剪切试样及断裂应变测试方法技术

本发明专利技术公开了剪切试样及断裂应变测试方法，属于板材性能测试技术领域，本发明专利技术要解决的技术问题为如何准确预测金属板料在剪切应力状态下断裂现象，提出的方法和手段能够保证试样在拉伸变形过程中更接近纯剪应力状态，从而更加符合实际情况，采用的技术方案为：一种剪切试样，该剪切试样采用矩形金属板，矩形金属板的中心位置设置有长条槽，长条槽两端处分别设置有试验槽一和试验槽二，试验槽一位于长条槽的上方，试验槽二位于长条槽的下方；其中，试验槽一包括圆孔一和细槽一，圆孔一设置在长条槽端部的上方，细槽一的一端与圆孔一相连通，细槽一的另一端延伸至矩形金属板的一侧边的边缘处。本发明专利技术还公开了剪切试样的断裂应变测试方法。测试方法。测试方法。

【技术实现步骤摘要】
剪切试样及断裂应变测试方法


[0001]本专利技术涉及板材成形性能测试
，具体地说是一种剪切试样及断裂应变测试方法。

技术介绍

[0002]汽车轻量化在节能减排、保护环境，实现碳达峰、碳中和等方面有着重要的作用，采用轻质材料替代传统的钢材是实现汽车轻量化最显著最重要的措施。而轻质材料当中两种材料起到关键作用：先进高强钢和铝合金。先进高强度钢在实现减重的同时，仍具有较高强度和较好塑性，得到了广泛的应用。铝合金的密度是钢密度的三分之一，回收率高，易加工成型防撞性强，故也是极具潜力的汽车轻量化材料。先进高强钢和铝合金在冲压过程中容易发生回弹现象，降低尺寸精度。为减小回弹往往会在模具上设计较小的弯曲圆角半径，同时在冲压过程中使用较大的压边力，但随着弯曲圆角半径减小出现了板料靠近弯曲圆角附近提前发生断裂的现象，该现象的断裂裂纹与模具圆角平行，断口处几乎没有明显的材料减薄。在厚度方向上，由于断口方向与拉伸主应力方向成45
°
角，因此在汽车工业中拉伸状态下的弯曲圆角提前断裂的现象为“剪切断裂”。
[0003]由于在冲压过程中发生的这种小圆角半径拉弯变形，材料在这种变形过程中受到复杂的剪应力作用，如何确保在拉伸实验过程中所设计试样更接近纯剪应力状态、如何准确预测金属板料在小圆角附近弯曲成形发生的剪切断裂现象，是目前亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的技术任务是提供一种剪切试样及断裂应变测试方法，所设计的试样在拉伸过程中更接近纯剪应力状态，并提出一种断裂应变测试方法，来准确预测金属板料在剪应力状态下成形发生的剪切断裂现象。
[0005]本专利技术的技术任务是按以下方式实现的，一种剪切试样，该剪切试样采用矩形金属板，矩形金属板的中心位置设置有长条槽，长条槽两端处分别设置有试验槽一和试验槽二，试验槽一位于长条槽的上方，试验槽二位于长条槽的下方；
[0006]其中，试验槽一包括圆孔一和细槽一，圆孔一设置在长条槽端部的上方，细槽一的一端与圆孔一相连通，细槽一的另一端延伸至矩形金属板的一侧边的边缘处；
[0007]试验槽二包括圆孔二和细槽二，圆孔二设置在长条槽端部的下方；细槽二的一端与圆孔二相连通，细槽二的另一端延伸至矩形金属板的另一侧边的边缘处；
[0008]圆孔一与长条槽之间的区域以及圆孔二与长条槽之间的区域均为剪切变形区域。
[0009]作为优选，所述细槽一的侧壁与矩形金属板侧边之间的锐角为45
°
，细槽二的侧壁与矩形金属板侧边之间的锐角为45
°
。
[0010]更优地，所述圆孔二与圆孔一以长条槽为中心对称设置。
[0011]更优地，所述长条槽是由矩形槽以及位于矩形槽两端的半圆弧形槽一和半圆弧形
槽二组成的半圆弧形长条槽，圆孔一的圆心和半圆弧形槽一的圆心之间的连线以及圆孔二和半圆弧形槽二的圆形之间连线与矩形金属板宽度方向的中心线形成的锐角为15
°
。
[0012]更优地，所述长条槽沿矩形金属板的长度方向设置且长条槽的总长度为矩形金属板的长度的1/12。
[0013]一种剪切试样的断裂应变测试方法，该方法具体步骤如下，
[0014]S1、制备如上述的剪切试样；
[0015]S2、对剪切试样进行预处理；
[0016]S3、将剪切试样夹持在拉伸试验机的通用夹具上进行拉伸试验，同时使用三维数字散斑动态应变测量设备对剪切变形区域进行应变测量；
[0017]S4、获取等效应力
‑
应变曲线；
[0018]S5、对等效应力
‑
应变曲线进行数值仿真模拟，通过数值仿真软件获取的载荷
‑
位移曲线和试验获取的载荷
‑
位移曲线进行对比，通过数值仿真软件对剪切试样的塑性变形进行预测；
[0019]S6、通过试验和仿真获得的等效应变
‑
位移曲线确定剪切试样芯部的断裂应变，即最大等效应变；
[0020]S7、从三维数字散斑动态应变测量设备中提取剪切变形区域最大等效应变点的主次应变数据，在数值仿真软件中提取对应点的主次应变数据，并将试验和仿真的应变路径和理论下纯剪切应力状态的应变路径对比，得出试验和仿真的应变路径都与理想下纯剪状态应变路径重合效果满意的结论，材料试验和仿真主次应变的比值约为β＝
‑
1，说明剪切试样在拉伸过程中经历纯剪应变路径；
[0021]S8、计算断裂应变点的归一化应力三轴度和罗德参数。
[0022]作为优选，所述步骤S2中的对剪切试样进行预处理具体如下：
[0023]S201、使用砂纸对剪切试样进行细磨，保证表面光滑无毛刺；
[0024]S202、距离剪切试样30cm处，将白色哑光漆从上方一次性直接喷洒到剪切变形区域表面；5
‑
10分钟后，距离剪切试样50cm处，将黑色哑光漆喷嘴斜向上60度角方向喷洒，呈雾状均匀散落在白漆表面，5
‑
10
°
小幅度左右摆动喷嘴至肉眼所见剪切试样表面颜色变暗为止，使剪切试样的表面随机分布1:1的黑白相间的细密散斑；
[0025]所述步骤S4中的获取等效应力
‑
应变曲线具体如下：
[0026]S401、通过拉伸试验机的传感器记录输出剪切力，三维数字散斑动态应变测量设备中记录输出剪切变形区域的等效应变、主次应变、剪切角以及标距段位移；
[0027]S402、计算剪切应力τ和等效应力σ
eq
，公式如下：
[0028][0029][0030]其中，F表示拉伸试验机测得的剪切载荷；S0表示试样剪切变形区域的原始横截面积；
[0031]S403、从三维数字散斑动态应变测量设备中提取剪切变形区域剪切角θ，计算剪切应变γ和等效应变ε
eq
，公式分别如下：
[0032]γ＝tanθ；
[0033][0034]S404、通过等效应力σ
eq
和等效应变ε
eq
绘制等效应力
‑
应变曲线；
[0035]S405、使用外推法获得单轴拉伸应变范围之外的等效应力
‑
应变曲线。
[0036]作为优选，所述步骤S6中的通过试验和数值仿真软件结果的等效应变
‑
位移曲线确定剪切试样芯部的断裂应变具体如下：
[0037]S601、从三维数字散斑动态应变测量设备中提取剪切变形区域中最大等效应变点(最大等效应变点为剪切变形区域表面中心点)的等效应变
‑
位移历史数据A、提取仿真结果中对应的表面点的等效应变
‑
位移历史数据B以及剪切试样芯部最大等效应变点的等效应变
‑
位移历史数据C；
[0038]S602、通过试验和仿真获取的剪切试样剪切变形区域的表面应变场以及试验和仿真剪切区域表面中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种剪切试样，其特征在于，该剪切试样采用矩形金属板，矩形金属板的中心位置设置有长条槽，长条槽两端处分别设置有试验槽一和试验槽二，试验槽一位于长条槽的上方，试验槽二位于长条槽的下方；其中，试验槽一包括圆孔一和细槽一，圆孔一设置在长条槽端部的上方，细槽一的一端与圆孔一相连通，细槽一的另一端延伸至矩形金属板的一侧边的边缘处；试验槽二包括圆孔二和细槽二，圆孔二设置在长条槽端部的下方；细槽二的一端与圆孔二相连通，细槽二的另一端延伸至矩形金属板的另一侧边的边缘处；圆孔一与长条槽之间的区域以及圆孔二与长条槽之间的区域均为剪切变形区域。2.根据权利要求1所述的剪切试样，其特征在于，所述细槽一的侧壁与矩形金属板侧边之间的锐角为45
°
，细槽二的侧壁与矩形金属板侧边之间的锐角为45
°
。3.根据权利要求1或2所述的剪切试样，其特征在于，所述圆孔二与圆孔一以长条槽为中心对称设置。4.根据权利要求3所述的剪切试样，其特征在于，所述长条槽是由矩形槽以及位于矩形槽两端的半圆弧形槽一和半圆弧形槽二组成的半圆弧形长条槽，圆孔一的圆心和半圆弧形槽一的圆心之间的连线以及圆孔二和半圆弧形槽二的圆形之间连线与矩形金属板宽度方向的中心线形成的锐角为15
°
。5.根据权利要求4所述的剪切试样，其特征在于，所述长条槽沿矩形金属板的长度方向设置且长条槽的总长度为矩形金属板的长度的1/12。6.一种剪切试样的断裂应变测试方法，其特征在于，该方法具体步骤如下，S1、制备如权利要求1
‑
5中任一所述的剪切试样；S2、对剪切试样进行预处理；S3、将剪切试样夹持在拉伸试验机的通用夹具上进行拉伸试验，同时使用三维数字散斑动态应变测量设备对剪切变形区域进行应变测量；S4、获取等效应力
‑
应变曲线；S5、对等效应力
‑
应变曲线进行数值仿真模拟，通过数值仿真软件获取的载荷
‑
位移曲线和试验获取的载荷
‑
位移曲线进行对比，通过数值仿真软件对剪切试样的塑性变形进行预测；S6、通过试验和仿真获得的等效应变
‑
位移曲线确定剪切试样芯部的断裂应变，即最大等效应变；S7、从三维数字散斑动态应变测量设备中提取剪切变形区域最大等效应变点的主次应变数据，在数值仿真软件中提取对应点的主次应变数据，并将试验和仿真的应变路径和理论下纯剪切应力状态的应变路径对比，得出试验和仿真的应变路径都与理想下纯剪状态应变路径重合效果满意的结论，材料试验和仿真主次应变的比值约为β＝
‑
1，说明剪切试样在拉伸过程中经历纯剪应变路径；S8、计算断裂应变点归一化的应力三轴度和罗德参数。7.根据权利要求6所述的剪切试样的断裂应变测试方法，其特征在于，所述步骤S2中的对剪切试样进行预处理具体如下：S201、使用砂纸对剪切试样进行细磨，保证表面光滑无毛刺；S202、距离剪切试样30cm处，将白色哑光漆从上方一次性直接喷洒到剪切变形区域表
面；5

【专利技术属性】
技术研发人员：唐炳涛，代恩凯，吕志亲，郭宁，刘纪源，
申请(专利权)人：齐鲁工业大学，
类型：发明
国别省市：