本發(fā)明涉及到一種金屬板材面外剪切性能測(cè)試方法，屬于板材成形性能測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

為了節(jié)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(jìn)高強(qiáng)鋼強(qiáng)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(shí)現(xiàn)車身輕量化。目前，不同強(qiáng)度級(jí)別的先進(jìn)高強(qiáng)鋼材料已被廣泛運(yùn)用于各種車身結(jié)構(gòu)件中。先進(jìn)高強(qiáng)鋼強(qiáng)度較高，這也導(dǎo)致了其沖壓成形后零件的殘余應(yīng)力大，回彈現(xiàn)象嚴(yán)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(shè)計(jì)模具時(shí)采用較小的彎曲圓角半徑，并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(fā)生過早的斷裂現(xiàn)象。這種斷裂現(xiàn)象與通常在低碳鋼和低合金高強(qiáng)鋼中觀察到的頸縮斷裂現(xiàn)象有明顯的不同，斷裂位置平行于模具圓角處，斷裂之前材料并沒有明顯的頸縮現(xiàn)象，斷口處幾乎沒有發(fā)生材料的減薄。在厚度方向上，由于斷口方向與拉伸主應(yīng)力方向成45°角，因此汽車工業(yè)界中唯象地將這種拉伸狀態(tài)下彎曲圓角處的早期斷裂模式稱之為“剪切斷裂”。

金屬板材在制備過程中，軋制工藝導(dǎo)致材料內(nèi)部的微孔洞及夾雜物沿軋制方向被拉長(zhǎng)、沿厚度方向扁平化，晶粒擇優(yōu)取向形成織構(gòu)，不僅會(huì)導(dǎo)致金屬板材塑性呈現(xiàn)明顯的各向異性，還會(huì)導(dǎo)致金屬板材在板平面內(nèi)和板平面外的斷裂強(qiáng)度不同，即各向異性斷裂。此外，對(duì)于以雙相鋼為代表的一類先進(jìn)高強(qiáng)鋼而言，馬氏體島主要在金屬板材中間層形核并聚集，這種現(xiàn)象進(jìn)一步導(dǎo)致其面外剪切強(qiáng)度不同于面內(nèi)剪切強(qiáng)度。

一般而言，金屬板材在成形過程中主要受到板平面內(nèi)的載荷作用，垂直于板平面的正向應(yīng)力可以忽略不計(jì)，故傳統(tǒng)的板材成形過程通常假定為平面應(yīng)力狀態(tài)。學(xué)術(shù)界及工程界大多采用面內(nèi)實(shí)驗(yàn)來獲取金屬板材力學(xué)性能，研究并預(yù)測(cè)金屬板材的變形及失效行為。然而，在小圓角成形條件下，垂直于板平面的正向應(yīng)力顯著，材料受到復(fù)雜的剪應(yīng)力作用，特別是面外的剪應(yīng)力，板材的失效行為與板平面內(nèi)加載為主的條件下的失效行為明顯不同，此時(shí)金屬板材面外性能的影響必須考慮。為了準(zhǔn)確理解并預(yù)測(cè)金屬板材在小圓角成形條件下的“剪切斷裂”現(xiàn)象，必須建立金屬板材面外性能測(cè)試方法，設(shè)計(jì)相應(yīng)的試樣及夾具。

現(xiàn)有技術(shù)中，已有一些技術(shù)是針對(duì)厚度較厚的高強(qiáng)度管線鋼，即15～30mm厚，通過在厚度方向上設(shè)計(jì)“迷你圓棒試樣”進(jìn)行單向拉伸實(shí)驗(yàn)來獲取材料沿厚度方向的力學(xué)性能，但是對(duì)于厚度較薄的金屬板材，比如1～6mm，由于厚度尺寸的限制，這種面外性能測(cè)試方法無法實(shí)現(xiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，針對(duì)金屬板材，突破其厚度方向尺寸的限制，提供一種可以實(shí)現(xiàn)面外剪切加載的剪切試樣設(shè)計(jì)，以及防止試樣剪切變形區(qū)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的夾具設(shè)計(jì)，建立金屬板材面外剪切性能測(cè)試方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是根據(jù)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種金屬板材面外剪切性能測(cè)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(zhǎng)度為h、寬度為w的矩形毛坯；

步驟s2：在矩形毛坯一側(cè)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(gè)矩形槽貫穿矩形毛坯的寬度方向；

步驟s3：采用同樣的方式，在矩形毛坯厚度方向的另一側(cè)，相距對(duì)側(cè)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(gè)矩形槽；

步驟s4：面外剪切試樣在兩個(gè)對(duì)側(cè)加工的矩形槽之間形成了一個(gè)長(zhǎng)度為h2的剪切變形區(qū)。

步驟s5：所述面外剪切試樣的剪切變形區(qū)表面噴涂黑白相間的隨機(jī)散斑；

步驟s6：完成面外剪切試樣與防轉(zhuǎn)動(dòng)夾具的裝配，夾持于通用拉伸試驗(yàn)機(jī)的通用夾具上進(jìn)行面外剪切實(shí)驗(yàn)；

步驟s7：用先進(jìn)的三維數(shù)字散斑動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量設(shè)備對(duì)剪切變形區(qū)進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量，得到面外剪切試樣變形過程中的應(yīng)變，通過將力-位移曲線轉(zhuǎn)換成剪應(yīng)力-應(yīng)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(qū)的長(zhǎng)度，從剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線中得到金屬板材的面外剪切強(qiáng)度、面外剪切斷裂應(yīng)變的力學(xué)性能。

上述技術(shù)方案中，所述步驟s3中，兩個(gè)矩形槽之間的剪切變形區(qū)長(zhǎng)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(qiáng)度和剪切強(qiáng)度。

上述技術(shù)方案中，所述步驟s6中，所述防轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)螺栓預(yù)緊組成上夾具，所述左下夾板和所述右下夾板通過兩個(gè)螺栓預(yù)緊組成下夾具，采用上夾具和下夾具分離式結(jié)構(gòu)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(qū)的摩擦。

上述技術(shù)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(jié)構(gòu)，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于面外剪切試樣寬度。

上述技術(shù)方案中，所述左上夾板和所述右下夾板具有相同的結(jié)構(gòu)和尺寸，所述右上夾板和所述左下夾板具有相同的結(jié)構(gòu)和尺寸。

上述技術(shù)方案中，所述右上夾板的高度比左上夾板高h(yuǎn)1+h2，所述左下夾板的高度比右下夾板高h(yuǎn)2+h3。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下有益效果：

1.本發(fā)明通過設(shè)計(jì)面外剪切試樣，在金屬板材兩側(cè)沿厚度方向相距一定距離各加工一個(gè)矩形槽，在兩個(gè)矩形槽之間形成剪切變形區(qū)，從而可實(shí)現(xiàn)金屬板材面外剪切性能測(cè)試。面外剪切試樣夾持于通用拉伸試驗(yàn)機(jī)的通用夾具上即可進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，操作簡(jiǎn)單方便。

2.本發(fā)明通過設(shè)計(jì)防轉(zhuǎn)動(dòng)夾具，可有效避免面外剪切試樣拉伸實(shí)驗(yàn)過程中剪切變形區(qū)的轉(zhuǎn)動(dòng)；左上夾板、右上夾板、左下夾板、右下夾板，均設(shè)計(jì)為t型結(jié)構(gòu)，便于拉伸實(shí)驗(yàn)過程中使用先進(jìn)的三維數(shù)字散斑動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量設(shè)備對(duì)面外剪切試樣的剪切變形區(qū)進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量；防轉(zhuǎn)動(dòng)夾具采用上、下夾具分離式結(jié)構(gòu)，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(qū)之間產(chǎn)生摩擦。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它附圖。

圖1為本發(fā)明面外剪切試樣與防轉(zhuǎn)動(dòng)夾具裝配結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明面外剪切試樣尺寸示意圖；

圖3為本發(fā)明左上夾板示意圖；

圖4為本發(fā)明右上夾板示意圖；

圖5為本發(fā)明左下夾板示意圖；

圖6為本發(fā)明右下夾板示意圖；

圖中，附圖標(biāo)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(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。

圖1為本發(fā)明面外剪切試樣與防轉(zhuǎn)動(dòng)夾具裝配結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明面外剪切試樣尺寸示意圖；圖3-6為本發(fā)明各夾板示意圖；如圖1-圖6所示，本發(fā)明的一種金屬板材面外剪切性能測(cè)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(zhǎng)度為h、寬度為w的矩形毛坯；

步驟s2：在矩形毛坯一側(cè)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(gè)矩形槽貫穿矩形毛坯的寬度方向；

步驟s3：采用同樣的方式，在矩形毛坯厚度方向的另一側(cè)，相距對(duì)側(cè)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(gè)矩形槽；

步驟s4：面外剪切試樣在兩個(gè)對(duì)側(cè)加工的矩形槽之間形成了一個(gè)長(zhǎng)度為h2的剪切變形區(qū)。

步驟s5：所述面外剪切試樣的剪切變形區(qū)表面噴涂黑白相間的隨機(jī)散斑；

步驟s6：完成面外剪切試樣與防轉(zhuǎn)動(dòng)夾具的裝配，夾持于通用拉伸試驗(yàn)機(jī)的通用夾具上進(jìn)行面外剪切實(shí)驗(yàn)；

步驟s7：用先進(jìn)的三維數(shù)字散斑動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量設(shè)備對(duì)剪切變形區(qū)進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量，得到面外剪切試樣變形過程中的應(yīng)變，通過將力-位移曲線轉(zhuǎn)換成剪應(yīng)力-應(yīng)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(qū)的長(zhǎng)度，從剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線中得到金屬板材的面外剪切強(qiáng)度、面外剪切斷裂應(yīng)變的力學(xué)性能。

上述技術(shù)方案中，所述步驟s3中，兩個(gè)矩形槽之間的剪切變形區(qū)長(zhǎng)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(qiáng)度和剪切強(qiáng)度。

防轉(zhuǎn)動(dòng)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分別位于面外剪切試樣1上側(cè)矩形槽左、右兩側(cè)，通過兩個(gè)螺栓6預(yù)緊組成上夾具，左下夾板4和右下夾板5分別位于面外剪切試樣1下側(cè)矩形槽左、右兩側(cè)，通過兩個(gè)螺栓6預(yù)緊組成下夾具，面外剪切試樣1與防轉(zhuǎn)動(dòng)夾具裝配完成后，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(qū)左、右側(cè)，從而限制拉伸實(shí)驗(yàn)過程中剪切變形區(qū)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。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(duì)滑動(dòng)，從而避免摩擦產(chǎn)生；下夾具與面外剪切試樣1下半部分無相對(duì)滑動(dòng)，從而避免摩擦產(chǎn)生。

如圖2所示，面外剪切試樣1的長(zhǎng)度為l、寬度為w、厚度為t，在面外剪切試樣1兩側(cè)沿厚度方向分別加工一個(gè)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(gè)矩形槽相距h2，其中h2＝t/2，在兩個(gè)矩形槽之間形成了一個(gè)長(zhǎng)度為h2的剪切變形區(qū)。

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(jié)構(gòu)，便于拉伸實(shí)驗(yàn)過程中使用先進(jìn)的三維數(shù)字散斑動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量設(shè)備對(duì)面外剪切試樣的剪切變形區(qū)進(jìn)行應(yīng)變測(cè)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于面外剪切試樣寬度，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(jié)構(gòu)和尺寸，右上夾板和左下夾板具有相同的結(jié)構(gòu)和尺寸。

右上夾板3的高度比左上夾板3高h(yuǎn)1+h2，左下夾板4的高度比右下夾板5高h(yuǎn)2+h3。

實(shí)施例結(jié)果表明，本發(fā)明面外剪切試樣和防轉(zhuǎn)動(dòng)夾具可以實(shí)現(xiàn)金屬板材面外剪切性能測(cè)試，獲取面外剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及金屬板材的面外剪切強(qiáng)度、面外剪切斷裂應(yīng)變等力學(xué)性能，從而進(jìn)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(jī)理，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)金屬板材在小圓角成形條件下的“剪切斷裂”現(xiàn)象。

雖然，上文中已經(jīng)用一般性說明及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作了詳盡的描述，但在本發(fā)明基礎(chǔ)上，可以對(duì)之作一些修改或改進(jìn)，這對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。因此，在不偏離本發(fā)明精神的基礎(chǔ)上所做的這些修改或改進(jìn)，均屬于本發(fā)明要求保護(hù)的范圍。