CN109238847A - 金属材料拉伸厚度减薄率三维测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属材料拉伸厚度减薄率三维测量方法，包括以下步骤：1)测量板材拉伸试样的初始宽度W和初始厚度h；2)拉伸试验；3)拉伸试验结束后，将试样左、右断样拼接在一起，以横向中心线为参照，在试样左、右断样距离横向中心线偏离W长度处划左右两条横向切割标记线；4)沿左、右断样上横向切割标记线切割试样，截取试样的颈缩区；5)将左、右截取下来的断样，分别沿纵向进行分切成6份；6)镶样：8)在左分切样镶样上，通过数值读数显微镜测量各分切样厚度减薄率；9)计算测试材料的断后减薄率和失稳减薄率。本发明测量结果科学可靠，对生产指导意义更大。

Description

金属材料拉伸厚度减薄率三维测量方法

技术领域

本发明涉及金属材料力学性能测试技术，尤其涉及一种金属材料拉伸厚度减薄率三维测量方法。

背景技术

目前拉伸试验相关的标准中，无论国家标准GB/T 228.1-2010，还是国外标准都没有规定减薄率这一检测项目或指标。实际上减薄率无论是对于薄壁管材和薄板材的成形加工领域，还是厚壁管材和厚板材的断裂失效分析来说都是非常重要的，如厚度减薄率、厚度梯度等参数在工程上可作为材料制造过程中设计控制依据、结构失效分析的判据，在理论上也可以作为预测材料成形极限及断裂的判据。

另外在金属薄板带成形加工领域有一个表征材料抵抗厚度减薄能力的参数-塑性应变比(r值)，但是该参数表征材料抵抗减薄能力不直接，也不形象，绝大部分金属薄板带成形数值模拟的结果仍然以厚度减薄率来描叙材料的成形性能高低、成形工艺优劣和成形质量好坏。如果在拉伸试验或r值测试时顺带提供一个直接形象的厚度减薄率，则给金属薄板带成形加工领域多一个选择也是有意义的。因此拉伸试样厚度减薄率的测试非常有必要。

文献《板材拉伸破裂厚度分布及成形极限预测》中提出方法一：将拉伸试验断后试样分切制成镶块，在显微硬度仪上测试了试样中心线厚度随离断口距离远近的变化规律，并求得了厚度梯度。另外，文献《金属板材拉伸厚度减薄率的测试研究》中提出了方法二：在拉伸试验断后试样上做中心线标记，并标记距离断口不同间隔的测量点，采用尖头千分尺测量各标记点的厚度，除以原始厚度，得到厚度减薄率的测试方法。这两种方法均为手动测量方法，方法一制样过程复杂，测试效率低；方法二测试过程简单，操作便捷，但是手动测点太多，后期数据处理也较为繁琐，而且人工测量误差较大，影响测试精度。

综合来说，以上两种方法均存在一个问题，它们仅测试了试样中心线上的厚度减薄率，假定试样沿宽度方向各处的厚度减薄率是一致的。实际上试样在拉伸断裂后观察断口附近各处的沿宽度方向厚度减小是有略微区别的，如果精确分析，厚度减薄率计算不应忽略其沿宽度方向的不一致性。本发明专利设计了一种厚度减薄率的三维测量方法，能实现宽度方向厚度减薄率的统计分析，得到更为精确的厚度减薄率计算值。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种金属材料拉伸厚度减薄率三维测量方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种金属材料拉伸厚度减薄率三维测量方法，包括以下步骤：

1)测量板材拉伸试样的初始宽度W和初始厚度h；

2)按照GB/T228-2010室温拉伸国家标准中拉伸速率开展拉伸试验；

3)拉伸试验结束后，将试样左、右断样拼接在一起，以横向中心线为参照，在试样左、右断样距离横向中心线偏离W长度处划左右两条横向切割标记线；

4)沿左、右断样上横向切割标记线切割试样，截取试样上颈缩区；

5)将左、右截取下来断样，分别沿纵向进行分切成6份；考虑试样发生颈缩后上、下面会有变形，不再与纵向中心线平行，上、下变形区域宽度约为W/20。具体如下：首先分切上、下W/20宽两份试样，再分切宽度为W/5的两份试样，前四份正好分切试样宽度的1/2。剩余W/2宽度试样沿纵向中心线分切，至此，形成左、右断样各6份分切样；

6)镶样：选择左侧6份分切样，将宽度为W/20的两个分切样临近原始试样纵向中心线一侧的厚度切面镶嵌到镶嵌料上，再将宽度为W/5的两个分切样临近原始试样纵向中心线一侧的厚度切面镶嵌到镶嵌料上，最后将中间宽度为W/4的一个分切样与原始试样纵向中心线重合一侧的厚度切面镶嵌到镶嵌料上，完成5条纵向分切线对于切面的厚度截面镶样；

7)依据第6步，完成右侧5条纵向分切线对于切面的厚度截面镶样。

8)在左分切样镶样上，通过数值读数显微镜测量各分切样厚度减薄率，第i个厚度截面上厚度减薄率：

其中：h_ij为各分切样厚度，其中i为分切出来的厚度截面编号，j为每个厚度截面上测点序号；

9)断后减薄率为试样断裂后断口处最大厚度减薄率，对于第i个厚度截面上断后减薄率即为η_ij的最大值

10)失稳减薄率为试样有均匀减薄向颈缩转变的拐点，绘制第i个厚度截面上厚度减薄率η_ij随距离断口距离L变化的曲线，选取曲线前5点拟合获得第一直线，后10点拟合获得第二直线，两条直线交点对应的厚度减薄率即为失稳减薄率η_i ^t；

11)单侧5个厚度截面上厚度减薄率是有差别的，通过取5个断后减薄率的平均值代表单侧断样的平均断后减薄率，所以单侧断样断后减薄率应表示为：

通过取5个失稳减薄率的平均值代表单侧断样的平均失稳减薄率，所以单侧断样失稳减薄率应表示为：

其中：k表示左、右两侧。

12)再考虑左、右断样厚度变化的不一致，取左、右断样的断后减薄率和失稳减薄率平均值作为最终测试材料的断后减薄率和失稳减薄率：

其中：k用a,b表示，分别表示左、右两侧。

按上述方案，所述步骤8)中，显微镜要求放大倍数10倍至50倍，读数精度要求0.001mm，单个分切试样测试厚度减薄率方法为，在距离断口3mm内，每隔0.2mm间隔测试一点的分切样厚度h_ij,在距离断后3mm至W区间，每隔1mm间隔测试一点的分切样厚度h_ij。

本发明产生的有益效果是：

1)该发明专利考虑了厚度减薄率沿宽度方向的不均匀性，提出了一种长度和宽度方向均做统计测量的三维厚度减薄率测量方法。

2)相对传统的仅测量纵向中轴线上的厚度减薄率，本发明测试了沿宽度方向5个不同厚度截面的厚度减薄率，再取5个截面的厚度减薄率特征值断后减薄率和失稳减薄率平均值作为材料的真实厚度减薄率特征值。测量结果更加科学可靠，对生产指导意义更大。

3)采用显微镜测量，测试最小间距为0.2mm，测量厚度精度达到0.001mm。测试结果相对手动用尖头千分尺测量方法，颈缩区测试点密度更高，最终得到的厚度减薄率特征值失稳减薄率更加精确。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的横向切割示意图；

图2是本发明实施例的纵向分切示意图；

图3是本发明实施例的左侧分切样厚度截面金相镶样示意图；

图4是本发明实施例的厚度减薄率随距离断口距离L变化的曲线示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种金属材料厚度减薄率的三维测量方法，具体如下：

1)测量板材拉伸试样的初始宽度W和初始厚度h。

2)按照GB/T228-2010室温拉伸国家标准中拉伸速率开展拉伸试验。

3)拉伸试验结束后，将断样拼接在一起，以横向中心线为参照，在试样左、右断样上距离横向中心线偏离W长度处划横向切割标记线。

4)沿左、右断样上横向切割标记线切割试样，截取试样上颈缩区。

5)将左、右截取下来断样，分别沿纵向进行分切成6份。考虑试样发生颈缩后上、下面会有变形，不再与纵向中心线平行，上、下变形区域宽度约为W/20。首先分切上、下W/20宽两份试样。再分切宽度为W/5的两份试样。前四份正好分切试样宽度的1/2。剩余W/2宽度试样沿纵向中心线分切。至此，形成左、右断样各6份分切样。

6)选择左侧6份分切样，将宽度为W/20的两个分切样临近原始试样纵向中心线一侧的厚度切面镶嵌到镶嵌料上。再将宽度为W/5的两个分切样临近原始试样纵向中心线一侧的厚度切面镶嵌到镶嵌料上。最后将中间宽度为W/4的一个分切样与原始试样纵向中心线重合一侧的厚度切面镶嵌到镶嵌料上。完成5条纵向分切线对于切面的厚度截面镶样。

7)依据第6步，完成右侧5条纵向分切线对于切面的厚度截面镶样。

8)在左分切样镶样上，通过数值读数显微镜测量各分切样厚度减薄率。显微镜要求放大倍数10倍-50倍。读数精度要求0.001mm。单个分切试样测试厚度减薄率方法为，在距离断口3mm内，每隔0.2mm间隔测试一点的分切样厚度h_ij,在距离断后3mm-W区间，每隔1mm间隔测试一点的分切样厚度h_ij。故，第i个厚度截面上厚度减薄率：

其中：其中i为分切出来的厚度截面编号，j为每个厚度截面上测点序号。

9)断后减薄率为试样断裂后断口处最大厚度减薄率，对于第i个厚度截面上断后减薄率即为η_ij的最大值

10)失稳减薄率为试样有均匀减薄向颈缩转变的拐点。绘制第i个厚度截面上厚度减薄率η_ij随距离断口距离L变化的曲线，选取曲线前5点拟合直线1，后10点拟合直线2，两条直线交点对应的厚度减薄率即为失稳减薄率η_i ^t。

11)单侧5个厚度截面上厚度减薄率是有差别的，通过取5个断后减薄率的平均值代表单侧断样的平均断后减薄率。所以单侧断样断后减薄率应表示为：

通过取5个失稳减薄率的平均值代表单侧断样的平均失稳减薄率。所以单侧断样失稳减薄率应表示为：

其中：k表示左、右两侧。

12)再考虑左、右断样厚度变化的不一致，取左、右断样的断后减薄率和失稳减薄率平均值作为最终测试材料的断后减薄率和失稳减薄率：

其中：k用a,b表示，分别表示左、右两侧。

以下为本发明的一个具体实施例：

具体实施过程说明如下：

1.按照图1所示，将板材拉伸断后试样拼接在一起，确定横向中心线位置，在在试样左、右断样上距离横向中心线偏离W长度处划横向切割标记线。

2.沿左、右断样上横向切割标记线切割试样，截取试样上颈缩区a和b，如图2所示。

3.沿图2中1-5共计5条纵向分切线，分切试样，1和5号分切线距离上下表面W/20，2和4号分切线距离3号分切线W/4,3号分切线为纵向中心线。

4.将左断样1至5号分切线对应的分切厚度截面做好标记a-1至a-5，镶嵌到金相试样上，如图3所示。同样将右断样1至5号分切线对应的分切厚度截面做好标记b-1至b-5，镶嵌到另一金相试样上。

5.对a-1至a-5厚度截面，分别在距离断口3mm内，每隔0.2mm间隔测试一点的分切样厚度h_ij，在距离断后3mm-W区间，每隔1mm间隔测试一点的分切样厚度h_ij。然后根据公式(1)计算第i个厚度截面上厚度减薄率.

6.根据测得的第i个厚度截面上厚度减薄率h_ij绘制厚度减薄率η_ij随距离断口距离L变化的曲线，选取曲线前5点拟合直线1，后10点拟合直线2，两条直线交点对应的厚度减薄率即为失稳减薄率η_i ^t。断后减薄率为η_ij的最大值表1为某钢板拉伸试样第i个厚度截面上厚度减薄率η_ij原始数据实例。图4为依据表1中数据绘制厚度减薄率η_ij随距离断口距离L变化的曲线，两条拟合直线交点对应纵坐标即为失稳减薄率η_i ^t，对应值为6.43％。断后减薄率为59.15％。

表1某钢板拉伸试样第i个厚度截面上厚度减薄率原始数据实例

7.根据第6步步骤测量左断样上其他4个厚度截面的厚度减薄率η_ij，求得相应截面的断后减薄率和失稳减薄率η_i ^t。实例中钢板测得断后减薄率和失稳减薄率如表2所示。

表2实例钢板各厚度截面断后减薄率和失稳减薄率

8.根据公式(2)和公式(3)，计算左断样平均断后减薄率和失稳减薄率然后重复步骤6和步骤7，得到右断样上各厚度截面的厚度减薄率η_ij，断后减薄率和失稳减薄率η_i ^t，也可计算得到右断样平均断后减薄率和失稳减薄率实例中钢板左断样和右断样测试的断后减薄率和失稳减薄率如表3所示。根据公式(4)和公式(5)计算材料最终的断后减薄率η^max和失稳减薄率η^t分别为59.73％和8.19％。

表3实例钢板左断样和右断样测试的断后减薄率和失稳减薄率

以上是对本发明的实施实例的详细描述。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种金属材料拉伸厚度减薄率三维测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)测量板材拉伸试样的初始宽度W和初始厚度h；

2)对试样开展拉伸试验；

3)拉伸试验结束后，将试样左、右断样拼接在一起，以横向中心线为参照，在试样左、右断样距离横向中心线偏离W长度处划左右两条横向切割标记线；

4)沿左、右断样上横向切割标记线切割试样，截取试样的颈缩区；

5)将左、右截取下来断样，分别沿纵向进行分切成6份；具体如下：首先分切上、下W/20宽两份试样，再分切宽度为W/5的两份试样，前四份正好分切试样宽度的1/2；剩余W/2宽度试样沿纵向中心线分切，至此，形成左、右断样各6份分切样；

6)镶样：选择左断样的6份分切样，将宽度为W/20的两个分切样临近原始试样纵向中心线一侧的厚度切面镶嵌到镶嵌料上，再将宽度为W/5的两个分切样临近原始试样纵向中心线一侧的厚度切面镶嵌到镶嵌料上，最后将中间宽度为W/4的一个分切样与原始试样纵向中心线重合一侧的厚度切面镶嵌到镶嵌料上，完成5条纵向分切线对于切面的厚度截面镶样；

7)依据步骤6)的方法，完成右侧5条纵向分切线对于切面的厚度截面镶样；

8)在左分切样镶样上，通过数值读数显微镜测量各分切样厚度减薄率，第i个厚度截面上厚度减薄率：

其中：h_ij为各分切样厚度，其中i为分切出来的厚度截面编号，j为每个厚度截面上测点序号；

9)断后减薄率为试样断裂后断口处最大厚度减薄率，对于第i个厚度截面上断后减薄率即为η_ij的最大值

10)失稳减薄率为试样有均匀减薄向颈缩转变的拐点，绘制第i个厚度截面上厚度减薄率η_ij随距离断口距离L变化的曲线，选取曲线前5点拟合获得第一直线，后10点拟合获得第二直线，两条直线交点对应的厚度减薄率即为失稳t

减薄率η_i；

11)取5个断后减薄率的平均值代表单侧断样的平均断后减薄率，所以单侧断样断后减薄率表示为：

取5个失稳减薄率的平均值代表单侧断样的平均失稳减薄率，所以单侧断样失稳减薄率表示为：

其中：k表示左、右两侧。

12)取左、右断样的断后减薄率和失稳减薄率平均值作为最终测试材料的断后减薄率和失稳减薄率：

其中：k用a,b表示，分别表示左、右两侧。

2.根据权利要求1所述的金属材料拉伸厚度减薄率三维测量方法，其特征在于，所述步骤8)中，显微镜要求放大倍数10倍至50倍，读数精度要求0.001mm，单个分切试样测试厚度减薄率方法为，在距离断口3mm内，每隔0.2mm间隔测试一点的分切样厚度h_ij,在距离断后3mm至W区间，每隔1mm间隔测试一点的分切样厚度h_ij。