随着数值模拟技术的快速发展,有限元模拟的精度和可靠性逐渐提升,已经成为当前模拟金属制品成形过程和制定成形工艺规范的主要工具,有力地推动了金属现代塑性精密成形技术的发展。金属本构模型是有限元模拟的重要前提,本构的准确性直接决定着产品成形有限元模拟的精确性。其中,硬化曲线一般通过单向拉伸试验获取,然而金属在锻造、挤压、轧制、摆碾、辊锻等成形过程中,主要承受以压应力为主的应力状态,且局部变形可以达到很大的应变值,因此获取材料在压应力状态下的大应变范围硬化曲线更能反映材料真实的变形行为。金属压缩硬化曲线往往是通过圆柱试样的单向压缩试验来测量,其前提是假定试样端面摩擦忽略不计,试样受力均匀,承受单向压应力状态。在实际情况下,即使采用良好的润滑措施,金属圆柱试样端面与压头之间的摩擦也无法完全消除,导致压缩试样产生鼓形,试样内部应力分布不均,已经不是单向压应力状态,由此计算的应力应变曲线具有较大的误差,仅在压缩试样出现明显鼓形之前的硬化曲线是足够准确的,其对应的应变范围相对较小。鉴于传统圆柱压缩试样无法准确获得大应变范围的硬化曲线,本文针对韧性金属设计了能够避免摩擦影响的双曲线轮廓压缩试样和哑铃型压缩试样,并提出相应的应力应变计算方法,以获得大应变范围的硬化曲线。其研究方法是采用不同硬化模型的虚拟材料进行所设计试样的压缩模拟,输出模拟的压缩试验曲线数据样本,通过回归方法归纳出压缩应力修正的计算方法。基于此,通过实际材料制作的双曲线轮廓试样和哑铃型试样进行压缩试验,获取对应的大应变范围的硬化曲线,并与相应的反推法获取的硬化曲线进行比较,验证本文所提测量方法的准确性和可靠性。主要研究成果如下:(1)设计了双曲线轮廓压缩试样和哑铃型压缩试样,两种试样均由两端直径较大的接触端面与中间较细的标距段构成,这样的结构可使变形集中在试样的中间段。有限元模拟结果证实端面摩擦对压缩试样的测量值的影响可以忽略不计。(2)双曲线轮廓试样的硬化曲线测量方法适用于应变硬化指数小于0.2的金属材料,在应变范围0-0.7内,应力修正理论误差在3.5%以内。应变硬化指数较高材料在应力计算方法的拟合推导中有较大的偏差,无法实现准确的应力修正。Q420低碳钢和AA1060纯铝的双曲线轮廓试样压缩试验结果显示,由于试验误差等综合因素的影响,当所测量的硬化曲线作为输入材料模型进行模拟时,其所获载荷位移曲线与试验曲线的误差在3%以内,证实了此方法可以准确获取应变范围0-0.7之间的硬化曲线,满足工程需求。(3)哑铃型试样的压缩硬化曲线测量方法适用于任意硬化指数的韧性金属材料,这是因为哑铃型试样在整个压缩过程中鼓形持续发展,应力基于鼓形进行修正。在应变范围0-0.7之内,应力修正理论误差在2%以内。在有限元模拟中也发现,该类型试样能够满足任意硬化指数的材料,其所对应的应力计算方法能够获得极为准确的材料硬化曲线。Q235低碳钢和H62黄铜的哑铃型试样利用试验测量的硬化曲线模拟得到的载荷-位移曲线与试验曲线相比误差在2%以内,证实了此方法可以准确获取应变范围0-0.7之间的硬化曲线,满足工程需求。(4)针对所设计压缩试样提出2种硬化曲线反推测量方法。通过4种不同金属材料的常规拉伸试验、常规圆柱试样压缩试验、所设计试样的压缩试验以及相应反推方法测量的硬化曲线对比结果显示,拉伸硬化曲线与压缩硬化曲线存在不同程度的差异,且拉伸应变范围最大仅为0.36。普通圆柱压缩试样在本文压缩试验中所获硬化曲线的应变范围在0-0.5左右,但其由于端面摩擦的和测量误差等因素影响,得到的硬化曲线具有一定误差。所设计双曲线轮廓试样和哑铃型压缩应变范围可达到0.7左右,且与反推法所获硬化曲线能够较好的吻合,证实了本文所提出应力修正方法的可靠性。