿最小截面（z=0）非均勻分布，內(nèi)側(cè)應(yīng)力應(yīng)變值大于外側(cè)，這是小直徑薄壁管拉伸初始裂紋產(chǎn)生在內(nèi)側(cè)壁附近的一個重要原因。除去壁厚中心偏外某一點出現(xiàn)σθ0≈σr0外,同一半徑r處始終保持σz＞σθ＞σr0。另外，最小界面內(nèi)側(cè)的另外兩向主應(yīng)力值均大于相應(yīng)的外側(cè)主應(yīng)力值，即σθi＞σθ0及σri＞σr0。
實際拉伸試驗和有限元模擬結(jié)果均表明，1Cr18Ni9Ti管拉伸的初始裂紋率先產(chǎn)生在內(nèi)側(cè)壁表面附近的某一區(qū)域，多數(shù)試樣拉斷面與拉伸軸傾斜約+/-45°，具有剪切斷裂傾向，并且擴展至外側(cè)壁表面的最終斷裂線往往不在同一平面上。