CN107478475A - 一种表征轧制差厚板力学行为的单向拉伸试样的设计方法 - Google Patents
一种表征轧制差厚板力学行为的单向拉伸试样的设计方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于金属板材性能测试领域，具体涉及一种表征轧制差厚板力学行为的单向拉伸试样的设计方法。本发明的技术方案如下：包括如下步骤：确定轧制差厚板单向拉伸试样的取样位置及大致形状：以单向拉伸试样变形区内厚区或薄区作为基准区域，选定基准区域的名义宽度bb作为基准宽度；依据是否考虑轧制差厚板的力学性能的均匀性，分别设计单向拉伸试样的变形区的几何形状；设计轧制差厚板单向拉伸试样的整体长度、夹持端宽度以及夹持端到变形区的过渡圆弧半径；根据以上步骤确定的尺寸，确定轧制差厚板单向拉伸试样的整体外形尺寸。本发明通过特殊设计的单向拉伸试样在拉伸过程中具有相同的几率发生屈服，实现利用单向拉伸实验来表征轧制差厚板的力学性能。
Description
技术领域
本发明属于金属板材性能测试领域，具体涉及一种表征轧制差厚板力学行为的单向拉伸试样的设计方法。
背景技术
轧制差厚板是一种可以实现节材减重的新产品，已经被广泛应用于汽车制造及其他工业领域。其性能测试方法目前尚无统一的标准。
单向拉伸试验是材料科学研究中广泛应用的材料力学性能检测手段之一。世界各国及国际组织制定并不断完善了拉伸试验方法标准，对试样形状和尺寸、试样类型、试验方法、试验参数等进行了规定。然而无论是我国颁布的国家标准GT/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》、美国颁布的国家标准ASTM-E8《Standard Test Methodsfor Tension Testing of Metallic Materials》或是国际标准ISO 6892-1:2009《Metallic Materials-Tensile Testing-Part 1:Method of Test At roomtemperature》，均只针对性能均匀且厚度(直径)一定的金属材料，对其单向拉伸试样的尺寸进行了详细地描述。
传统的单向拉伸试样不能用于表征轧制差厚板的力学行为，且目前并没有相应的标准用于指导轧制差厚板单向拉伸试样的形状和尺寸设计。
发明内容
本发明提供一种表征轧制差厚板力学行为的单向拉伸试样的设计方法，通过特殊设计的单向拉伸试样，使轧制差厚板不同区域的材料在拉伸过程中具有相同的几率发生屈服，实现利用单向拉伸实验来表征轧制差厚板的力学性能。
本发明的技术方案如下：
一种表征轧制差厚板力学行为的单向拉伸试样的设计方法，包括如下步骤：
步骤1：确定轧制差厚板单向拉伸试样的取样位置及大致形状：轧制差厚板单向拉伸试样的取样位置应包括轧制差厚板的部分厚区、部分薄区以及全部厚度过渡区，其中，厚区和薄区分别位于厚度过渡区的两侧，试样夹持端之间厚区与薄区的长度相等，为5-20mm；
步骤2：以单向拉伸试样变形区内厚区或薄区作为基准区域，选定基准区域的名义宽度bb作为基准宽度；
步骤3：依据是否考虑轧制差厚板的力学性能的均匀性，分别设计单向拉伸试样的变形区的几何形状；
步骤4：参照GT/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》设计轧制差厚板单向拉伸试样的整体长度、夹持端宽度以及夹持端到变形区的过渡圆弧半径；
步骤5：根据以上步骤确定的尺寸，确定轧制差厚板单向拉伸试样的整体外形尺寸。
所述的表征轧制差厚板力学行为的单向拉伸试样的设计方法，其中，针对考虑存在力学性能不均匀的轧制差厚板，设计单向拉伸试样的变形区的几何形状,包括如下步骤：
步骤一、将轧制差厚板的厚度过渡区分为长度相等的n个区域，以第i区为基准，i＝1,...n，制备n个其厚度与i区厚度ti相同、成形工艺和退火工艺与i区位置的工艺相同的等厚度板；沿轧制方向，在上述不同厚度的等厚度板上，以国标GT/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》为标准，使用电火花线切割切取等厚拉伸试样，分别进行单向拉伸试验，测量其屈服强度，为保证测量数据的准确性，屈服强度采用3次测量求平均值的方法，获得与等厚拉伸试样对应的各种厚度的等厚板的屈服强度Rei；
步骤二、以所述基准区域的材料作为基准材料，计算变形区内基准材料发生屈服时所需拉力；具体计算公式如下：
Fb＝Sb×Reb＝bb×hb×Reb (1)
其中：Fb表示基准材料发生屈服时所需拉力；Sb表示基准区域的截面积；hb表示基准区域的厚度；Reb表示与基准区域厚度相同的等厚板的屈服强度；
步骤三、确定单向拉伸试样厚度过渡区不同厚度处的截面积；具体计算公式如下：
其中：Sj表示拉伸试样过渡区j点位置处的截面积；Rej表示拉伸试样过渡区j点位置处的屈服强度。
步骤四、确定单向拉伸试样厚度过渡区不同厚度处的试样宽度；具体计算公式如下：
其中：bj表示单向拉伸试样厚度过渡区j点位置处的试样宽度；hj表示单向拉伸试样j点位置处的试样厚度；
步骤五、使用样条曲线，将变形区内各宽向的轮廓点连接起来，获得轧制差厚板单向拉伸试样变形区的几何形状。
所述的表征轧制差厚板力学行为的单向拉伸试样的设计方法，其中，针对不考虑存在力学性能不均匀的轧制差厚板，设计单向拉伸试样的变形区的几何形状包括如下步骤：
步骤A、计算基准区域截面积Sb，具体计算公式如下：
Sb＝bb×hb (4)
步骤B、将轧制差厚板单向拉伸试样的厚度过渡区放置于空间直角坐标系中，坐标原点取在过渡区左端截面的中心点，轧制方向与Y轴平行，试样厚度方向与Z轴平行，试样宽度方向与X轴平行；此时轧制差厚板位于坐标系第一象限的厚度过渡曲线的数学表达式为：
hk＝f(yk)0≤yk≤l (5)
式中k为厚度过渡区内某一横截面；2hk为该横截面的高度；yk为该横截面与坐标原点间的距离，l为轧制差厚板过渡区长度；
根据轧制差厚板过渡区类型的不同，其厚度过渡曲线如下：
1)直线型过渡区，其过渡曲线的表达式为：
f(yk)＝cyk+a 0≤yk≤l (6)
式中c、a分别为该函数的系数，为取值与过渡曲线形状有关的常数；
2)三次曲线型过渡区，其过渡曲线的表达式为：
式中c0、c1、c2、c3分别为该函数的系数，为取值与过渡曲线形状有关的常数；
步骤C、计算轧制差厚板单向拉伸试样位于坐标系第一、二象限的宽度过渡曲线的数学表达式：
式中|2bk|为该横截面的宽度；
根据轧制差厚板厚度过渡曲线的表达式的不同，宽度过渡曲线的表达式如下：
a)厚度过渡曲线为f(yk)＝cyk+a，宽度过渡区曲线的表达式为：
b)厚度过渡曲线为宽度过渡区曲线的表达式为：
步骤D、将空间坐标系内宽度过渡曲线投影到xOy平面上，获得轧制差厚板单向拉伸试样过渡区的几何形状。
本发明的有益效果为：本发明针对性能不均匀的轧制差厚板以及性能均匀的轧制差厚板，分别提出适宜的单向拉伸试样的设计方法。不仅能够使试样在单向拉伸过程中，变形集中在厚度过渡区，同时还能使轧制差厚板不同区域的材料在拉伸过程中具有相同的几率发生屈服。通过本发明特殊设计的单向拉伸试样，可利用单向拉伸试验来表征轧制差厚板材的力学性能。
附图说明
图1是实施例一中轧制差厚板几何形状示意图；其中，(a)为主视图，(b)为俯视图；
图2是实施例一中等厚度板单向拉伸试样几何形状示意图；
图3是实施例一中轧制差厚板单向拉伸试样几何形状示意图；其中，(a)为主视图，(b)为俯视图；
图4是实施例二中拉伸试样宽度过渡曲线在xOy平面上的投影；
图5是实施例二中轧制差厚板单向拉伸试样几何形状示意图；其中，(a)为主视图，(b)为俯视图；
图6是实施例三中单向拉伸试样宽度过渡曲线在xOy平面上的投影；
图7是实施例三中轧制差厚板单向拉伸试样几何形状示意图；其中，(a)为主视图，(b)为俯视图。
具体实施方式
实施例一：
本实施例针对图1所示轧制差厚板，设计用于表征其力学行为的单向拉伸试样。考虑该轧制差厚板存在力学性能不均匀性。轧制差厚板为两段式，具有一个过渡区，其具体参数：板宽：225mm；薄区：1.0mm厚，695mm长；过渡区：100mm长；厚区：2.0mm厚，85mm长；材质为HC340LA。
其单向拉伸试样设计方法如下：
步骤1、确定轧制差厚板单向拉伸试样的取样位置及大致形状；单向拉伸试样的取样位置包括轧制差厚板的部分厚区、部分薄区以及全部厚度过渡区，其中，厚区和薄区分别位于厚度过渡区的两侧，单向拉伸试样夹持端之间厚区与薄区的长度相等，为10mm；
步骤2、根据轧制差厚板的几何参数，将其厚度过渡区分为长度相等的5份，每部分长度均为20mm，每部分的最小厚度由小到大依次为1.0mm、1.2mm、1.4mm、1.6mm、1.8mm，同时考虑轧制差厚板厚区厚度2.0mm，以此6个厚度为基准，制备厚度分别为1.0mm、1.2mm、1.4mm、1.6mm、1.8mm、2.0mm，成形工艺和退火工艺与轧制差厚板相同厚度区域的工艺相同等厚度板；分别使用电火花、线切割机在6块等厚度板上沿轧制方截取等厚拉伸试样，等厚拉伸试样的几何形状如图2所示；对等厚拉伸试样进行单向拉伸实验，获得对应轧制差厚板材料的不同厚度等厚板(1.0mm、1.2mm、1.4mm、1.6mm、1.8mm、2.0mm)的屈服强度，为保证测量数据的准确性，屈服强度采用3次测量求平均值的方法；
不同厚度等厚度板的屈服强度如表1所示：
表1等厚度板的屈服强度
步骤3、选定拉伸试样变形区内薄区作为基准区域，该区域的宽度为bb＝20mm；
步骤4、计算拉伸试样变形区内薄区材料发生屈服时所需拉力为20×1×354N＝7080N；
步骤5、确定拉伸试样厚度过渡区不同厚度处的截面积；具体计算公式如下：
经过计算，拉伸试样过渡区不同厚度处材料的截面积，如表2所示：
表2拉伸试样过渡区不同厚度处材料的截面积
步骤6、确定拉伸试样厚度过渡区不同厚度处的试样宽度；具体计算公式如下：
经过计算，拉伸试样过渡区不同厚度处的试样宽度，如表3所示：
表3拉伸试样过渡区不同厚度处的试样宽度
步骤7、参照GT/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》设计变厚度单向拉伸试样的整体长度为200mm、薄区夹持端宽度为25mm、厚区夹持端宽度为15mm、薄区夹持端到变形区的过渡圆弧半径为25mm、厚区夹持端到变形区的过渡圆弧半径为12mm；
步骤8、根据以上步骤确定的尺寸，使用样条曲线，将变形区内各宽向的轮廓点连接起来，确定适用于轧制差厚板的拉伸试样的整体外形尺寸，外形如图3所示。
实施例二：
本实施例针对轧制差厚板，设计用于表征其力学行为的单向拉伸试样；该轧制差厚板经长时间高温退火，不考虑其存在力学性能不均匀性；轧制差厚板具有一个过渡区，过渡区类型为直线型过渡区；其具体参数：板宽：200mm；薄区：1.2mm厚，100mm长；过渡区：60mm长；厚区：1.8mm厚，400mm长；材质为HC340LA。
单向拉伸试样设计方法如下：
步骤1、确定轧制差厚板单向拉伸试样的取样位置及大致形状；单向拉伸试样的取样位置包括轧制差厚板的部分厚区、部分薄区以及全部厚度过渡区，其中，厚区和薄区分别位于厚度过渡区的两侧，单向拉伸试样夹持端之间厚区与薄区的长度相等，为10mm；
步骤2、以单向拉伸试样变形区内薄区作为基准区域，选定基准区域的宽度为bb＝20mm，经计算基准区域的截面积为20×1.2＝24mm2；
步骤3、将轧制差厚板单向拉伸试样的厚度过渡区放置于空间直角坐标系中，坐标原点取在过渡区左端截面的中心点，轧制方向与Y轴平行，试样厚度方向与Z轴平行，试样宽度方向与X轴平行；
此时轧制差厚板位于坐标系第一象限的厚度过渡曲线的数学表达式为：
hk＝-0.005yk+0.9 0≤yk≤60
式中k为试样过渡区内某一横截面；2hk为该横截面的高度；yk为该横截面与坐标原点间的距离；
步骤4、在步骤2中确定了基准区域截面积，步骤3中确定厚度过渡曲线的数学表达式后，计算轧制差厚板单向拉伸试样位于坐标系第一、二象限的宽度过渡曲线的数学表达式：
式中k为试样过渡区内某一横截面；|2bk|为该横截面的宽度；yk为该横截面与坐标原点间的距离；
步骤5、将空间坐标系内宽度过渡曲线投影到xOy平面上，获得轧制差厚板单向拉伸试样过渡区的几何形状；单向拉伸试样宽度过渡曲线在xOy平面上的投影如图4所示；
步骤6、参照GT/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》设计变厚度单向拉伸试样的整体长度为160mm、薄区夹持端宽度为25mm、厚区夹持端宽度为20mm、薄区夹持端到变形区的过渡圆弧半径为25mm、厚区夹持端到变形区的过渡圆弧半径为20mm；
步骤7、根据以上步骤确定的尺寸，确定适用于轧制差厚板的单向拉伸试样的整体外形尺寸，外形如图5所示。
实施例三：
本实施例针对轧制差厚板，设计用于表征其力学行为的单向拉伸试样；该轧制差厚板经长时间高温退火，不考虑其存在力学性能不均匀性；该轧制差厚板具有一个过渡区，过渡区类型为三次曲线型过渡区；其具体参数：板宽：160mm；薄区：1.6mm厚，60mm长；过渡区：60mm长；厚区：2.2mm厚，200mm长；材质为HC340LA。
单向拉伸试样设计方法如下：
步骤1、确定轧制差厚板单向拉伸试样的取样位置及大致形状；单向拉伸试样的取样位置包括轧制差厚板的部分厚区、部分薄区以及全部厚度过渡区，其中，厚区和薄区分别位于厚度过渡区的两侧，试样夹持端之间厚区与薄区的长度相等，为10mm；
步骤2、以单向拉伸试样变形区内薄区作为基准区域，选定基准区域的宽度为bb＝15mm，经计算基准区域的截面积为15×1.6＝24mm2；
步骤3、将轧制差厚板单向拉伸试样的厚度过渡区放置于空间直角坐标系中，坐标原点取在过渡区左端截面的中心点，轧制方向与Y轴平行，试样厚度方向与Z轴平行，试样宽度方向与X轴平行；
此时轧制差厚板位于坐标系第一象限的厚度过渡曲线的数学表达式为：
式中k为试样过渡区内某一横截面；2hk为该横截面的高度；yk为该横截面与坐标原点间的距离；
步骤4、在步骤2中确定了基准区域截面积，步骤3中确定厚度过渡曲线的数学表达式后，计算轧制差厚板拉伸试样位于坐标系第一、二象限的宽度过渡曲线的数学表达式：
式中|2bk|为该横截面的宽度；
步骤5、将空间坐标系内宽度过渡曲线投影到xOy平面上，获得轧制差厚板单向拉伸试样过渡区的几何形状；单向拉伸试样宽度过渡曲线在xOy平面上的投影如图6所示；
步骤6、参照GT/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》设计变厚度单向拉伸试样的整体长度为160mm、薄区夹持端宽度为20mm、厚区夹持端宽度为20mm、薄区夹持端到变形区的过渡圆弧半径为20mm、厚区夹持端到变形区的过渡圆弧半径为20mm；
步骤7、根据以上步骤确定的尺寸，确定适用于轧制差厚板的拉伸试样的整体外形尺寸，外形如图7所示。
Claims (3)
1.一种表征轧制差厚板力学行为的单向拉伸试样的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：确定轧制差厚板单向拉伸试样的取样位置及大致形状：轧制差厚板单向拉伸试样的取样位置应包括轧制差厚板的部分厚区、部分薄区以及全部厚度过渡区，其中，厚区和薄区分别位于厚度过渡区的两侧，试样夹持端之间厚区与薄区的长度相等，为5-20mm；
步骤2：以单向拉伸试样变形区内厚区或薄区作为基准区域，选定基准区域的名义宽度bb作为基准宽度；
步骤3：依据是否考虑轧制差厚板的力学性能的均匀性，分别设计单向拉伸试样的变形区的几何形状；
步骤4：参照GT/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》设计轧制差厚板单向拉伸试样的整体长度、夹持端宽度以及夹持端到变形区的过渡圆弧半径；
步骤5：根据以上步骤确定的尺寸，确定轧制差厚板单向拉伸试样的整体外形尺寸。
2.根据权利要求1所述的表征轧制差厚板力学行为的单向拉伸试样的设计方法，其特征在于，针对考虑存在力学性能不均匀的轧制差厚板，设计单向拉伸试样的变形区的几何形状,包括如下步骤：
步骤一、将轧制差厚板的厚度过渡区分为长度相等的n个区域，以第i区为基准，i＝1,...n，制备n个其厚度与i区厚度ti相同、成形工艺和退火工艺与i区位置的工艺相同的等厚度板；沿轧制方向，在上述不同厚度的等厚度板上，以国标GT/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》为标准，使用电火花线切割切取等厚拉伸试样，分别进行单向拉伸试验，测量其屈服强度，为保证测量数据的准确性，屈服强度采用3次测量求平均值的方法，获得与等厚拉伸试样对应的各种厚度的等厚板的屈服强度Rei；
步骤二、以所述基准区域的材料作为基准材料，计算变形区内基准材料发生屈服时所需拉力；具体计算公式如下：
Fb＝Sb×Reb＝bb×hb×Reb (1)
其中：Fb表示基准材料发生屈服时所需拉力；Sb表示基准区域的截面积；hb表示基准区域的厚度；Reb表示与基准区域厚度相同的等厚板的屈服强度；
步骤三、确定单向拉伸试样厚度过渡区不同厚度处的截面积；具体计算公式如下：
<mrow>
<msub>
<mi>S</mi>
<mi>j</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<msub>
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<mi>b</mi>
</msub>
<msub>
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</msub>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>2</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中：Sj表示拉伸试样过渡区j点位置处的截面积；Rej表示拉伸试样过渡区j点位置处的屈服强度。
步骤四、确定单向拉伸试样厚度过渡区不同厚度处的试样宽度；具体计算公式如下：
<mrow>
<msub>
<mi>b</mi>
<mi>j</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>S</mi>
<mi>j</mi>
</msub>
<msub>
<mi>h</mi>
<mi>j</mi>
</msub>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>3</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中：bj表示单向拉伸试样厚度过渡区j点位置处的试样宽度；hj表示单向拉伸试样j点位置处的试样厚度；
步骤五、使用样条曲线，将变形区内各宽向的轮廓点连接起来，获得轧制差厚板单向拉伸试样变形区的几何形状。
3.根据权利要求1所述的表征轧制差厚板力学行为的单向拉伸试样的设计方法，其特征在于，针对不考虑存在力学性能不均匀的轧制差厚板，设计单向拉伸试样的变形区的几何形状包括如下步骤：
步骤A、计算基准区域截面积Sb，具体计算公式如下：
Sb＝bb×hb (4)
步骤B、将轧制差厚板单向拉伸试样的厚度过渡区放置于空间直角坐标系中，坐标原点取在过渡区左端截面的中心点，轧制方向与Y轴平行，试样厚度方向与Z轴平行，试样宽度方向与X轴平行；此时轧制差厚板位于坐标系第一象限的厚度过渡曲线的数学表达式为：
hk＝f(yk)0≤yk≤l (5)
式中k为厚度过渡区内某一横截面；2hk为该横截面的高度；yk为该横截面与坐标原点间的距离，l为轧制差厚板过渡区长度；
根据轧制差厚板过渡区类型的不同，其厚度过渡曲线如下：
1)直线型过渡区，其过渡曲线的表达式为：
f(yk)＝cyk+a 0≤yk≤l (6)
式中c、a分别为该函数的系数，为取值与过渡曲线形状有关的常数；
2)三次曲线型过渡区，其过渡曲线的表达式为：
<mrow>
<mi>f</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
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<mi>y</mi>
<mi>k</mi>
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</mrow>
<mo>=</mo>
<msub>
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<mo>+</mo>
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<mn>7</mn>
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</mrow>
式中c0、c1、c2、c3分别为该函数的系数，为取值与过渡曲线形状有关的常数；
步骤C、计算轧制差厚板单向拉伸试样位于坐标系第一、二象限的宽度过渡曲线的数学表达式：
式中|2bk|为该横截面的宽度；
根据轧制差厚板厚度过渡曲线的表达式的不同，宽度过渡曲线的表达式如下：
a)厚度过渡曲线为f(yk)＝cyk+a，宽度过渡区曲线的表达式为：
b)厚度过渡曲线为宽度过渡区曲线的表达式为：
步骤D、将空间坐标系内宽度过渡曲线投影到xOy平面上，获得轧制差厚板单向拉伸试样过渡区的几何形状。
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