CN116337611A - 高强金属板材包辛格效应测试方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高强金属板材包辛格效应测试方法和装置，采用左右完全对称的双槽试样，可保证两个剪切变形区在两侧夹持区与加载区的共同约束下不发生扭转、翘曲等非平面内变形，从而实现稳定的剪切塑性变形；通过一次试验获得两个完全相同的剪切塑性变形区，为分析该加载条件下的宏观变形过程提供了高度一致的对比试样。采用边界条件的协调配合与转换，使试验机始终沿同一方向施加载荷，试样的夹持区与加载区始终处于相对约束状态，从保证了两个变形区的外力、应力、应变的连续性和稳定性。两个剪切变形区的外部载荷或约束是通过试样上开设的孔槽结构与工装夹具的销轴结构按特定顺序进行配合和作用来实现变形区载荷与约束条件的连续稳定转换。
Description
技术领域
本发明涉及金属板材力学性能的测试方法和装置，具体涉及高强金属板材包辛格效应的测试方法和装置。
背景技术
金属板材的力学性能通常会在塑性变形过程中发生变化。一种常见的现象，是金属板材在连续拉伸或压缩变形时其变形抗力逐渐增加，即通常所说的加工硬化或应变强化。另一种常见的现象，则是当板材试样沿某一方向先进行拉伸再沿反方向进行压缩，或先压缩后拉伸时，板材的硬化应力或屈服强度出现下降，这种现象称为包辛格效应(Bauschinger effect)。因为包辛格效应的影响，使初始性能均匀的金属板材在成形为复杂构件后表现出明显的拉压性能非对称，即出现强度差。拉、压强度差的存在，直接影响构件的服役承载能力。金属板材在成形为球壳时主要发生拉伸变形。如果球壳在服役时承受外压作用，则因为成形过程的包辛格效应导致压缩强度低于板材原始强度，导致球壳的外压承载能力明显降低。因此，为了控制金属板材成形时包辛格效应的不利影响、准确评估复杂构件的实际承载能力，需要准确测试并在设计阶段充分考虑金属板材的包辛格效应。
为测试金属板材的包辛格效应，通常采用拉伸、压缩循环加载实验。通过测试循环加载过程中的应力、应变曲线，对金属板材的包辛格效应进行描述。不同种类的金属材料，存在不同程度的包辛格效应。一般来说，强度越高的材料其包辛格效应越严重。例如屈服强度890MPa的高强钢、抗拉强度1500MPa的超高强钢，都具有明显的包辛格效应。拉/压循环加载实验存在问题：一方面由于高强度材料的塑性变形能力通常较差，经历稳定的拉伸变形较小，一般在应变5％左右；另一方面，压缩试验时试样容易出现“鼓肚”或屈曲，导致无法准确测量压缩强度，因此也就无法得到可靠的拉-压循环加载曲线。
近来，人们尝试在疲劳试验机上采用剪切试样进行金属板材循环加载试验。金属材料的塑性变形主要由剪应力决定，材料的剪切屈服强度可更为直接且准确地表征材料的力学性能。另外，剪切条件下金属材料可承受的极限塑性变形明显高于拉伸或压缩实验，因此可以获得更为大变形量下的应力、应变数据。这对于塑性较差的高强度金属材料而言十分重要。纯剪、拉伸、压缩都是反映材料本征特性的加载变形方式，通过这些加载试验可分别测得剪切屈服强度、拉伸屈服强度、压缩屈服强度。这些屈服强度都是材料特有的力学特性，当确定材料的屈服准测时，这些屈服强度之间存在特定的转换关系。换言之，如果测得材料的正向剪切屈服强度、反向剪切屈服强度，即可依据理论上确定的适用于该材料的屈服准测换算出拉伸屈服强度或压缩屈服强度。因此，纯剪切试验目前被认为是测试和评价金属材料力学性能的理想方法。
在实践中，剪切试样都设计成两侧为较宽传力区、中间为狭小剪切区的单槽形式。由于金属板材剪切试样的壁厚只有2～3mm甚至更薄，其抗弯曲和扭转的能力很差，在多道次剪切变形后极易出现弯曲、扭转等非平面内变形。即使只发生一次正、反剪切变形，金属板材剪切试样也容易在反向剪切时发生非平面内变形。这是因为，在正向加载剪切时试样、夹具、工装及试验机加载单元之间都处于约束状态，当试验机缓慢卸载并逐渐施加反向剪切载荷时，试样、夹具、工装及试验机加载单元之间的接触状态特别是相对运动趋势或摩擦力作用方向都将发生反转，这一过程必然导致作用在剪切试样上的载荷发生突变、反向剪切载荷轴线与试样轴线出现不同轴，引起附加应力，导致变形区不是纯剪状态，而这些都将引起剪切试样的不稳定，导致剪切试验无法获得准确结果。
综上所述，由于金属板材剪切试样壁厚较薄且中间存在狭小剪切区，在承受反向剪切载荷时极易失稳而发生弯曲、扭转等非平面内变形，导致变形区不是纯剪状态，且难以获得较大变形范围内的应力、应变循环加载曲线。为此，需要建立能够实现金属板材试样在正/反向纯剪加载条件下发生连续稳定的大塑性变形的测试方法，为测试和描述金属板材的包辛格效应提供准确的实验数据。
发明内容
为解决现有金属板材剪切试验方法和装置无法实现纯剪状态和稳定正/反向剪切变形因而难以测量金属板材在反向加载变形特性、无法准确表征金属板材包辛格效应的问题，本发明提出一种高强金属板材包辛格效应测试方法和装置。
本发明的技术方案是：
一种高强金属板材包辛格效应测试装置，该高强金属板材包辛格效应测试装置包括加载单元1、销2、锁紧螺母3、上连接杆4、锁紧螺母5、上夹具6、调隙螺母7、调隙块8、调隙夹头9、紧固螺母10、固定夹片11、导向夹片12、导柱13、下夹具14、下连接杆15、固定基座16、DIC系统17、控制系统18和双槽试样；
上夹具6通过上连接杆4与加载单元1连接，上夹具6与上连接杆4直接采用孔轴配合以保证定位精度，并利用锁紧螺栓5固定两者的相对位置，上连接杆4与加载单元1采用孔轴配合以保证两者的相对位置，通过销2和上连接杆4的孔配合传递载荷，并利用锁紧螺母3提供预紧力，消除初始间隙；下夹具14通过下连接杆15与固定基座16连接，下夹具14与下连接杆15采用孔轴配合以保证定位精度，并利用锁紧螺栓5固定两者的相对位置，下连接杆15与加载单元1采用孔轴配合以保证两者的相对位置，通过利用销2和下连接杆15的孔配合传递载荷，并利用锁紧螺母3提供预紧力，消除初始间隙；
双槽试样利用紧固螺母10、导向夹片12和固定夹片11连接，双槽试样表面设有固定夹片11，通过紧固螺母10固定为一体结构，该一体结构于上夹具6和下夹具14所形成的夹持空间中；导向夹片12设置在一体结构的侧面与上夹具6、下夹具14通过燕尾槽连接配合，利用衔铁调整配合间隙；双槽试样、导向夹片12和固定夹片11构成的整体在燕尾槽中滑动，与上夹具6、下夹具14相对运动；上夹具6、下夹具14之间利用导柱13导向；
调隙螺母7与调隙块8通过螺栓连接，通过调整调隙螺母7使调隙块8上下移动；调隙块8和调隙夹头9通过楔形机构连接，楔形机构包括上、下楔形块，二者之间通过键槽连接，保证楔形块在移动中不发生左右窜动；调隙块8与夹持区一一对应，调隙块8在随调隙螺母7移动时实现调隙夹头9的上下移动，从而调整调隙夹头9和双槽试样的三个夹持区之间的接触状态，调隙夹头9和固定夹片11之间通过弹簧连接；
控制系统18分别与DIC系统17和加载单元1相连接，实现加载单元1的精确力控制或者位移控制；试验过程中，DIC系统17实时采集双槽试样的变形过程，传递给控制系统18，对其进行分析测试；
正向加载时，调整6个调隙螺母7，使上夹具6的中间调隙夹头9与双槽试样的中部夹持区接触，上夹具6的两侧调隙夹头9与双槽试样的两侧夹持区脱离，下夹具14的中间调隙夹头9与双槽试样的中部夹持区脱离，下夹具14的两侧调隙夹头9与双槽试样的两侧夹持区接触；载荷通过上连接杆4、上夹具6、上夹具6的中间调隙块8、上夹具6的中间调隙夹头9传递至双槽试样，同时下夹具14两侧调隙夹头9为两侧夹持区提供位移约束条件，限制两侧夹持区的位移；加载单元1下压，双槽试样的两侧夹持区在位移约束作用下维持不动，中部夹持区在载荷作用下下行，两个变形区实现正向加载变形；
正向加载到位时，加载单元1保持原位，调整6个调隙螺母7；首先使上夹具6的两侧调隙夹头9与双槽试样的两侧夹持区接触，使下夹具14的中间调隙夹头9与双槽试样的中部夹持区接触；随后松开上夹具6的中间调隙螺母7和下夹具14的两侧调隙螺母7，使上夹具6的中间调隙夹头9与双槽试样的中部夹持区脱离，下夹具14的两侧调隙夹头与双槽试样的两侧夹持区脱离；随后加载单元1继续下压；此时双槽试样的中部夹持区在下夹具14的中间调隙夹头9提供的位移约束作用下维持不动，两侧夹持区在上夹具6两侧调隙夹头9的载荷作用下下行，两个变形区实现反向变形。
所述的双槽试样包括双槽正反剪切试样19、双槽正反平面应力试样20和双槽拉压试样21；
双槽正反剪切试样19变形区的中线与夹持区呈平行状态，用于测试在纯剪切应力状态下的包辛格效应；
双槽正反平面应力试样20变形区的中线与夹持区呈交角，交角为锐角，用于测试在拉压与剪切应力状态下的包辛格效应；
双槽拉压试样21变形区的中线与夹持区呈垂直状态，用于测试在拉压应力状态下的包辛格效应。
所述的装配后导向夹片12和固定夹片11表面的平面度误差小于0.01mm。
以两个导柱13中心线所构成平面为基准，导向夹片12表面对于该基准的平行度误差不高于0.01mm。
以两个导柱13中心线所构成平面为基准，导向夹片12表面对于该基准的平行度误差不高于0.01mm。
一种高强金属板材包辛格效应测试方法，采用上述的高强金属板材包辛格效应测试装置，步骤如下：
步骤一、双槽试样制备：设计加工金属板材正反加载剪切试验专用双槽试样，根据测试的平面应力状态不同选用不同结构形状的双槽试样，双槽试样由三个夹持区及两两夹持区之间形成的两个剪切变形区组成；双槽试样的两侧夹持区与夹具实现“位移”边界连接，双槽试样的中部夹持区与夹具实现“力”边界连接；
步骤二、正反加载：通过加载单元1对中部夹持区施加单向载荷，使两个剪切变形区发生正向剪切变形；当达到设定的正向剪切应变值后，卸除中部夹持区的单向载荷，然后在两侧夹持区继续施加与正向剪切变形阶段同方向的载荷，使两个剪切变形区发生反方向剪切变形，直至达到设定的反向剪切应变值；
步骤三、试验数据测量：通过DIC应变测量系统对试验过程中两个剪切变形区的剪切应变进行实时测量，同时利用传感器对加载单元1的单向载荷进行实时测量；
步骤四、力学性能数据计算：根据步骤三获得的载荷-位移-应变试验数据，绘制该加载条件下的剪切应力-剪切应变曲线，并分别得到正向剪切屈服强度τT、反向剪切屈服强度τC；
步骤五、力学性能数据转换：根据金属板材服从的屈服准则将正、反剪切屈服强度τT、τC转换为对应的拉、压屈服强度σT、σC；假设屈服准则为
式中，A为屈服准则的系数矩阵，σx为x方向的正应力分量，α为x-y平面内两正应力比值，α＝σy/σx，σy为y方向的正应力分量，τ为面内剪切应力分量，/>
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已知时，通过变换公式/>
即确定当α＝0时的单轴屈服应力σx和剪切应力分量τ的关系；换言之，当代入正向剪切屈服强度τT即确定对应的正向单轴拉伸屈服强度σT、代入反向剪切屈服强度τC即确定反向单轴压缩屈服强度σC；
步骤六、包辛格效应表征：根据步骤四和步骤五得到的数据，通过公式βσ＝(|σT|-|σC|)/σT计算得到包辛格效应系数βσ。
本发明的有益效果是：
一、本发明提出的高强金属板材包辛格效应测试方法和装置，采用左右完全对称的双槽试样，一方面可保证两个剪切变形区在两侧夹持区与加载区的共同约束下不发生扭转、翘曲等非平面内变形，从而可实现稳定的剪切塑性变形，避免了传统单槽正反加载剪切试样容易因拉伸力不同轴而过早出现非平面内变形的问题；另一方面通过一次试验可获得两个完全相同的剪切塑性变形区，这为分析该加载条件下的宏观变形过程提供了高度一致的对比试样。
二、本发明提出的高强金属板材包辛格效应测试方法和装置，采用边界条件的协调配合与转换，试验过程中试验机始终沿同一方向施加拉伸力载荷，从而使双槽试样的夹持区与加载区始终处于相对约束状态，从而保证了两个变形区的外力、应力、应变的连续性和稳定性，避免了现有的金属板材正反加载剪切试验和装置因试验中需改变加载方向而导致外力或约束条件突变、应力和应变不连续不稳定的问题。
三、本发明提出的高强金属板材包辛格效应测试方法和装置，两个剪切变形区的外部载荷或约束是通过试样上开设的孔槽结构与工装夹具的销轴结构按特定顺序进行配合和作用，即可实现变形区载荷与约束条件的连续稳定转换，这就避免现有的试验方法和装置为克服材料试验机载荷反向时出现的夹具松弛、试样滑动、载荷变化不稳定等现象而导致工装夹具结构复杂且装配精度要求极高的问题。本发明的试验装置结构简单、操作方便，在普通材料试验机上即可完成本发明的试验。
附图说明
图1为高强金属板材包辛格效应测试方法流程图。
图2为高强金属板材包辛格效应测试方法试样不同状态示意图。(a)为试样初始状态示意图，(b)为试样正向加载状态示意图，(c)为试样反向加载状态示意图。
图3为高强金属板材包辛格效应测试的由正向剪切-反向剪切应力应变曲线转换为正向拉伸-反向压缩应力应变曲线的示意图。
图4为高强金属板材包辛格效应测试装置示意图。
图5为高强金属板材包辛格效应测试装置正向加载示意图。
图6为高强金属板材包辛格效应测试装置反向加载示意图。
图7为不同结构形式的金属板材双槽试样示意图；(a)为双槽正反剪切试样示意图，(b)为双槽正反平面应力试样示意图，(c)为双槽拉压试样示意图.
图8为不同圆角形状的金属板材双槽试样示意图。
图中：1加载单元，2销，3锁紧螺母，4上连接杆，5锁紧螺母，6上夹具，7调隙螺母，8调隙块，9调隙夹头，10紧固螺母，11固定夹片，12导向夹片，13导柱，14下夹具，15下连接杆，16固定基座，17DIC系统，18控制系统，19双槽正反剪切试样，20双槽正反平面应力试样，21双槽拉压试样。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例1：结合图1、图2和图3说明，本发明提出的高强金属板材包辛格效应测试方法，该方法是按照以下步骤进行的：
步骤一、双槽试样制备：设计加工金属板材正反加载剪切试验专用双槽试样，根据测试的平面应力状态不同选用不同结构形状的双槽试样，双槽试样由三个夹持区及两两夹持区之间形成的两个剪切变形区组成；双槽试样的两侧夹持区与夹具实现“位移”边界连接，双槽试样的中部夹持区与夹具实现“力”边界连接；
步骤二、正反加载：通过加载单元1对中部夹持区施加单向载荷，使两个剪切变形区发生正向剪切变形；当达到设定的正向剪切应变值后，卸除中部夹持区的单向载荷，然后在两侧夹持区继续施加与正向剪切变形阶段同方向的载荷，使两个剪切变形区发生反方向剪切变形，直至达到设定的反向剪切应变值；
步骤三、试验数据测量：通过DIC应变测量系统对试验过程中两个剪切变形区的剪切应变进行实时测量，同时利用传感器对试验机加载单元的单向载荷进行实时测量；
步骤四、力学性能数据计算：根据步骤五获得的载荷-位移-应变试验数据，绘制该加载条件下的剪切应力-剪切应变曲线，并分别得到正向剪切屈服强度τT、反向剪切屈服强度τC；
步骤五、力学性能数据转换：根据金属板材服从的屈服准测将正、反剪切屈服强度τT、τC转换为对应的拉、压屈服强度σT、σC。假设屈服准测为
式中，A为屈服准测的系数矩阵，σx为x方向的正应力分量，α为x-y平面内两正应力比值，α＝σy/σx，σy为y方向的正应力分量，τ为面内剪切应力分量，/>
为流动应力。当屈服准则已知即系数矩阵A、流动应力/>
已知时，通过变换公式/>
即可确定当α＝0时的单轴屈服应力σx和剪切应力分量τ的关系。换言之，当代入正向剪切屈服强度τT即可确定对应的正向单轴拉伸屈服强度σT、代入反向剪切屈服强度τC即可确定反向单轴压缩屈服强度σC；
例如，对于各向同性金属，服从Mises屈服准则时，可得单轴屈服应力σx和剪切应力分量τ的关系为：
当τ分别取正反剪切屈服强度τT、τC时对应得到单轴拉伸屈服强度/>
单轴压缩屈服强度/>
对于厚向各向异性金属，服从Hill48屈服准则，可得单轴屈服应力σx和剪切应力分量τ的关系为：
式中r为材料各向异性系数。当τ分别取正反剪切屈服强度τT、τC时对应得到单轴拉伸屈服强度/>
单轴压缩屈服强度
步骤六、包辛格效应表征：根据步骤六和步骤七得到的数据，通过公式βσ＝(|σT|-|σC|)/σT计算得到包辛格效应系数βσ。
本实施例的有益效果：本发明的高强金属板材包辛格效应测试方法，采用左右完全对称的双槽试样，一方面可保证两个剪切变形区在两侧夹持区与加载区的共同约束下不发生扭转、翘曲等非平面内变形，从而可实现稳定的剪切塑性变形，避免了传统单槽正反加载剪切试样容易因拉伸力不同轴而过早出现非平面内变形的问题；另一方面采用边界条件的协调配合与转换，使双槽试样的夹持区与加载区始终处于相对约束状态，从而保证了两个变形区的外力、应力、应变的连续性和稳定性。此外，该方法通过一次试验可获得两个完全相同的剪切塑性变形区，这为分析该加载条件下的宏观变形过程提供了高度一致的对比试样。
实施例2：结合图4、图5和图6说明金属板材包辛格效应测试装置的主要结构及其正反加载方式是按照以下方式实现的：
金属板材包辛格效应测试装置包括1加载单元，2销，3锁紧螺母，4上连接杆，5锁紧螺母，6上夹具，7调隙螺母，8调隙块，9调隙夹头，10紧固螺母，11固定夹片，12导向夹片，13导柱，14下夹具，15下连接杆，16固定基座，17CCD相机，18控制系统，双槽试样。
上夹具6通过上连接杆4与加载单元1连接，上夹具6与上连接杆4直接采用孔轴配合以保证定位精度，并利用锁紧螺栓5固定两者的相对位置，上连接杆4与加载单元1采用孔轴配合以保证两者的相对位置，通过销2和上连接杆4的孔配合传递载荷，并利用锁紧螺母3提供预紧力，消除初始间隙；下夹具14通过下连接杆15与固定基座16连接，下夹具14与下连接杆15采用孔轴配合以保证定位精度，并利用锁紧螺栓5固定两者的相对位置，下连接杆15与加载单元1采用孔轴配合以保证两者的相对位置，通过利用销2和下连接杆15的孔配合传递载荷，并利用锁紧螺母3提供预紧力，消除初始间隙；
双槽试样利用紧固螺母10、导向夹片12和固定夹片11连接，双槽试样表面设有固定夹片11，通过紧固螺母10固定为一体结构，该一体结构于上夹具6和下夹具14所形成的夹持空间中；导向夹片12设置在一体结构的侧面与上夹具6、下夹具14通过燕尾槽连接配合，利用衔铁调整配合间隙；双槽试样、导向夹片12和固定夹片11构成的整体在燕尾槽中滑动，与上夹具6、下夹具14相对运动；上夹具6、下夹具14之间利用导柱13导向；
调隙螺母7与调隙块8通过螺栓连接，通过调整调隙螺母7使调隙块8上下移动；调隙块8和调隙夹头9通过楔形机构连接，楔形机构包括上、下楔形块，二者之间通过键槽连接，保证楔形块在移动中不发生左右窜动；调隙块8与夹持区一一对应，调隙块8在随调隙螺母7移动时实现调隙夹头9的上下移动，从而调整调隙夹头9和双槽试样的三个夹持区之间的接触状态，调隙夹头9和固定夹片11之间通过弹簧连接；通过调整调隙螺母7，控制调隙夹头9的位置，从而改变夹片与上、下夹具的接触关系及接触顺序，从而实现加载单元1在单向加载过程中，双槽试样交替承受正反向加载。
控制系统18分别与DIC系统17和加载单元1相连接，实现加载单元1的精确力控制或者位移控制；试验过程中，DIC系统17实时采集双槽试样的变形过程，传递给控制系统18，对其进行分析测试；
正向加载时，调整6个调隙螺母7，使上夹具6的中间调隙夹头9与双槽试样的中部夹持区接触，上夹具6的两侧调隙夹头9与双槽试样的两侧夹持区脱离，下夹具14的中间调隙夹头9与双槽试样的中部夹持区脱离，下夹具14的两侧调隙夹头9与双槽试样的两侧夹持区接触；载荷通过上连接杆4、上夹具6、上夹具6的中间调隙块8、上夹具6的中间调隙夹头9传递至双槽试样，同时下夹具14两侧调隙夹头9为两侧夹持区提供位移约束条件，限制两侧夹持区的位移；加载单元1下压，双槽试样的两侧夹持区在位移约束作用下维持不动，中部夹持区在载荷作用下下行，两个变形区实现正向加载变形；
正向加载到位时，加载单元1保持原位，调整6个调隙螺母7；首先使上夹具6的两侧调隙夹头9与双槽试样的两侧夹持区接触，使下夹具14的中间调隙夹头9与双槽试样的中部夹持区接触；随后松开上夹具6的中间调隙螺母7和下夹具14的两侧调隙螺母7，使上夹具6的中间调隙夹头9与双槽试样的中部夹持区脱离，下夹具14的两侧调隙夹头与双槽试样的两侧夹持区脱离；随后加载单元1继续下压；此时双槽试样的中部夹持区在下夹具14的中间调隙夹头9提供的位移约束作用下维持不动，两侧夹持区在上夹具6两侧调隙夹头9的载荷作用下下行，两个变形区实现反向变形。
本实施例的有益效果：本发明的高强金属板材包辛格效应测试装置，试验过程中试验机始终沿同一方向施加载荷，加载单元与连接杆，连接杆与夹具之间，夹具与夹持机构之间始终维持单向载荷状态，避免了现有的金属板材正反加载试验和装置因试验中需改变加载方向而导致外力或约束条件突变、应力和应变不连续不稳定的问题，减少了由于载荷变化导致各个部件之间间隙变化导致的系统性误差。此外，试验装置结构简单、操作方便，在普通材料试验机上即可完成本发明的实验。
实施例3：结合图7和图8说明高强金属板材包辛格效应测试方法是按照以下方式实现的：
根据理论计算和有限元仿真结果，优化双槽试样的结构形状，通过改变变形区中线与夹持区夹角，改变变形区应力状态：当变形区中线与夹持区呈平行状态时，加载时变形区为纯剪切应力状态；当变形区中线与夹持区垂直时，加载时变形区为单向拉伸(压缩)应力状态；当变形区与夹持区呈现一定交角时，变形区为平面应力状态，同时存在拉(压)与剪切，并且随着角度的变化，其应力状态也随之变化。通过对两者交角的调控可以有效实现对板材不同应力状态下，正反加载的测试。通过仿真优化，根据不同应力状态下的双槽试样特点，选择不同变形区至夹持区过渡段形状，包括圆角形状、平角形状和V角形状等。
本实施例的有益效果：通过不同的过渡圆角形状，可以有效避免试样变形过程中的应力集中现象，从而保证变形区的变形均匀性，以及测量数据的准确性。
Claims (6)
1.一种高强金属板材包辛格效应测试装置，其特征在于，该高强金属板材包辛格效应测试装置包括加载单元(1)、销(2)、锁紧螺母(3)、上连接杆(4)、锁紧螺栓(5)、上夹具(6)、调隙螺母(7)、调隙块(8)、调隙夹头(9)、紧固螺母(10)、固定夹片(11)、导向夹片(12)、导柱(13)、下夹具(14)、下连接杆(15)、固定基座(16)、DIC系统(17)、控制系统(18)和双槽试样；
上夹具(6)通过上连接杆(4)与加载单元(1)连接，上夹具(6)与上连接杆(4)直接采用孔轴配合以保证定位精度，并利用锁紧螺栓(5)固定两者的相对位置，上连接杆(4)与加载单元(1)采用孔轴配合以保证两者的相对位置，通过销(2)和上连接杆(4)的孔配合传递载荷，并利用锁紧螺母(3)提供预紧力，消除初始间隙；下夹具(14)通过下连接杆(15)与固定基座(16)连接，下夹具(14)与下连接杆(15)采用孔轴配合以保证定位精度，并利用锁紧螺栓(5)固定两者的相对位置，下连接杆(15)与加载单元(1)采用孔轴配合以保证两者的相对位置，通过利用销(2)和下连接杆(15)的孔配合传递载荷，并利用锁紧螺母(3)提供预紧力，消除初始间隙；
双槽试样利用紧固螺母(10)、导向夹片(12)和固定夹片(11)连接，双槽试样表面设有固定夹片(11)，通过紧固螺母(10)固定为一体结构，该一体结构于上夹具(6)和下夹具(14)所形成的夹持空间中；导向夹片(12)设置在一体结构的侧面与上夹具(6)、下夹具(14)通过燕尾槽连接配合，利用衔铁调整配合间隙；双槽试样、导向夹片(12)和固定夹片(11)构成的整体在燕尾槽中滑动，与上夹具(6)、下夹具(14)相对运动；上夹具(6)、下夹具(14)之间利用导柱(13)导向；
调隙螺母(7)与调隙块(8)通过螺栓连接，通过调整调隙螺母(7)使调隙块(8)上下移动；调隙块(8)和调隙夹头(9)通过楔形机构连接，楔形机构包括上、下楔形块，二者之间通过键槽连接，保证楔形块在移动中不发生左右窜动；调隙块(8)与夹持区一一对应，调隙块(8)在随调隙螺母(7)移动时实现调隙夹头(9)的上下移动，从而调整调隙夹头(9)和双槽试样的三个夹持区之间的接触状态，调隙夹头(9)和固定夹片(11)之间通过弹簧连接；
控制系统(18)分别与DIC系统(17)和加载单元(1)相连接，实现加载单元(1)的精确力控制或者位移控制；试验过程中，DIC系统(17)实时采集双槽试样的变形过程，传递给控制系统(18)，对其进行分析测试；
正向加载时，调整6个调隙螺母(7)，使上夹具(6)的中间调隙夹头(9)与双槽试样的中部夹持区接触，上夹具(6)的两侧调隙夹头(9)与双槽试样的两侧夹持区脱离，下夹具(14)的中间调隙夹头(9)与双槽试样的中部夹持区脱离，下夹具(14)的两侧调隙夹头(9)与双槽试样的两侧夹持区接触；载荷通过上连接杆(4)、上夹具(6)、上夹具(6)的中间调隙块(8)、上夹具(6)的中间调隙夹头(9)传递至双槽试样，同时下夹具(14)两侧调隙夹头(9)为两侧夹持区提供位移约束条件，限制两侧夹持区的位移；加载单元(1)下压，双槽试样的两侧夹持区在位移约束作用下维持不动，中部夹持区在载荷作用下下行，两个变形区实现正向加载变形；
正向加载到位时，加载单元(1)保持原位，调整6个调隙螺母(7)；首先使上夹具(6)的两侧调隙夹头(9)与双槽试样的两侧夹持区接触，使下夹具(14)的中间调隙夹头(9)与双槽试样的中部夹持区接触；随后松开上夹具(6)的中间调隙螺母(7)和下夹具(14)的两侧调隙螺母(7)，使上夹具(6)的中间调隙夹头(9)与双槽试样的中部夹持区脱离，下夹具(14)的两侧调隙夹头与双槽试样的两侧夹持区脱离；随后加载单元(1)继续下压；此时双槽试样的中部夹持区在下夹具(14)的中间调隙夹头(9)提供的位移约束作用下维持不动，两侧夹持区在上夹具(6)两侧调隙夹头(9)的载荷作用下下行，两个变形区实现反向变形。
2.根据权利要求1所述的高强金属板材包辛格效应测试装置，其特征在于，所述的双槽试样包括双槽正反剪切试样(19)、双槽正反平面应力试样(20)和双槽拉压试样(21)；
双槽正反剪切试样(19)变形区的中线与夹持区呈平行状态，用于测试在纯剪切应力状态下的包辛格效应；
双槽正反平面应力试样(20)变形区的中线与夹持区呈交角，交角为锐角，用于测试在拉压与剪切应力状态下的包辛格效应；
双槽拉压试样(21)变形区的中线与夹持区呈垂直状态，用于测试在拉压应力状态下的包辛格效应。
3.根据权利要求1或2所述的高强金属板材包辛格效应测试装置，其特征在于，所述的装配后导向夹片(12)和固定夹片(11)表面的平面度误差小于0.01mm。
4.根据权利要求1或2所述的高强金属板材包辛格效应测试装置，其特征在于，以两个导柱(13)中心线所构成平面为基准，导向夹片(12)表面对于该基准的平行度误差不高于0.01mm。
5.根据权利要求3所述的高强金属板材包辛格效应测试装置，其特征在于，以两个导柱(13)中心线所构成平面为基准，导向夹片(12)表面对于该基准的平行度误差不高于0.01mm。
6.一种高强金属板材包辛格效应测试方法，采用权利要求1所述的高强金属板材包辛格效应测试装置，其特征在于，步骤如下：
步骤一、双槽试样制备：设计加工金属板材正反加载剪切试验专用双槽试样，根据测试的平面应力状态不同选用不同结构形状的双槽试样，双槽试样由三个夹持区及两两夹持区之间形成的两个剪切变形区组成；双槽试样的两侧夹持区与夹具实现“位移”边界连接，双槽试样的中部夹持区与夹具实现“力”边界连接；
步骤二、正反加载：通过加载单元(1)对中部夹持区施加单向载荷，使两个剪切变形区发生正向剪切变形；当达到设定的正向剪切应变值后，卸除中部夹持区的单向载荷，然后在两侧夹持区继续施加与正向剪切变形阶段同方向的载荷，使两个剪切变形区发生反方向剪切变形，直至达到设定的反向剪切应变值；
步骤三、试验数据测量：通过DIC应变测量系统对试验过程中两个剪切变形区的剪切应变进行实时测量，同时利用传感器对加载单元(1)的单向载荷进行实时测量；
步骤四、力学性能数据计算：根据步骤三获得的载荷-位移-应变试验数据，绘制该加载条件下的剪切应力-剪切应变曲线，并分别得到正向剪切屈服强度τT、反向剪切屈服强度τC；
步骤五、力学性能数据转换：根据金属板材服从的屈服准则将正、反剪切屈服强度τT、τC转换为对应的拉、压屈服强度σT、σC；假设屈服准则为
式中，A为屈服准则的系数矩阵，σx为x方向的正应力分量，α为x-y平面内两正应力比值，α＝σy/σx，σy为y方向的正应力分量，τ为面内剪切应力分量，/>
为流动应力；当屈服准则的系数矩阵A、流动应力/>
已知时，通过变换公式/>
即确定当α＝0时的单轴屈服应力σx和剪切应力分量τ的关系；换言之，当代入正向剪切屈服强度τT即确定对应的正向单轴拉伸屈服强度σT、代入反向剪切屈服强度τC即确定反向单轴压缩屈服强度σC；
步骤六、包辛格效应表征：根据步骤四和步骤五得到的数据，通过公式βσ＝(|σT|-|σC|)/σT计算得到包辛格效应系数βσ。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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