一種金屬板材面外剪切性能測試方法與流程
2023-07-23 01:14:01 4
本發明涉及到一種金屬板材面外剪切性能測試方法，屬於板材成形性能測試技術領域。
背景技術：
為了節能減排，汽車輕量化已成為我們的必然選擇。與普通低碳鋼相比，先進高強鋼強度明顯提高，可以在滿足汽車安全的前提下通過減小厚度實現車身輕量化。目前，不同強度級別的先進高強鋼材料已被廣泛運用於各種車身結構件中。先進高強鋼強度較高，這也導致了其衝壓成形後零件的殘餘應力大，回彈現象嚴重，尺寸精度差。為了減小回彈，提高零件的成形精度，通常在設計模具時採用較小的彎曲圓角半徑，並在工藝上加大壓邊力，以減少回彈缺陷，提高尺寸精度。然而，隨著彎曲圓角半徑的減小，板料靠近凸凹模圓角處的位置在成形過程中容易發生過早的斷裂現象。這種斷裂現象與通常在低碳鋼和低合金高強鋼中觀察到的頸縮斷裂現象有明顯的不同，斷裂位置平行於模具圓角處，斷裂之前材料並沒有明顯的頸縮現象，斷口處幾乎沒有發生材料的減薄。在厚度方向上，由於斷口方向與拉伸主應力方向成45°角，因此汽車工業界中唯象地將這種拉伸狀態下彎曲圓角處的早期斷裂模式稱之為「剪切斷裂」。
金屬板材在製備過程中，軋制工藝導致材料內部的微孔洞及夾雜物沿軋制方向被拉長、沿厚度方向扁平化，晶粒擇優取向形成織構，不僅會導致金屬板材塑性呈現明顯的各向異性，還會導致金屬板材在板平面內和板平面外的斷裂強度不同，即各向異性斷裂。此外，對於以雙相鋼為代表的一類先進高強鋼而言，馬氏體島主要在金屬板材中間層形核並聚集，這種現象進一步導致其面外剪切強度不同於面內剪切強度。
一般而言，金屬板材在成形過程中主要受到板平面內的載荷作用，垂直於板平面的正向應力可以忽略不計，故傳統的板材成形過程通常假定為平面應力狀態。學術界及工程界大多採用面內實驗來獲取金屬板材力學性能，研究並預測金屬板材的變形及失效行為。然而，在小圓角成形條件下，垂直於板平面的正向應力顯著，材料受到複雜的剪應力作用，特別是面外的剪應力，板材的失效行為與板平面內加載為主的條件下的失效行為明顯不同，此時金屬板材面外性能的影響必須考慮。為了準確理解並預測金屬板材在小圓角成形條件下的「剪切斷裂」現象，必須建立金屬板材面外性能測試方法，設計相應的試樣及夾具。
現有技術中，已有一些技術是針對厚度較厚的高強度管線鋼，即15～30mm厚，通過在厚度方向上設計「迷你圓棒試樣」進行單向拉伸實驗來獲取材料沿厚度方向的力學性能，但是對於厚度較薄的金屬板材，比如1～6mm，由於厚度尺寸的限制，這種面外性能測試方法無法實現。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服現有技術存在的上述不足，針對金屬板材，突破其厚度方向尺寸的限制，提供一種可以實現面外剪切加載的剪切試樣設計，以及防止試樣剪切變形區發生轉動的夾具設計，建立金屬板材面外剪切性能測試方法。
為實現上述目的，本發明是根據以下技術方案實現的：
一種金屬板材面外剪切性能測試方法，包括如下步驟：
步驟s1：從厚度為t的金屬板材上加工出長度為h、寬度為w的矩形毛坯；
步驟s2：在矩形毛坯一側沿厚度方向加工出寬度為h1、深度t1＝t/2的矩形槽，矩形槽底部圓角半徑為r，整個矩形槽貫穿矩形毛坯的寬度方向；
步驟s3：採用同樣的方式，在矩形毛坯厚度方向的另一側，相距對側矩形槽h2的位置處，加工出寬度為h3，其中h3＝h1，深度t2＝t/2，底部圓角半徑為r的另一個矩形槽；
步驟s4：面外剪切試樣在兩個對側加工的矩形槽之間形成了一個長度為h2的剪切變形區。
步驟s5：所述面外剪切試樣的剪切變形區表面噴塗黑白相間的隨機散斑；
步驟s6：完成面外剪切試樣與防轉動夾具的裝配，夾持於通用拉伸試驗機的通用夾具上進行面外剪切實驗；
步驟s7：用先進的三維數字散斑動態應變測量設備對剪切變形區進行應變測量，得到面外剪切試樣變形過程中的應變，通過將力-位移曲線轉換成剪應力-應變曲線，其中f為變形過程中的剪切力，w為面外剪切試樣的寬度，h2為剪切變形區的長度，從剪應力-應變曲線中得到金屬板材的面外剪切強度、面外剪切斷裂應變的力學性能。
上述技術方案中，所述步驟s3中，兩個矩形槽之間的剪切變形區長度h2與金屬板材的厚度t之間的比值必須滿足：其中分別為材料的拉伸強度和剪切強度。
上述技術方案中，所述步驟s6中，所述防轉動夾具包括左上夾板、右上夾板、左下夾板、右下夾板，其中所述左上夾板和所述右上夾板通過兩個螺栓預緊組成上夾具，所述左下夾板和所述右下夾板通過兩個螺栓預緊組成下夾具，採用上夾具和下夾具分離式結構減小面外剪切試樣變形過程中上夾具、下夾具與剪切變形區的摩擦。
上述技術方案中，所述左上夾板、所述右上夾板、所述左下夾板、所述右下夾板都為t型結構，所述左上夾板、所述右上夾板、所述左下夾板、所述右下夾板試樣夾持部分寬度均等於面外剪切試樣寬度。
上述技術方案中，所述左上夾板和所述右下夾板具有相同的結構和尺寸，所述右上夾板和所述左下夾板具有相同的結構和尺寸。
上述技術方案中，所述右上夾板的高度比左上夾板高h1+h2，所述左下夾板的高度比右下夾板高h2+h3。
本發明與現有技術相比，具有如下有益效果：
1.本發明通過設計面外剪切試樣，在金屬板材兩側沿厚度方向相距一定距離各加工一個矩形槽，在兩個矩形槽之間形成剪切變形區，從而可實現金屬板材面外剪切性能測試。面外剪切試樣夾持於通用拉伸試驗機的通用夾具上即可進行拉伸實驗，操作簡單方便。
2.本發明通過設計防轉動夾具，可有效避免面外剪切試樣拉伸實驗過程中剪切變形區的轉動；左上夾板、右上夾板、左下夾板、右下夾板，均設計為t型結構，便於拉伸實驗過程中使用先進的三維數字散斑動態應變測量設備對面外剪切試樣的剪切變形區進行應變測量；防轉動夾具採用上、下夾具分離式結構，可以有效避免面外剪切試樣變形過程中上、下夾具與剪切變形區之間產生摩擦。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它附圖。
圖1為本發明面外剪切試樣與防轉動夾具裝配結構示意圖；
圖2為本發明面外剪切試樣尺寸示意圖；
圖3為本發明左上夾板示意圖；
圖4為本發明右上夾板示意圖；
圖5為本發明左下夾板示意圖；
圖6為本發明右下夾板示意圖；
圖中，附圖標記為：1-面外剪切試樣；2-左上夾板；3-右上夾板；4-左下夾板；5-右下夾板；6-螺栓；7-螺母。
具體實施方式
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。
圖1為本發明面外剪切試樣與防轉動夾具裝配結構示意圖；圖2為本發明面外剪切試樣尺寸示意圖；圖3-6為本發明各夾板示意圖；如圖1-圖6所示，本發明的一種金屬板材面外剪切性能測試方法，包括如下步驟：
步驟s1：從厚度為t的金屬板材上加工出長度為h、寬度為w的矩形毛坯；
步驟s2：在矩形毛坯一側沿厚度方向加工出寬度為h1、深度t1＝t/2的矩形槽，矩形槽底部圓角半徑為r，整個矩形槽貫穿矩形毛坯的寬度方向；
步驟s3：採用同樣的方式，在矩形毛坯厚度方向的另一側，相距對側矩形槽h2的位置處，加工出寬度為h3，其中h3＝h1，深度t2＝t/2，底部圓角半徑為r的另一個矩形槽；
步驟s4：面外剪切試樣在兩個對側加工的矩形槽之間形成了一個長度為h2的剪切變形區。
步驟s5：所述面外剪切試樣的剪切變形區表面噴塗黑白相間的隨機散斑；
步驟s6：完成面外剪切試樣與防轉動夾具的裝配，夾持於通用拉伸試驗機的通用夾具上進行面外剪切實驗；
步驟s7：用先進的三維數字散斑動態應變測量設備對剪切變形區進行應變測量，得到面外剪切試樣變形過程中的應變，通過將力-位移曲線轉換成剪應力-應變曲線，其中f為變形過程中的剪切力，w為面外剪切試樣的寬度，h2為剪切變形區的長度，從剪應力-應變曲線中得到金屬板材的面外剪切強度、面外剪切斷裂應變的力學性能。
上述技術方案中，所述步驟s3中，兩個矩形槽之間的剪切變形區長度h2與金屬板材的厚度t之間的比值必須滿足：其中分別為材料的拉伸強度和剪切強度。
防轉動夾具包括左上夾板2、右上夾板3、左下夾板4、右下夾板5，其中左上夾板2和右上夾板3分別位於面外剪切試樣1上側矩形槽左、右兩側，通過兩個螺栓6預緊組成上夾具，左下夾板4和右下夾板5分別位於面外剪切試樣1下側矩形槽左、右兩側，通過兩個螺栓6預緊組成下夾具，面外剪切試樣1與防轉動夾具裝配完成後，右上夾板3、左下夾板4恰好分別包覆面外剪切試樣1剪切變形區左、右側，從而限制拉伸實驗過程中剪切變形區發生轉動。面外剪切試樣1在剪切變形過程中，上夾具與面外剪切試樣1上半部分無相對滑動，從而避免摩擦產生；下夾具與面外剪切試樣1下半部分無相對滑動，從而避免摩擦產生。
如圖2所示，面外剪切試樣1的長度為l、寬度為w、厚度為t，在面外剪切試樣1兩側沿厚度方向分別加工一個相同尺寸大小的矩形槽，槽寬h1＝h3，槽深t1＝t/2，矩形槽底部圓角半徑r，兩個矩形槽相距h2，其中h2＝t/2，在兩個矩形槽之間形成了一個長度為h2的剪切變形區。
如圖3-圖6所示，左上夾板2、右上夾板3、所述左下夾板4、右下夾板5都為t型結構，便於拉伸實驗過程中使用先進的三維數字散斑動態應變測量設備對面外剪切試樣的剪切變形區進行應變測量。左上夾板2、右上夾板3、左下夾板4、右下夾板5試樣夾持部分寬度均等於面外剪切試樣寬度，寬度均為w。左上夾板2、左下夾板4的高度均為h4，右上夾板3、右下夾板5的高度分別為h4+h1+h2，h4+h2+h3。左上夾板和右下夾板具有相同的結構和尺寸，右上夾板和左下夾板具有相同的結構和尺寸。
右上夾板3的高度比左上夾板3高h1+h2，左下夾板4的高度比右下夾板5高h2+h3。
實施例結果表明，本發明面外剪切試樣和防轉動夾具可以實現金屬板材面外剪切性能測試，獲取面外剪切應力-應變曲線以及金屬板材的面外剪切強度、面外剪切斷裂應變等力學性能，從而進一步深入理解金屬板材在面外加載條件下的變形與斷裂機理，準確預測金屬板材在小圓角成形條件下的「剪切斷裂」現象。
雖然，上文中已經用一般性說明及具體實施例對本發明作了詳盡的描述，但在本發明基礎上，可以對之作一些修改或改進，這對本領域技術人員而言是顯而易見的。因此，在不偏離本發明精神的基礎上所做的這些修改或改進，均屬於本發明要求保護的範圍。