一种金属板材面外剪切性能测试方法与流程

本发明涉及到一种金属板材面外剪切性能测试方法，属于板材成形性能测试技术领域。

背景技术：

为了节能减排，汽车轻量化已成为我们的必然选择。与普通低碳钢相比，先进高强钢强度明显提高，可以在满足汽车安全的前提下通过减小厚度实现车身轻量化。目前，不同强度级别的先进高强钢材料已被广泛运用于各种车身结构件中。先进高强钢强度较高，这也导致了其冲压成形后零件的残余应力大，回弹现象严重，尺寸精度差。为了减小回弹，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，并在工艺上加大压边力，以减少回弹缺陷，提高尺寸精度。然而，随着弯曲圆角半径的减小，板料靠近凸凹模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在低碳钢和低合金高强钢中观察到的颈缩断裂现象有明显的不同，断裂位置平行于模具圆角处，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，因此汽车工业界中唯象地将这种拉伸状态下弯曲圆角处的早期断裂模式称之为“剪切断裂”。

金属板材在制备过程中，轧制工艺导致材料内部的微孔洞及夹杂物沿轧制方向被拉长、沿厚度方向扁平化，晶粒择优取向形成织构，不仅会导致金属板材塑性呈现明显的各向异性，还会导致金属板材在板平面内和板平面外的断裂强度不同，即各向异性断裂。此外，对于以双相钢为代表的一类先进高强钢而言，马氏体岛主要在金属板材中间层形核并聚集，这种现象进一步导致其面外剪切强度不同于面内剪切强度。

一般而言，金属板材在成形过程中主要受到板平面内的载荷作用，垂直于板平面的正向应力可以忽略不计，故传统的板材成形过程通常假定为平面应力状态。学术界及工程界大多采用面内实验来获取金属板材力学性能，研究并预测金属板材的变形及失效行为。然而，在小圆角成形条件下，垂直于板平面的正向应力显著，材料受到复杂的剪应力作用，特别是面外的剪应力，板材的失效行为与板平面内加载为主的条件下的失效行为明显不同，此时金属板材面外性能的影响必须考虑。为了准确理解并预测金属板材在小圆角成形条件下的“剪切断裂”现象，必须建立金属板材面外性能测试方法，设计相应的试样及夹具。

现有技术中，已有一些技术是针对厚度较厚的高强度管线钢，即15～30mm厚，通过在厚度方向上设计“迷你圆棒试样”进行单向拉伸实验来获取材料沿厚度方向的力学性能，但是对于厚度较薄的金属板材，比如1～6mm，由于厚度尺寸的限制，这种面外性能测试方法无法实现。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，针对金属板材，突破其厚度方向尺寸的限制，提供一种可以实现面外剪切加载的剪切试样设计，以及防止试样剪切变形区发生转动的夹具设计，建立金属板材面外剪切性能测试方法。

为实现上述目的，本发明是根据以下技术方案实现的：

一种金属板材面外剪切性能测试方法，包括如下步骤：

步骤s1：从厚度为t的金属板材上加工出长度为h、宽度为w的矩形毛坯；

步骤s2：在矩形毛坯一侧沿厚度方向加工出宽度为h1、深度t1＝t/2的矩形槽，矩形槽底部圆角半径为r，整个矩形槽贯穿矩形毛坯的宽度方向；

步骤s3：采用同样的方式，在矩形毛坯厚度方向的另一侧，相距对侧矩形槽h2的位置处，加工出宽度为h3，其中h3＝h1，深度t2＝t/2，底部圆角半径为r的另一个矩形槽；

步骤s4：面外剪切试样在两个对侧加工的矩形槽之间形成了一个长度为h2的剪切变形区。

步骤s5：所述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；

步骤s6：完成面外剪切试样与防转动夹具的装配，夹持于通用拉伸试验机的通用夹具上进行面外剪切实验；

步骤s7：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，得到面外剪切试样变形过程中的应变，通过将力-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，h2为剪切变形区的长度，从剪应力-应变曲线中得到金属板材的面外剪切强度、面外剪切断裂应变的力学性能。

上述技术方案中，所述步骤s3中，两个矩形槽之间的剪切变形区长度h2与金属板材的厚度t之间的比值必须满足：其中分别为材料的拉伸强度和剪切强度。

上述技术方案中，所述步骤s6中，所述防转动夹具包括左上夹板、右上夹板、左下夹板、右下夹板，其中所述左上夹板和所述右上夹板通过两个螺栓预紧组成上夹具，所述左下夹板和所述右下夹板通过两个螺栓预紧组成下夹具，采用上夹具和下夹具分离式结构减小面外剪切试样变形过程中上夹具、下夹具与剪切变形区的摩擦。

上述技术方案中，所述左上夹板、所述右上夹板、所述左下夹板、所述右下夹板都为t型结构，所述左上夹板、所述右上夹板、所述左下夹板、所述右下夹板试样夹持部分宽度均等于面外剪切试样宽度。

上述技术方案中，所述左上夹板和所述右下夹板具有相同的结构和尺寸，所述右上夹板和所述左下夹板具有相同的结构和尺寸。

上述技术方案中，所述右上夹板的高度比左上夹板高h1+h2，所述左下夹板的高度比右下夹板高h2+h3。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

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矩形槽，在两个矩形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实验，操作简单方便。

2.本发明通过设计防转动夹具，可有效避免面外剪切试样拉伸实验过程中剪切变形区的转动；左上夹板、右上夹板、左下夹板、右下夹板，均设计为t型结构，便于拉伸实验过程中使用先进的三维数字散斑动态应变测量设备对面外剪切试样的剪切变形区进行应变测量；防转动夹具采用上、下夹具分离式结构，可以有效避免面外剪切试样变形过程中上、下夹具与剪切变形区之间产生摩擦。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明面外剪切试样与防转动夹具装配结构示意图；

图2为本发明面外剪切试样尺寸示意图；

图3为本发明左上夹板示意图；

图4为本发明右上夹板示意图；

图5为本发明左下夹板示意图；

图6为本发明右下夹板示意图；

图中，附图标记为：1-面外剪切试样；2-左上夹板；3-右上夹板；4-左下夹板；5-右下夹板；6-螺栓；7-螺母。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

图1为本发明面外剪切试样与防转动夹具装配结构示意图；图2为本发明面外剪切试样尺寸示意图；图3-6为本发明各夹板示意图；如图1-图6所示，本发明的一种金属板材面外剪切性能测试方法，包括如下步骤：

步骤s1：从厚度为t的金属板材上加工出长度为h、宽度为w的矩形毛坯；

步骤s2：在矩形毛坯一侧沿厚度方向加工出宽度为h1、深度t1＝t/2的矩形槽，矩形槽底部圆角半径为r，整个矩形槽贯穿矩形毛坯的宽度方向；

步骤s3：采用同样的方式，在矩形毛坯厚度方向的另一侧，相距对侧矩形槽h2的位置处，加工出宽度为h3，其中h3＝h1，深度t2＝t/2，底部圆角半径为r的另一个矩形槽；

步骤s4：面外剪切试样在两个对侧加工的矩形槽之间形成了一个长度为h2的剪切变形区。

步骤s5：所述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；

步骤s6：完成面外剪切试样与防转动夹具的装配，夹持于通用拉伸试验机的通用夹具上进行面外剪切实验；

步骤s7：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，得到面外剪切试样变形过程中的应变，通过将力-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，h2为剪切变形区的长度，从剪应力-应变曲线中得到金属板材的面外剪切强度、面外剪切断裂应变的力学性能。

上述技术方案中，所述步骤s3中，两个矩形槽之间的剪切变形区长度h2与金属板材的厚度t之间的比值必须满足：其中分别为材料的拉伸强度和剪切强度。

防转动夹具包括左上夹板2、右上夹板3、左下夹板4、右下夹板5，其中左上夹板2和右上夹板3分别位于面外剪切试样1上侧矩形槽左、右两侧，通过两个螺栓6预紧组成上夹具，左下夹板4和右下夹板5分别位于面外剪切试样1下侧矩形槽左、右两侧，通过两个螺栓6预紧组成下夹具，面外剪切试样1与防转动夹具装配完成后，右上夹板3、左下夹板4恰好分别包覆面外剪切试样1剪切变形区左、右侧，从而限制拉伸实验过程中剪切变形区发生转动。面外剪切试样1在剪切变形过程中，上夹具与面外剪切试样1上半部分无相对滑动，从而避免摩擦产生；下夹具与面外剪切试样1下半部分无相对滑动，从而避免摩擦产生。

如图2所示，面外剪切试样1的长度为l、宽度为w、厚度为t，在面外剪切试样1两侧沿厚度方向分别加工一个相同尺寸大小的矩形槽，槽宽h1＝h3，槽深t1＝t/2，矩形槽底部圆角半径r，两个矩形槽相距h2，其中h2＝t/2，在两个矩形槽之间形成了一个长度为h2的剪切变形区。

如图3-图6所示，左上夹板2、右上夹板3、所述左下夹板4、右下夹板5都为t型结构，便于拉伸实验过程中使用先进的三维数字散斑动态应变测量设备对面外剪切试样的剪切变形区进行应变测量。左上夹板2、右上夹板3、左下夹板4、右下夹板5试样夹持部分宽度均等于面外剪切试样宽度，宽度均为w。左上夹板2、左下夹板4的高度均为h4，右上夹板3、右下夹板5的高度分别为h4+h1+h2，h4+h2+h3。左上夹板和右下夹板具有相同的结构和尺寸，右上夹板和左下夹板具有相同的结构和尺寸。

右上夹板3的高度比左上夹板3高h1+h2，左下夹板4的高度比右下夹板5高h2+h3。

实施例结果表明，本发明面外剪切试样和防转动夹具可以实现金属板材面外剪切性能测试，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。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。