CN110333137A - 一种薄壁板管材料压缩性能测试试样、夹具及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种薄壁板管材料压缩性能测试试样、夹具和方法，试样具体可加工成长方体立柱试样、曲面立柱试样或圆柱试样，夹具包括两个上下对称设置的压头，通过数字散斑测量系统测量上、下压头的相对位移，以确定压缩试样的压缩位移和应变；结合数字散斑测量系统获得的时间应变曲线和电子万能试验机记录的时间载荷曲线处理得到试样的压缩应力‑应变关系。本发明构思巧妙，夹具通用性强制作简单，试样制作简单快捷，通过对观察面制备散斑避免了对每个试样制作散斑带来的时间消耗，克服了小试样表面散斑难以识别的问题；适用于薄壁板管材料不同温度下压缩性能的测试，可以实现较大的变形量，且变形稳定均匀。

Description

一种薄壁板管材料压缩性能测试试样、夹具及方法
技术领域
本发明涉及材料力学性能测试设备技术领域，尤其涉及一种薄壁板管材料压缩性能测试试样、夹具及方法。
背景技术
薄壁板管类构件作为一类量大面广的结构和功能构件，由于其能够从材料和结构两个方面同时满足当前高端装备制造业对产品高性能、轻量化、高强韧及低耗能的要求，广泛地应用于航空、航天、汽车和能源等诸多重大战略性产业。然而，这一类材料往往要经过复杂的加工成形过程，如挤压、轧制、弯曲、拉深等。在这些成形过程中，薄壁板管类材料往往需要承受复杂的局部压缩应力状态，其在很大程度上影响着材料成形性能和构件成形质量。因此，必须准确测量薄壁板管材料的压缩力学性能，以实现材料塑性变形行为的准确预测和精确控制。
目前，已有国家标准和相关文献对薄壁板材压缩性能提出了相应的测试方法。国标GB/T 7314-2005规定对于厚度在2～10mm的板材使用矩形板试样压缩试验，对于0.1～2mm的薄壁板材使用带凸耳板状试样压缩试验，但上述试样需要夹持在约束装置内进行试验，会产生较大的摩擦力，试验结果的准确性难以保证，同时不能测量板材的高温压缩性能。文献(F.Yoshida,T.Uemori,K.Fujiwara.Elastic-plastic behavior of steelsheets under in-plane cyclic tension-compression at large strain.Int.J.ofPlast.2002,18:633～659)提出了一种堆叠试样压缩法来获得薄板的压缩性能，该方法可以有效解决薄壁板材压缩失稳，但各叠片之间采用丙烯酸粘结剂粘接，试样之间在粘接时存在间隙，粘结不适会使叠片分离，影响试验的继续进行，极大地限制了其使用范围。专利《测定板料单向压缩状态下真实应力-应变曲线的试验装置》(专利公告号：CN 102539253B)所发明的试验装置工装模具复杂，成本高，且试样与模具间存在较大的摩擦力，且该方法无法满足高温压缩性能的测试，试验结果的准确性难以保证。专利《一种板材压缩性能测试试样、夹具及方法》(专利号：CN201810371310)可以测试不同温度下材料的压缩性能，但设计的试样较为复杂，试验准确性受试验机同轴度的影响较大，试验机同轴度较低时压缩过程试样易发生失稳，难以获得准确的压缩性能。对于薄壁管材，由于薄壁结构和弧形曲面的限制，在压缩过程中材料极易发生失稳，且难以借鉴薄壁板材的压缩测试方法进行试验，因此压缩性能的测试一直是一个有待解决的难题。
基于上述问题，为了准确获得薄壁板管材料在压缩应力状态下的力学性能，迫切需要设计一种用于薄壁板管材料在不同温度下压缩性能的测试方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种薄壁板管材料压缩性能测试试样、夹具及方法，适用于薄壁板管材料不同温度下的压缩性能测试，并实现较大的变形量，解决现有技术薄壁板管材料在压缩过程中易失稳，试验结果不准确的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明一种薄壁板管材料压缩性能测试试样，包括长方体立柱试样、曲面立柱试样和圆柱试样，所述长方体立柱试样通过机械加工从薄壁板材上切取制成，所述长方体立柱试样的长度为宽度的1～2倍，长方体立柱试样的高度为长度和宽度均值的1～2倍；所述曲面立柱试样通过机械加工从薄壁管坯上沿管材轴向切取制成，所述薄壁管坯的厚度为所述曲面立柱试样的宽度，曲面立柱试样的长度为宽度的1～2倍，曲面立柱试样的高度应为长度和宽度均值的1～2倍；所述圆柱试样通过机械加工从板材和管材切取制成，所述圆柱试样的高度为底面直径的1～2倍。
进一步的，所述长方体立柱试样、曲面立柱试样和圆柱试样的高度大于3mm时，所述长方体立柱试样、曲面立柱试样和圆柱试样的外表面制作散斑。
一种薄壁板管材料压缩性能测试夹具，所述夹具与如上所述的试样相匹配，包括两个上下对称设置的压头，所述压头包括上压头和下压头，所述上压头和下压头的结构相同，所述上压头包括圆柱结构的连接部和长方体的工作部，所述连接部与试验机上的压头连接在一起，相对的两个所述工作部与试样接触进行压缩实验作业。
进一步的，所述工作部包括与所述试样接触用的接触面和实验数据观察用的观察面，所述观察面的外表面制作有散斑。
再进一步的，所述接触面的宽度应大于试样厚度的两倍，接触面的表面设置为光滑面；所述观察面的长度和宽度大于3mm，所述散斑制作时，首先在所述观察面上均匀喷涂一层耐高温哑光白色油漆，待油漆干后，喷涂不均匀的耐高温哑光黑色斑点状油漆。
再进一步的，所述接触面在试验过程中涂抹有润滑剂，所述润滑剂具体采用石墨粉。
再进一步的，所述上压头和下压头在压缩试验中不发生变形，具体采用高强度钢材料制作，所述高强度钢材料包括H13钢、K403。
一种薄壁板管材料压缩性能测试方法，利用如上所述的薄壁板管材料压缩性能测试夹具对如上所述的试样进行测试，其具体步骤如下：
步骤一，试样的制备：根据需要测试的板材或者管材，通过机械设备切取合适的试样，所述试样具体制作为长方体立柱试样、曲面立柱试样或圆柱试样；
步骤二，压头和散斑制作：首先是压头的制作，所述上压头和下压头材料的选择并根据设计规格进行备料，所述压头通过数控车床加工成型，所述压头工作部需要通过铣床、磨床进一步加工以获得需要的光滑面；其次是散斑的制作，在加工好的所述工作部的观察面上先均匀喷涂一层耐高温哑光白色油漆，待油漆干后，喷涂不均匀的耐高温哑光黑色斑点状油漆，散斑制作完成；最后是将上压头和下压头组装到电子万能试验机上，所述上压头和下压头的连接部嵌入试验机压头的凹槽中；
步骤三，数字散斑系统准备：首先，打开所述基于数字图像相关技术的数字散斑测量系统，将数字散斑测量系统所用摄像机的焦距定在试样所处的焦平面内，调整摄像机光圈大小，保证获得清晰的散斑图片即可，要求上下压头的观察面均在相机视野内；
步骤四，压缩试验：打开所述电子万能试验机，将所述试样放置在上压头和下压头之间，设置好电子万能试验机的压头速率和最大压缩位移，进行压缩试验；同时采用数字应变散斑测量仪，对上压头和下压头的观察面的位移场进行测量，获得上压头和下压头的时间位移数据；电子万能试验机记录时间载荷数据；
步骤五，数据处理：由于压缩过程中压头不发生变形，因此上压头和下压头的相对位移即为试样的压缩位移，处理可得试样压缩的时间应变曲线，与电子万能试验机测量的时间载荷曲线结合，处理得到试样的压缩应力-应变关系图。
进一步的，所述步骤四中，如选用制作有散斑的试样，所述数字散斑测量系统直接记录试样的压缩位移；每次压缩试验完成后，重新安装新的试样进行下一次试验。
再进一步的，高温实验时将所述电子万能试验机的压头和所述压缩试样和夹具均放置在带玻璃窗口的高温炉中进行试验，所述数字散斑测量系统对准玻璃窗口内的带散斑的试样或上压头和下压头的观察面并记录压缩实验时的位移。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
本发明是一种薄壁板管材料压缩性能测试试样、夹具和方法，该方法通过基于数字图像相关技术的数字散斑测量系统测量上、下压头的相对位移，以确定压缩试样的压缩位移，避免了直接采用电子万能试验机横梁位移导致压缩位移测量不准的问题；结合数字散斑测量系统获得的时间应变曲线和电子万能试验机记录的时间载荷曲线处理得到试样的压缩应力-应变关系。本发明构思巧妙，夹具通用性强制作简单，对管材和板材的试样均适用；压缩试样根据测试对象具体可制作为长方体立柱试样、曲面立柱试样或圆柱试样，制作简单快捷，对于薄壁材料(厚度在0.1～4mm)均适用；对观察面制备散斑避免了对每个试样制作散斑带来的时间消耗，克服了小试样表面散斑难以识别的问题；该方法适用于薄壁板管材料不同温度下压缩性能的测试，可以实现较大的变形量，且变形稳定均匀，消除了薄壁板管材料在压缩过程中失稳的问题。
附图说明
下面结合附图说明对本发明作进一步说明。
图1为本发明薄壁板管材料压缩性能测试装置示意图；
图2-1、2-2分别为本发明长方体立柱试样、曲面立柱试样的示意图；
图3-1、3-2、3-3分别为本发明压头的主视图、左视图和俯视图；
图4为本发明试样压缩应力-应变关系图；
附图标记说明：1、上压头；2、试样；3、下压头；4、接触面；5、观察面。
具体实施方式
如图2-1、2-2所示，一种薄壁板管材料压缩性能测试试样，包括长方体立柱试样、曲面立柱试样和圆柱试样，所述长方体立柱试样通过机械加工从薄壁板材上切取制成，所述长方体立柱试样的长度L为宽度W的1～2倍，长方体立柱试样的高度H为长度和宽度W均值的1～2倍；所述曲面立柱试样通过机械加工从薄壁管坯上沿管材轴向切取制成，所述薄壁管坯的厚度为所述曲面立柱试样的宽度，曲面立柱试样的长度L为宽度W的1～2倍，曲面立柱试样的高度H应为长度L和宽度W均值的1～2倍；所述圆柱试样通过机械加工从板材和管材切取制成，所述圆柱试样的高度为底面直径的1～2倍。
具体的，所述长方体立柱试样、曲面立柱试样和圆柱试样的高度大于3mm时，所述长方体立柱试样、曲面立柱试样和圆柱试样的外表面制作散斑。
如图1、3-1、3-2、3-3所示，一种薄壁板管材料压缩性能测试夹具，所述夹具与如上所述的试样相匹配，包括两个上下对称设置的压头，所述压头包括上压头1和下压头3，所述上压头1和下压头3的结构相同，所述上压头1包括圆柱结构的连接部和长方体的工作部，所述连接部与试验机上的压头连接在一起，相对的两个所述工作部与试样2接触进行压缩实验作业。
具体的，所述工作部包括与所述试样2接触用的接触面4和实验数据观察用的观察面5，所述观察面5的外表面制作有散斑。所述接触面4的宽度应大于试样厚度的两倍，接触面4的表面设置为光滑面；所述观察面5的长度和宽度大于3mm，所述散斑制作时，首先在所述观察面5上均匀喷涂一层耐高温哑光白色油漆，待油漆干后，喷涂不均匀的耐高温哑光黑色斑点状油漆。
所述接触面4在试验过程中涂抹有润滑剂，所述润滑剂具体采用石墨粉以减小摩擦。所述上压头1和下压头3在压缩试验中不发生变形，具体采用高强度钢材料制作，所述高强度钢材料优先选用H13钢、K403，但不限于此两种材料，只要保证在实验过程中上压头1和下压头3不会发生变形的材料均可以使用。
一种薄壁板管材料压缩性能测试方法，利用如上所述的薄壁板管材料压缩性能测试夹具对所述的试样进行测试，其具体步骤如下：
步骤一，试样的制备：根据需要测试的板材或者管材，通过机械设备切取合适的试样，所述试样具体制作为长方体立柱试样、曲面立柱试样或圆柱试样，试样可通过线切割或数控车磨床等加工出来；
步骤二，压头和散斑制作：首先是压头的制作，所述上压头1和下压头3材料的选择并根据设计规格进行备料，所述压头通过数控车床加工成型，所述压头工作部需要通过铣床、磨床进一步加工以获得需要的光滑面；
其次是散斑的制作，在加工好的所述工作部的观察面5上先均匀喷涂一层耐高温哑光白色油漆，待油漆干后，喷涂不均匀的耐高温哑光黑色斑点状油漆，散斑制作完成；
最后是将上压头1和下压头3组装到电子万能试验机上，所述上压头1和下压头3的连接部嵌入试验机压头的凹槽中；
步骤三，数字散斑系统准备：首先，打开所述基于数字图像相关技术的数字散斑测量系统，将数字散斑测量系统所用摄像机的焦距定在试样所处的焦平面内，调整摄像机光圈大小，保证获得清晰的散斑图片即可，要求上下压头的观察面均在相机视野内；
步骤四，压缩试验：打开所述电子万能试验机，将所述试样放置在上压头1和下压头3之间，设置好电子万能试验机的压头速率和最大压缩位移，进行压缩试验；同时采用数字应变散斑测量仪，对上压头1和下压头3的观察面5的位移场进行测量，获得上压头1和下压头3的时间位移数据；电子万能试验机记录时间载荷数据；
步骤五，数据处理：由于压缩过程中压头不发生变形，因此上压头1和下压头3的相对位移即为试样的压缩位移，处理可得试样压缩的时间应变曲线，与电子万能试验机测量的时间载荷曲线结合，处理得到试样的压缩应力-应变关系图。
所述步骤四中，如选用制作有散斑的试样，所述数字散斑测量系统直接记录试样的压缩位移；每次压缩试验完成后，重新安装新的试样进行下一次试验，操作方便快捷。高温实验时将所述电子万能试验机的压头和所述压缩试样和夹具均放置在带玻璃窗口的高温炉中进行试验，所述数字散斑测量系统对准玻璃窗口内的带散斑的试样或上压头1和下压头3的观察面5并记录压缩实验时的位移。
本发明的具体工作过程如下：
以76.2×1.07mm规格的CP3纯钛管材为例，按照上述步骤，线切割制作曲面立柱试样，宽度1.07mm，长度2mm，高度3mm；对观察面5制作散斑，安装好数字散斑测量系统、电子万能试验机等试验装置，并进行实验，实验温度分别为298K、423K、523K下的压缩试验，获得了如图4所示的压缩应力应变曲线。
本发明一种基于数字图像相关技术的薄壁板管材料压缩性能测试试样、夹具及方法，适用于薄壁板管材料不同温度下压缩性能测试，该方法可以实现较大的变形量，且变形稳定均匀，可准确获得薄壁板管材料的压缩性能，消除了薄壁板管材料在压缩过程中失稳的问题。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种薄壁板管材料压缩性能测试试样，其特征在于：包括长方体立柱试样、曲面立柱试样和圆柱试样，所述长方体立柱试样通过机械加工从薄壁板材上切取制成，所述长方体立柱试样的长度为宽度的1～2倍，长方体立柱试样的高度为长度和宽度均值的1～2倍；
所述曲面立柱试样通过机械加工从薄壁管坯上沿管材轴向切取制成，所述薄壁管坯的厚度为所述曲面立柱试样的宽度，曲面立柱试样的长度为宽度的1～2倍，曲面立柱试样的高度应为长度和宽度均值的1～2倍；
所述圆柱试样通过机械加工从板材和管材切取制成，所述圆柱试样的高度为底面直径的1～2倍。
2.根据权利要求1所述的薄壁板管材料压缩性能测试试样，其特征在于：所述长方体立柱试样、曲面立柱试样和圆柱试样的高度大于3mm时，所述长方体立柱试样、曲面立柱试样和圆柱试样的外表面制作散斑。
3.一种薄壁板管材料压缩性能测试夹具，所述夹具与权利要求1-2所述的试样相匹配，其特征在于：包括两个上下对称设置的压头，所述压头包括上压头(1)和下压头(3)，所述上压头(1)和下压头(3)的结构相同，所述上压头(1)包括圆柱结构的连接部和长方体的工作部，所述连接部与试验机上的压头连接在一起，相对的两个所述工作部与试样(2)接触进行压缩实验作业。
4.根据权利要求3所述的薄壁板管材料压缩性能测试夹具，其特征在于：所述工作部包括与所述试样(2)接触用的接触面(4)和实验数据观察用的观察面(5)，所述观察面(5)的外表面制作有散斑。
5.根据权利要求4所述的薄壁板管材料压缩性能测试夹具，其特征在于：所述接触面(4)的宽度应大于试样厚度的两倍，接触面(4)的表面设置为光滑面；所述观察面(5)的长度和宽度大于3mm，所述散斑制作时，首先在所述观察面(5)上均匀喷涂一层耐高温哑光白色油漆，待油漆干后，喷涂不均匀的耐高温哑光黑色斑点状油漆。
6.根据权利要求5所述的薄壁板管材料压缩性能测试夹具，其特征在于：所述接触面(4)在试验过程中涂抹有润滑剂，所述润滑剂具体采用石墨粉。
7.根据权利要求3所述的薄壁板管材料压缩性能测试夹具，其特征在于：所述上压头(1)和下压头(3)在压缩试验中不发生变形，具体采用高强度钢材料制作，所述高强度钢材料包括H13钢、K403。
8.一种薄壁板管材料压缩性能测试方法，其特征在于：利用如权利要求3-7所述的薄壁板管材料压缩性能测试夹具对如权利要求1-2所述的试样进行测试，其具体步骤如下：
步骤一，试样的制备：根据需要测试的板材或者管材，通过机械设备切取合适的试样，所述试样具体制作为长方体立柱试样、曲面立柱试样或圆柱试样；
步骤二，压头和散斑制作：
首先是压头的制作，所述上压头(1)和下压头(3)材料的选择并根据设计规格进行备料，所述压头通过数控车床加工成型，所述压头工作部需要通过铣床、磨床进一步加工以获得需要的光滑面；
其次是散斑的制作，在加工好的所述工作部的观察面(5)上先均匀喷涂一层耐高温哑光白色油漆，待油漆干后，喷涂不均匀的耐高温哑光黑色斑点状油漆，散斑制作完成；
最后是将上压头(1)和下压头(3)组装到电子万能试验机上，所述上压头(1)和下压头(3)的连接部嵌入试验机压头的凹槽中；
步骤三，数字散斑系统准备：首先，打开所述基于数字图像相关技术的数字散斑测量系统，将数字散斑测量系统所用摄像机的焦距定在试样所处的焦平面内，调整摄像机光圈大小，保证获得清晰的散斑图片即可，要求上下压头的观察面均在相机视野内；
步骤四，压缩试验：打开所述电子万能试验机，将所述试样放置在上压头(1)和下压头(3)之间，设置好电子万能试验机的压头速率和最大压缩位移，进行压缩试验；同时采用数字应变散斑测量仪，对上压头(1)和下压头(3)的观察面(5)的位移场进行测量，获得上压头(1)和下压头(3)的时间位移数据；电子万能试验机记录时间载荷数据；
步骤五，数据处理：由于压缩过程中压头不发生变形，因此上压头(1)和下压头(3)的相对位移即为试样的压缩位移，处理可得试样压缩的时间应变曲线，与电子万能试验机测量的时间载荷曲线结合，处理得到试样的压缩应力-应变关系图。
9.根据权利要求8所述的薄壁板管材料压缩性能测试方法，其特征在于：所述步骤四中，如选用制作有散斑的试样，所述数字散斑测量系统直接记录试样的压缩位移；每次压缩试验完成后，重新安装新的试样进行下一次试验。
10.根据权利要求8所述的薄壁板管材料压缩性能测试方法，其特征在于：高温实验时将所述电子万能试验机的压头和所述压缩试样和夹具均放置在带玻璃窗口的高温炉中进行试验，所述数字散斑测量系统对准玻璃窗口内的带散斑的试样或上压头(1)和下压头(3)的观察面(5)并记录压缩实验时的位移。
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