CN111060365B - 一种用于检测烘烤硬化值的拉伸试样系统 - Google Patents

一种用于检测烘烤硬化值的拉伸试样系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于检测烘烤硬化值的拉伸试样方法，可以有效避免断裂发生在标距段以外而无法准测得烘烤硬化值、时效硬化值等特征值的问题。拉伸试样分为两个阶段进行加工，试样的标距段以外至少存在一部分的横截面积小于等于标距段的横截面积。第二阶段的试样是在测试后的第一阶段的试样上面加工出来的，若第二阶段试样存在应力集中，则第二阶段的尺寸设计应至少满足其应力集中的部位及其附近处于第一阶段试样变形量较大的部位。检测步骤是首先对第一阶段加工的试样进行拉伸和烘烤，然后对其加工成第二阶段的试样，并进行检测。

Description

一种用于检测烘烤硬化值的拉伸试样系统
技术领域
本发明涉及材料性能的检测领域，特别涉及一种用于检测具有较高烘烤硬化值或时效硬化值的材料的拉伸试样和检测方法。
技术背景
采用目前广泛使用的标准拉伸试样，如GB/T 228.1-2010的P6试样，测试具有烘烤硬化特性的材料时，试样容易出现断裂位置在标距段以外或靠近标距某一侧，导致试验不满足标准要求，或测得的延伸率低于需要计算烘烤后的屈服强度的0.2%的变形量，因此测不到准确的烘烤硬化值。此问题尤其在具有较高烘烤硬化值、较低延伸率的材料中出现。
若采用标准试样检测时，如GB/T 228.1-2010的P6试样，如果样品两端存在宽于平行段的夹头，或直径大于平行段的夹头，在平行段和过渡区的圆弧附近处会出现应力集中，如图1，从而导致烘烤后的试样拉伸断裂在标距段以外。应力集中是指结构或构件的局部区域的最大应力值比平均应力值高的现象。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以准确检测材料的烘烤硬化值、时效硬化值的拉伸试样和检测方法，特别的是解决了具有较高烘烤硬化值的材料在烘烤后采用常规检查标准检测时，断裂在标距外的问题。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种用于检测烘烤硬化值的拉伸试样系统，所述的拉伸试样分为两个阶段进行加工：
1）、第一阶段加工的试样；试样的标距段以外至少存在一部分，其横截面积小于或等于标距段的横截面积；薄板材料试样的夹持部分、过渡区的横截面积从平行段或标距段向过渡区递减，或成其他轮廓曲线形式从标距段向夹持部分减小；确保在首次拉伸过程中，至少能够提供用于第二阶段试样上应力集中的部位及其附近的变形量大于或等于标距段的变形量；因此，使得第一阶段试样上面处于第二阶段试样的过渡区、平行段的变形量都大于或等于标距段的变形量也满足要求；
2）、第二阶段加工的试样；第二阶段的试样是在对完成下述3）步骤后的第一阶段的试样上面加工出来的，需改变第一阶段试样的形状尺寸；若第二阶段试样的夹持部分和标距段之间存在应力集中，则其尺寸设计应至少满足其应力集中的部位及其附近处于第一阶段试样变形量较大的部位；如：第二阶段试样的夹持部分、过渡区和平行段均处于第一阶段试样变形量较大的夹持部分和过渡区的里面，且第二阶段试样的夹持部分、过渡区的任意垂直横截面积大于等于标距段的横截面积；
3）、所述的检测方法包括以下步骤：
（1）、提供需要测试的材料，并按照上述第一阶段的试样尺寸要求加工成拉伸试样；
（2）、对完成以上步骤（1）的试样进行预拉伸变形测试；
（3）、对完成以上步骤（2）的试样实施烘烤、自然时效及其他工艺；
（4）、对完成以上步骤（3）的试样按照上述第二阶段的试样尺寸要求加工成拉伸样品；
（5）、对完成以上步骤（4）的拉伸样品进行拉伸测试；
（6）、根据以上步骤（2）和步骤（5）的结果计算烘烤硬化值、时效硬化值。
作为优选，适用于钢材、铝材、合金、塑料以及具有烘烤硬化、自然时效硬化特征的材料；这些材料表现为应变量增加时，实施步骤3）工艺后强度的增加量则更大；所述的强度包括但不限于屈服强度。
作为优选，适用于检测试样实施步骤3）后的烘烤硬化值，以及抗拉强度的增加值，自然时效后的延伸率、n值、r值、硬度性能。
作为优选，其中步骤3）的其他工艺是指：实施该工艺后，材料强度的变化量和应变量具有正相关的工艺；即材料表现为应变量增加时，实施该工艺后强度的增加量则更大。
作为优选，第二阶段试样上应力集中的部位是指过渡区和标距段之间存在的应力集中的部位；或采用矩形不带头等尺寸形式的试样时，在夹具和试样的接触位置出现的应力集中的部位。
作为优选，第二阶段试样上应力集中部位的附近区域是分别在在平行段和过渡区上的，这部分区域有机会延伸到标距段以内，以及夹持部分以内；应力集中部位的附近区域大小需根据材料具备的机械性能和受力状态的进行计算，但在试样上所设计的应力集中部位附近的区域尺寸的大小应至少满足断裂不会优先发生在标距段以外。
本发明利用了材料的变形量和烘烤硬化值、时效硬化值等的正相关关系，即材料的变形量大时，烘烤或时效等处理后的强度增加更高，通过设计第一阶段和第二阶段试样的形状、位置，使得第二阶段试样的应力集中部位及其附近的位置处于第一阶段试样的拉伸变形量较大的位置。这样以来，第二阶段试样在拉伸过程中应力集中部位及其附近则会具备更高强度，因此该部位的抗断裂能力更高。
附图说明
图1为本发明的拉伸试样应力集中的部位示意图。
图2为本发明的第一阶段加工的试样示意图。
图3为本发明的第二阶段加工的试样示意图。
图4为本发明的第一阶段加工的试样经拉伸后的变形量分布示意图。
图5为本发明的第一阶段加工的试样经烘烤、时效后的屈服强度增加量分布示意图。
图6为本发明的试样采用本方案提供的试样和GB/T 228.1-2010的P6进行测试图表。
图7为本发明根据第一次拉伸和第二次拉伸结果计算烘烤硬化值或其他特征值的测试结果对比图表。
具体实施方式
下面结合所有附图对本发明作进一步说明，本发明的较佳实施例为，参见附图1至附图7，注：
夹持部分——用于拉伸机测试时夹具夹持的区间；
过渡区——夹持部分和标距段之间的过渡区；
平行段——标距段向外延伸一部分，可以没有平行段，平行段横截面积和标距段相同；
标距段——变形量测量的区间；
R——过渡圆弧半径。
本实施例所述的检测试样分两个阶段进行加工：
第一阶段加工的试样的标距段以外至少存在一部分，其横截面积小于等于标距段的横截面积。如典型的尺寸特征图2，其标距段的横截面积小于夹持部分和过渡区。但不限定第一阶段试样从标距段到夹持段的曲线过渡形式，该试样轮廓线设计的目的是使得标距段以外存在变形量大于等于标距段的部分，一般的，对于扁平材料，即厚度一致的材料，其拉伸试样有W1＞W2。
第二阶段加工的试样是通过对第一阶段的试样继续加工而得到的，第二阶段的尺寸设计至少满足其应力集中部位及其附近是处于第一阶段试样变形量较大的部位。典型的尺寸特征分布如图3。
不妨设，第一阶段试样的机械性能在拉伸测试前是均匀分布的。那么第一阶段试样截面积较小部分附近存在应力集中，抵抗变形的能力差，这部分会优先发生塑性变形。加上材料具有加工硬化特征，导致变形会向其他部分扩展，但在停止拉伸前截面积小的部分附近变形量会更大。
对具有烘烤硬化效应的钢材而言，当对第一阶段的试样完成检测后，即完成预拉伸变形、烘烤、自然时效等其他工艺的处理后，自由原子如C、N等将会聚集在位错处形成柯氏气团，对位错形成钉扎作用，位错钉扎效果越大的部分强度增加约明显。第一阶段的试样由于受到材料变形量和烘烤硬化值之间的关系特性的影响，表现出变形量大的位置屈服强度升高得更为明显，因此试样上的机械性能分布将会不均匀。
若要避免应力集中的部位及其附近不发生断裂，则要使得应力集中的部位及其附近强度足够高。也就是说，可以利用变形量和烘烤硬化效应之间的关系，让第二阶段试样的尺寸设计至少满足其应力集中的部位及其附近处于第一阶段试样变形量较大的部位，并且可以结合尺寸的设计，让第二阶段的试样标距段以外的部分抗变形能力更大，则结果是断裂优先发生在标距段以内。
应力集中部位的附近区域大小需根据材料具备的机械性能和受力状态的进行计算，但在第二阶段试样上所设计的应力集中部位及其附近的区域大小应至少满足断裂不会优先发生在标距段以外。当然，优先发生塑性变形的曲面位置要采用合适的屈服准则进行计算，因此，对于尺寸对称设计的试样，不仅仅是横截面积最小的截面优先断裂。一般情况下，机械性能均匀各项同性的试样，在其垂直横截面积最小的面附近会优先发生塑性变形和断裂，优先发生变形的曲面和最小面积的垂直横截面存在一定的夹角。而对于机械性能分部不均匀，且各向异性的试样需采用更为复杂的计算方式来判断优先出现塑性变形和发生断裂的曲面位置。
以下提供了粗略估计断裂位置的计算方案，该方案未考虑材料缺陷、局部应力集中和垂直横截面性能的不均匀等因素的作用。假设当与轴向拉力成45°角的某平面
Figure DEST_PATH_IMAGE001
的剪切力
Figure DEST_PATH_IMAGE002
优先达到断裂剪切抗力
Figure DEST_PATH_IMAGE003
时，该平面将会优先发生断裂。断裂剪切抗力
Figure DEST_PATH_IMAGE004
定义为截面上所有的点均达到最大抗剪切强度的剪切抗力。
（1）计算平面
Figure DEST_PATH_IMAGE005
的断裂剪切抗力
Figure DEST_PATH_IMAGE006
：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
——是
Figure DEST_PATH_IMAGE009
处的抗断裂剪切应力和坐标的关系，抗断裂剪切应力和材料的拉 伸应力应变曲线上最大的应力值
Figure DEST_PATH_IMAGE010
相关。
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为试样上个点的坐标值。
（2）计算平面
Figure DEST_PATH_IMAGE012
所受到的剪切力
Figure DEST_PATH_IMAGE013
：
Figure DEST_PATH_IMAGE014
其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
——是
Figure DEST_PATH_IMAGE016
处的切应力和坐标的关系。
因此，单向拉伸时标距内的断裂剪切抗力
Figure DEST_PATH_IMAGE017
小于标距外的
Figure DEST_PATH_IMAGE018
，则可避免断裂 优先发生在标距外。为了使断裂发生在标距段以内，不考虑受力情况、材料截面方向不均匀 性等，进一步简化为以下关系：
Figure DEST_PATH_IMAGE019
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE020
——为标距段以外任意截面的平均应力应变曲线上最大的应力值，可以通 过变形量和烘烤后的最大应力值的关系进行确定；
Figure 167813DEST_PATH_IMAGE021
——为标距段以外对应的任意横截面处的横截面积；
Figure DEST_PATH_IMAGE022
——为标距段的平均应力应变曲线上最大的应力值；
Figure DEST_PATH_IMAGE023
——为标距段横截面积，可按照标距内的平均横截面面积计算；
可以推测，当第二阶段试样夹持部分、过渡部分的横截面积大于标距段的横截面积，且第二阶段试样标距段以外的位置处于第一阶段试样变形量较大的过渡区，可满足上关系的要求，即
Figure DEST_PATH_IMAGE024
。但也可以是夹持部分、过渡部分的横截面积小于等于平行段的横截面积，只要满足（式3）都有可能测试成功。考虑到实际情况，如材料性能均匀性、应力集中等，以上推算会存在偏差。
本发明利用了材料的变形量和烘烤硬化值、时效硬化值等的正相关关系，即材料的变形量大时，烘烤或时效等处理后的强度增加更高，通过设计第一阶段和第二阶段试样的形状、位置，使得第二阶段试样的应力集中部位及其附近的位置处于第一阶段试样的拉伸变形量较大的位置。这样以来，第二阶段试样在拉伸过程中应力集中部位及其附近则会具备更高强度，因此该部位的抗断裂能力更高。
下面测试的材料为冷轧带钢，牌号为MP1180，测试前材料性能分布均匀，厚度1mm。该材料在测试的有限变形量范围内的烘烤硬化值BH2和工程应变量ε成正相关关系，近似关系式为BH2=33ε+34。第一阶段加工的试样宽度W 1为30mm，W2为28mm。对第一阶段的试样进行拉伸变形后，对拉矫机进行控制，使得标距段的平均变形量为2%。假设不考虑夹具的影响，则由于夹持部分、过渡区的横截面较小，拉伸时应力大于平行段，因此夹持部分的变形量将大于平行段。变形量向试样两端是递增的，两端的最大处为5%，变形量的分布如图4所示，由此会导致试样的烘烤硬化值BH2分布如图5所示的结果，即屈服强度向试样的两端分布逐渐上升。
具体如：
试样采用本方案提供的试样和GB/T 228.1-2010的P6进行测试，主要尺寸如附图6所示。
本方案提供的测试步骤：
（1）、按照第一阶段的试样尺寸要求加工成拉伸试样。
（2）、对第一阶段的试样进行预拉伸变形测试，控制标距段的变形量为2%，弹性阶段应力速率30MPa/s，屈服点应变速率0.00025s-1、屈服阶段应变速率0.00025s-1，屈服之后应变速率0.0067s-1。
（3）、对完成拉伸的以上第一阶段的试样实施烘烤，烘烤时间20分钟，烘烤温度170℃。
（4）、对完成烘烤的第一阶段的试样按照图6的第二阶段试样尺寸要求加工成拉伸样品，确保第二阶段的样品在第一阶段的居中位置切割出来。
（5）、对第二阶段的拉伸样品进行拉伸测试，直至断裂。弹性阶段应力速率30MPa/s，屈服点应变速率0.00025s-1、屈服阶段应变速率0.00025s-1，屈服之后应变速率0.0067s-1。
（6）、根据第一阶段的样品和第二阶段的样品拉伸结果计算烘烤硬化值或其他特征值。
采用GBT 24174-2009对GB/T 228.1-2010的P6样品的测试步骤：
（1）、按照GB/T 228.1-2010的P6样品的要求加工成拉伸试样。
（2）、对P6样品进行预拉伸变形测试，控制标距段的变形量为2%，弹性阶段应力速率30MPa/s，屈服点应变速率0.00025s-1、屈服阶段应变速率0.00025s-1，屈服之后应变速率0.0067s-1。
（3）、对完成拉伸的P6样品实施烘烤，烘烤时间20分钟，烘烤温度170℃。
（4）、对完成烘烤的P6样品进行拉伸测试，直至断裂。弹性阶段应力速率30MPa/s，屈服点应变速率0.00025s-1、屈服阶段应变速率0.00025s-1，屈服之后应变速率0.0067s-1。
（6）、根据第一次拉伸和第二次拉伸结果计算烘烤硬化值或其他特征值。
测试结果对比如附图7，
注：
Rt2.0——试样变形至2%时的应力；
ReBH2——试样经2%的变形并烘烤后，对应的屈服强度；
A80——采用标距为80mm测试的样品断后延伸率；
BH2——烘烤硬化值，等于ReBH2减去Rt2.0。
由此可见，采用GB/T 228.1-2010提供的P6标准样在第二次拉伸过程中断后延伸率不到0.2%，且断裂在标距外，不符合基本的检测要求，因此不能准确测得BH2。而采用本方案提供的拉伸试样和检测方法，可准确的测得烘烤硬化值的结果为107MPa。
以上所述之实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种烘烤硬化值的检测方法，其特征在于：所述的检测方法包括以下步骤：
（1）提供需要测试的扁平材料，将所述扁平材料按照第一阶段的试样尺寸要求加工成拉伸试样，所述第一阶段的试样包括平行段、位于平行段内的标距段、过渡区以及夹持部分，所述平行段的横截面积和标距段相同，所述过渡区从平行段的末端开始向夹持部分以圆弧倒角的形式进行过渡，所述第一阶段的试样尺寸要求包括：试样平行段宽度为30mm，试样两端宽度为28mm，过渡区圆弧半径为5mm，平行段长度为100mm，试样总长度为150mm；
（2）对完成步骤（1）的试样进行预拉伸变形测试；
（3）对完成步骤（2）的试样实施烘烤或自然时效；
（4）对完成步骤（3）的试样按照第二阶段的试样尺寸要求加工成拉伸样品，所述第二阶段的试样包括按照GB/T 228.1-2010的P6试样进行加工，第二阶段试样的夹持部分、过渡区的横截面积大于标距段的横截面积；
（5）对完成步骤（4）的拉伸样品进行拉伸测试；
（6）根据步骤（2）和步骤（5）的结果计算烘烤硬化值、时效硬化值。
2.根据权利要求1所述的一种烘烤硬化值的检测方法，其特征在于：所述扁平材料的材质为钢材、铝材或塑料。
3.根据权利要求1所述的一种烘烤硬化值的检测方法，其特征在于：根据步骤（5）的结果计算得所述扁平材料的延伸率、n值和/或r值。
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