CN109916686A - 一种金属板材的各向异性断裂强度的测试试样 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属板材的各向异性断裂强度的测试试样，具体包括面外剪切试样、变圆角面外剪切试样和带偏心距面外剪切试样；其包括矩形毛胚、以及开设于矩形毛坯内的第一细槽和第二细槽；其中，面外剪切试样的第一细槽和第二细槽之间形成了一个长度不超过0.6mm的剪切变形区；变圆角面外剪切试样的半圆槽的弧边由至少两段不同半径的圆弧构成；带偏心距面外剪切试样的两个半圆槽呈偏心分布。本发明提出的新型测试试样，为板材测定各向异性断裂强度提供了可靠的测试途经和物理依据。本发明能引入传统板材剪切断裂强度测试试样的设计优势，提供稳定有效的测试结果。

Description

一种金属板材的各向异性断裂强度的测试试样

技术领域

本发明涉及板材成形性能测试技术领域，具体地说，特别涉及到一种金属板材的各向异性断裂强度的测试试样。

背景技术

近年来，为了不断提高汽车碰撞安全性以及实现车身轻量化，强度高且成形性能好的先进高强钢被广泛运用到了各类车身结构件中。为了减小高强度钢板成形回弹量，提高零件的成形精度，通常在设计模具时采用较小的弯曲圆角半径，并在冲压工艺中采用较大的压边力。然而，随着弯曲圆角半径的减小，板料靠近模具圆角处的位置在成形过程中容易发生过早的断裂现象。

这种断裂现象与通常的颈缩断裂有明显的不同，裂纹平行于模具圆角，在断裂之前材料并没有明显的颈缩现象，断口处几乎没有发生材料的减薄。在厚度方向上，由于断口方向与拉伸主应力方向成45°角，因此汽车工业界中将这种拉伸状态下弯曲圆角处的早期断裂模式称为“剪切断裂”。

板料在轧制过程中产生了很大的塑性变形，通常在力学性能上表现出显著的各向异性，主要包括不同加载条件下的塑性变形行为和断裂强度各向异性。在大多数板料变形中，如冲压和碰撞，其厚度通常比其他几何尺寸小得多。因此，对于通常情况的板料成形分析来说，平面应力是一个有效的假设。由于面外应力对板料成形没有显著影响，断裂各向异性并没有实际影响。因此，平面内和平面外的断裂强度被认为是一致的。在这种情况下，各向异性不会对非平面加载条件下的断裂行为产生影响。但是，当平面外变形显著时，这种假设将不再成立。

先进高强钢板料在冲压过程中会发生小圆角半径的拉弯变形。在小圆角成形条件下，板平面的法向应力显著，材料受到复杂的剪应力作用，面外的剪应力影响显著，板材的失效行为与平面应力条件下的失效行为明显不同，此时金属板材断裂强度各向异性的影响必须考虑。为了更加准确地预测金属板材在小圆角成形条件下的“剪切断裂”现象，有必要建立金属板材各向异性断裂强度测试方法，设计更加合理的试样。

通过文献检索发现，F.Iob等人2015年发表论文“Modelling of anisotropichardening behavior for the fracture prediction in high strength steel linepipes”(“高强度管线钢断裂预测的各向异性强化建模”)，试验获取15～30mm厚的高强度管线钢沿厚度方向的力学性能。但是对于较薄(1～6mm)的金属板材，这种断裂强度测试方法无法实现。J.Peirs等人2012年发表论文“Novel Technique for Static and DynamicShear Testing of Ti6Al4V Sheet”(“Ti6Al4V板的静态与动态剪切测试新技术”)，提出几种新的剪切试样切口布置方式，使变形区应力状态更接近于纯剪切，但都局限于面内剪切试验，在板厚方向难于进行应用。

另外，本申请的方案与已有专利“金属板材面外剪切性能测试方法”中所述试样的设计参数不同，试验中剪切变形区应力状态更加接近于纯剪切，应力三轴度更小，并且采用线切割进行加工。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种金属板材的各向异性断裂强度的测试试样，其剪切变形区更接近于纯剪切应力状态的试样，为测定各向异性断裂强度提供了可靠的测试途经和物理依据。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种金属板材的各向异性断裂强度的测试试样，所述测试试样为面外剪切试样，所述面外剪切试样包括矩形毛胚、以及开设于矩形毛坯内的第一细槽和第二细槽；

所述第一细槽和第二细槽的尺寸相同，且相互对称设置；第一细槽和第二细槽贯穿矩形毛胚的宽度方向；

第一细槽和第二细槽的宽度为0.2mm、其侧壁与矩形毛坯的长度方向构成135°的夹角，第一细槽和第二细槽的底部为半径为0.1mm的半圆槽，半圆槽的圆心位于矩形毛坯厚度方向的轴线上，且两个半圆槽沿轴线方向的距离为0.6mm，第一细槽和第二细槽之间形成了一个长度不超过0.6mm的剪切变形区。

一种金属板材的各向异性断裂强度的测试试样，所述测试试样为变圆角面外剪切试样，所述变圆角面外剪切试样包括矩形毛胚、以及开设于矩形毛坯内的第一细槽和第二细槽；

所述第一细槽和第二细槽的尺寸相同，且相互对称设置；第一细槽和第二细槽贯穿矩形毛胚的宽度方向；

第一细槽和第二细槽的宽度为0.2mm、其侧壁与矩形毛坯的长度方向构成135°的夹角，第一细槽和第二细槽的底部为半径为0.1mm的半圆槽，半圆槽的弧边由至少两段不同半径的圆弧构成。

一种金属板材的各向异性断裂强度的测试试样，所述测试试样为带偏心距面外剪切试样，所述带偏心距面外剪切试样包括矩形毛胚、以及开设于矩形毛坯内的第一细槽和第二细槽；

所述第一细槽和第二细槽贯穿矩形毛胚的宽度方向，且其中一个细槽的深度大于另外一个细槽的深度；

第一细槽和第二细槽的宽度为0.2mm、其侧壁与矩形毛坯的长度方向构成135°的夹角，第一细槽和第二细槽的底部为半径为0.1mm的半圆槽；两个半圆槽中的任意一个的圆心位于矩形毛坯厚度方向的轴线上，另一个半圆槽的圆心位于与距轴线平行，偏心距为e的直线上。

进一步的，所述矩形毛坯的厚度为1mm，长度为100mm，宽度为15mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)本发明通过设计面外剪切试样，在金属板材两侧沿厚度方向相距一定距离各加工一个细槽，在两个槽之间形成剪切变形区，从而可实现金属板材面外剪切性能测试。面外剪切试样夹持于通用拉伸试验机的通用夹具上即可进行拉伸试验，操作简单方便。

2)本发明通过提出变圆角与带偏心距面外剪切试样设计，可有效地减小剪切变形区的应力三轴度，降低法向应力对试验的影响，使试样在试验中更加接近纯剪切应力状态。

附图说明

图1为本发明所述的矩形毛坯的主视图。

图2为本发明所述的测试试样的侧视图。

图3为本发明的实施例1的面外剪切试样的示意图。

图4为本发明的实施例2的面外剪切试样的示意图。

图5为本发明的实施例3的面外剪切试样的示意图。

图6为本发明所述的面外剪切试样剪切变形区应变路径示意图。

图7为本发明所述的面外剪切试样应力三轴度示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

实施例1

参见图1，图2和图3，本发明所述的一种金属板材的各向异性断裂强度的测试试样，所述测试试样为面外剪切试样，所述面外剪切试样包括矩形毛胚、以及开设于矩形毛坯内的第一细槽和第二细槽；

所述第一细槽和第二细槽的尺寸相同，且相互对称设置；第一细槽和第二细槽贯穿矩形毛胚的宽度方向；

第一细槽和第二细槽的宽度为0.2mm、其侧壁与矩形毛坯的长度方向构成135°的夹角，第一细槽和第二细槽的底部为半径为0.1mm的半圆槽，半圆槽的圆心位于矩形毛坯厚度方向的轴线上，且两个半圆槽沿轴线方向的距离为0.6mm，第一细槽和第二细槽之间形成了一个长度不超过0.6mm的剪切变形区。

实施例2

参见图1，图2和图4，本发明所述的一种金属板材的各向异性断裂强度的测试试样，所述测试试样为变圆角面外剪切试样，所述变圆角面外剪切试样包括矩形毛胚、以及开设于矩形毛坯内的第一细槽和第二细槽；

所述第一细槽和第二细槽的尺寸相同，且相互对称设置；第一细槽和第二细槽贯穿矩形毛胚的宽度方向；

第一细槽和第二细槽的宽度为0.2mm、其侧壁与矩形毛坯的长度方向构成135°的夹角，第一细槽和第二细槽的底部为半径为0.1mm的半圆槽，半圆槽的弧边由至少两段不同半径的圆弧构成。

参见图1，图2和图5，本发明所述的一种金属板材的各向异性断裂强度的测试试样，所述测试试样为带偏心距面外剪切试样，所述带偏心距面外剪切试样包括矩形毛胚、以及开设于矩形毛坯内的第一细槽和第二细槽；

所述第一细槽和第二细槽贯穿矩形毛胚的宽度方向，且其中一个细槽的深度大于另外一个细槽的深度；

第一细槽和第二细槽的宽度为0.2mm、其侧壁与矩形毛坯的长度方向构成135°的夹角，第一细槽和第二细槽的底部为半径为0.1mm的半圆槽；两个半圆槽中的任意一个的圆心位于矩形毛坯厚度方向的轴线上，另一个半圆槽的圆心位于与距轴线平行，偏心距为e的直线上。

在上述实施例1-3中，所采用的矩形毛坯的厚度为1mm，长度为100mm，宽度为15mm。

本发明的加工过程如下：

1.面外剪切试样

首先从厚度为1mm的金属板材上加工出长度为100mm、宽度为15mm的矩形毛坯；然后在矩形毛坯一侧沿厚度方向加工出宽度为0.2mm、侧壁与毛坯长度方向成135°的细槽，槽底部为半径0.1mm的半圆，圆心位于毛坯厚度方向的轴线上，整个槽贯穿矩形毛坯的宽度方向；采用同样的方式，在矩形毛坯厚度方向的另一侧，加工出与之相同尺寸，且相互对称的另一个细槽，两槽底部半圆圆心均位于毛坯厚度方向的轴线上，且沿轴线方向的距离为0.6mm。所述的面外剪切试样在两个对侧加工的细槽之间形成了一个长度不超过0.6mm的剪切变形区。

2.变圆角面外剪切试样

所述的变圆角面外剪切试样设计，即两细槽底部由多段半径不同的圆弧构成，而非一整段半圆弧。采用变圆角设计能够一定程度上减小应力三轴度，但在剪切变形区仍存在不可忽略的法向应力。

3.带偏心距面外剪切试样

所述的带偏心距面外剪切试样设计，即两细槽底部半圆圆心并非均位于毛坯厚度方向的轴线上。若其中一个槽深度更大，底部半圆圆心位于与距轴线平行，偏心距为e的直线上，则为带偏心距面外剪切试样设计。偏心的切口设计在剪切变形区产生的压缩应力补偿了剪切变形区附近材料弹性变形引起的拉应力，因此能显著减小应力三轴度。使试样具有纯剪切应力状态所需的偏心距e取决于材料的整体几何形状和力学性能。如Ti-6Al-4V合金剪切试样的偏心距e约为试样宽度的1/10。而对于杨氏模量较高的材料，应该采用更小的偏心距e，使试样在剪切变形区外的弹性变形量更小。

所述的面外剪切试样，夹持于通用拉伸试验机的通用夹具上即可进行拉伸试验，通过采用合理的防转动夹具，可以有效抑制剪切变形区转动。

面外剪切测试前，首先在面外剪切试样的剪切变形区表面喷涂黑白相间的随机散斑，然后完成面外剪切试样与防转动夹具的装配，随后即可夹持于通用拉伸试验机的通用夹具上进行面外剪切实验，同时使用先进的三维数字散斑动态应变测量设备对剪切变形区进行应变测量。

通过通用拉伸试验机记录实验过程中的力-位移曲线，通过先进的三维数字散斑动态应变测量设备可以直接得到面外剪切试样变形过程中的应变，

通过公式将力-位移曲线转换成剪应力-应变曲线，其中F为变形过程中的剪切力，W为面外剪切试样的宽度，h为剪切变形区的长度，从剪应力-应变曲线中可以获得金属板材的面外剪切强度、面外剪切断裂应变等力学性能，从而得知各向异性断裂强度。

参见图6和图7，从本发明的剪切试样剪切变形区的应变路径示意图中可以看出，剪切变形区内材料的应变路径均为主次应变比β＝-1的近似直线，试样在试验过程中经历纯剪切应变路径。从本发明面外剪切试样应力三轴度示意图中可以看出，剪切变形区内材料的应力三轴度约为0.2，试样在试验中具有较为理想的纯剪切应力状态。

实施例结果表明，本发明新型剪切试样可以实现金属板材各向异性断裂强度测试，获取面外剪切应力-应变曲线以及金属板材的面外剪切强度、面外剪切断裂应变等力学性能，从而进一步深入理解金属板材在面外加载条件下的变形与断裂机理，准确预测金属板材在小圆角成形条件下的“剪切断裂”现象。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种金属板材的各向异性断裂强度的测试试样，其特征在于：所述测试试样为面外剪切试样，所述面外剪切试样包括矩形毛胚、以及开设于矩形毛坯内的第一细槽和第二细槽；

所述第一细槽和第二细槽的尺寸相同，且相互对称设置；第一细槽和第二细槽贯穿矩形毛胚的宽度方向；

第一细槽和第二细槽的宽度为0.2mm、其侧壁与矩形毛坯的长度方向构成135°的夹角，第一细槽和第二细槽的底部为半径为0.1mm的半圆槽，半圆槽的圆心位于矩形毛坯厚度方向的轴线上，且两个半圆槽沿轴线方向的距离为0.6mm，第一细槽和第二细槽之间形成了一个长度不超过0.6mm的剪切变形区。

2.一种金属板材的各向异性断裂强度的测试试样，其特征在于：所述测试试样为变圆角面外剪切试样，所述变圆角面外剪切试样包括矩形毛胚、以及开设于矩形毛坯内的第一细槽和第二细槽；

所述第一细槽和第二细槽的尺寸相同，且相互对称设置；第一细槽和第二细槽贯穿矩形毛胚的宽度方向；

第一细槽和第二细槽的宽度为0.2mm、其侧壁与矩形毛坯的长度方向构成135°的夹角，第一细槽和第二细槽的底部为半径为0.1mm的半圆槽，半圆槽的弧边由至少两段不同半径的圆弧构成。

3.一种金属板材的各向异性断裂强度的测试试样，其特征在于：所述测试试样为带偏心距面外剪切试样，所述带偏心距面外剪切试样包括矩形毛胚、以及开设于矩形毛坯内的第一细槽和第二细槽；

所述第一细槽和第二细槽贯穿矩形毛胚的宽度方向，且其中一个细槽的深度大于另外一个细槽的深度；

第一细槽和第二细槽的宽度为0.2mm、其侧壁与矩形毛坯的长度方向构成135°的夹角，第一细槽和第二细槽的底部为半径为0.1mm的半圆槽；两个半圆槽中的任意一个的圆心位于矩形毛坯厚度方向的轴线上，另一个半圆槽的圆心位于与距轴线平行，偏心距为e的直线上。

4.根据权利要求1所述的金属板材的各向异性断裂强度测试试样，其特征在于：所述矩形毛坯的厚度为1mm，长度为100mm，宽度为15mm。