[发明专利]一种金属板材面外剪切性能测试方法

说明书

本发明公开了一种金属板材面外剪切性能测试方法，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，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，从而可实现金属板材面外剪切性能测试。本发明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，将力‑位移曲线转换成剪应力‑应变曲线，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。

技术领域

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。

发明内容

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；