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方法文章

一种用于确定热冲压条件下成形极限的新型双向拉伸试验装置

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DOI：

10.3791/55524

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2017年4月4日

 , 
1Department of Mechanical Engineering, Imperial College London

本文内容

摘要

本方案提出了一种新型双轴测试系统，该系统应用于电阻加热单轴拉伸试验机，用于测定板材金属在热冲压条件下的成形极限图（FLD）。

摘要

热冲压与冷模具淬火工艺正越来越多地用于成形具有复杂形状的金属板结构部件。传统的实验方法，如面外和面内试验，在涉及热冲压条件下的测试中，若在成形前引入加热和快速冷却过程，则无法适用于成形极限的测定。为此，设计并采用了一种新型面内双向拉伸试验系统，用于在电阻加热单轴试验机中经过加热和冷却过程后，在不同应变路径、温度和应变率条件下测定金属板的成形极限。该双向试验系统的核心部分为一个双向加载装置，可将单轴试验机提供的单轴力转化为双向力。设计并验证了一种十字形试样，用于采用所提出的双向试验系统对铝合金6082进行成形性测试。采用配备高速相机的数字图像相关（DIC）系统，在变形过程中对试样的应变进行测量。提出该双向试验系统的目的在于，能够在热冲压条件下，于不同温度和应变率下测定合金的成形极限。

引言

汽车行业正面临减少燃料消耗和最小化车辆排放造成的环境污染这一巨大的全球性挑战。减轻重量有助于提高汽车的性能，并可直接降低能源消耗1。由于金属板材在室温下成形性较低，因此采用热冲压和冷模淬火工艺（简称热冲压）2来提高合金的成形性，从而在汽车应用中获得形状复杂的部件。

成形极限图（FLD）是评估合金成形性能的有用工具3。平面外试验（如 Nakazima 试验4,5）和平面内试验（如 Marciniak 试验6,7,8）是获取板材金属在不同条件下成形极限图的传统实验方法9,10,11。伺服液压双向加载试验机也已被用于研究合金在室温下的成形性能12,13。

然而，上述方法均不适用于热冲压条件下的成形性测试，因为成形前需要冷却过程，同时需控制加热和冷却速率。变形温度和应变速率难以准确获得。因此，本研究提出一种新型成形性测试系统，用于实验测定板材在热冲压条件下的成形极限。

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方案

1. 标本制备

  1. 使用激光切割机和计算机数控（CNC）铣床从商用材料铝合金6082（AA6082）加工出平板哑铃形和十字形试样（用于在不同应变路径下进行成形性测试，包括单轴、平面应变和等双轴拉伸状态）。
  2. 使用游标卡尺在每个十字形试样和每个哑铃形试样的中心标距区域测量厚度三次，并计算平均值。确保十字形试样标距部分的厚度为0.7 ± 0.05 mm，单轴试样厚度为1.5 ± 0.1 mm。
  3. 使用耐高温（可承受高达1,093 °C温度）的黑色喷漆对十字形试样的整个上表面进行喷涂。待漆面干燥后，从一臂距离处喷涂耐高温白色喷点，形成随机分布的喷点图案，以便数字图像相关（DIC）系统识别（参见图1中的示例）。
  4. 将一对热电偶焊接在试样背面中心位置（与喷漆面相对），并将热电偶另一端连接至单轴试验机的反馈温控系统，以监测并控制温度变化历程。

2. 双轴测试装置的组装

  1. 组装双向拉伸测试装置的所有部件，包括底板、中心轴、输入和输出旋转板、滑车、夹具、导轨以及刚性连接杆（组装好的装置如图2所示）。
    1. 使用一根连接杆将输入旋转板直接连接至电阻加热单轴拉伸试验机的可移动夹头，该试验机提供单轴拉伸力。将输入旋转板与中心驱动轴连接，并将该中心驱动轴与输出旋转板连接。
    2. 确保输入旋转板绕旋转轴的转动可带动驱动轴旋转，从而使其连接的输出旋转板也绕旋转轴转动。
    3. 在每一根刚性连接杆的一端，将其连接至输出旋转板上的一个连接点；另一端连接至一个滑车。
      注：这将使带有试样夹持器的滑车沿导轨低摩擦地来回滑动，从而对十字形试样施加双向力。
    4. 使用螺栓将十字形试样的每个臂固定在带有试样夹持器和上盖板的滑车上。
  2. 按照图3 (a)所示，在单轴拉伸试验机的腔室内安装夹具。将四根焊接电缆分别连接至两对夹具，夹具分别由不锈钢和铜制成，从而将焊接电缆连接至电源。
    注：焊接电缆的导体截面积为50 mm2，额定电流为345 A。
    1. 将夹具和双向拉伸测试装置的夹具放入单轴拉伸试验机的两个夹头内并夹紧（图3 (a)）。
  3. 按照图3 (b)所示，将双向拉伸测试装置安装在单轴拉伸试验机的腔室内。
    1. 使用两个框架以及底板顶部和底部的螺栓，将装置固定在单轴拉伸试验机的腔室内。
    2. 将试样放入双向拉伸测试装置顶部的试样夹持器中。
    3. 将每根焊接电缆的端子连接至试样的每个夹持区域。

3. 加热与淬火系统的设置

  1. 将试样的每个夹紧区域紧密连接到不锈钢上板，该上板用作电阻加热的电极。
  2. 使用压接环形端子将焊接电缆紧固到每个夹紧区域的上板上。
  3. 将扩口喷嘴通过软管连接至高流量淬火系统，并调节空气供应压力至 8,000 kg/m2，用于冷却。
  4. 使用四个喷嘴从试样的臂部向中心区域吹气。
    注意：喷嘴不应对准试样的标距段进行冷却，以避免遮挡摄像机对中心区域的视野。

4. 差示干涉对比系统的设置

  1. 将DIC系统的高速相机连接至带有微距镜头的计算机。从帧率菜单中将相机的帧率分别调整为25 fps、50 fps和500 fps（分别用于拉伸应变率为0.01/s、0.1/s和1/s的测试）。将所有图像的分辨率设置为1,280×1,024像素。
    注意：帧率取决于需采集的数据点数量；使用上述设置至少可采集200个数据点。
  2. 在高应变率测试中，使用功率为300 W的额外聚光灯。将聚光灯直接对准单轴拉伸试验机的样品室。
  3. 调整相机镜头，使其与样品室中试样的上表面平行，并将相机焦点对准试样的标距段。

5. 实验方案

  1. 点击控制软件中的三角形运行按钮，启动电阻加热单轴拉伸试验机。
    注意：电流通过AA6082材料，以30 °C/s的加热速率将其加热至535 °C的固溶热处理温度14。材料在535 °C下保温1分钟，足以使析出相完全溶解。通过淬火系统的吹风装置以100 °C/s的冷却速率将材料淬火至370–510 °C范围内的3个指定高温之一15。
  2. 使用双轴测试装置以0.01–1/s范围内的恒定应变率拉伸试样，并通过手动按下与高速相机连接的触发按钮记录变形过程。
    注意：单轴试验机向双轴测试装置输入的位移由单轴试验机的内置软件控制。
  3. 通过调整双轴测试装置的配置，在不同的应变路径下进行试验，包括单轴、平面应变和双轴应变状态3。
    1. 进行单轴试验时，断开两个相对的连杆。将哑铃形试样夹持在双轴测试装置上，并如步骤3.1–3.4所述连接至焊接电缆。重复步骤5.1–5.2。
    2. 在平面应变状态下测试时，使用螺栓将两个相对的滑块固定在底板上，以限制相应方向的变形。将十字形试样夹持在双轴测试装置上，并如步骤3.1–3.4所述连接至焊接电缆。重复步骤5.1–5.2。
  4. 每种试验条件下，使用新的哑铃形和十字形试样，重复步骤5.3.1–5.3.2三次。

6. 数据处理

  1. 将高速相机记录的所有图像导入后处理软件，并根据软件手册中的标准步骤进行数据分析。
  2. 通过点击软件中的 FLC Mode 按钮，使用 ISO 标准3 确定成形极限。
    注意：该方法已被集成到图像相关性处理软件中。
  3. 在图表中标注不同温度、应变率和应变路径下的各个成形极限结果。
  4. 绘制所有测试条件下的成形极限曲线，以获得合金在热冲压条件下的成形极限图（FLD）。

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结果

由于成形极限图（FLD）对应变路径高度依赖，通过分析数字图像相关（DIC）结果验证了每种试验条件下的应变路径线性；各试验条件下的应变路径在整个变形过程中均保持成比例关系。主应变与次应变之比的范围约为 -0.37（单轴条件）至 0.26（接近双轴条件）。通过对不同状态的 AA6082 合金数据进行处理，确定了不同应变路径下的成形极限数据，从而通过曲线拟合获得了 AA6082 在热冲压条件下的成形极限图。在图3中，经过加热和冷却过程后，在不同温度、应变率和应变路径下获得了成形极限数据。拟合的虚线表示该合金 AA6082 的成形能力。成形极限曲线标识了均匀变形与塑性失稳或弥散性缩颈起始之间的边界，后者将导致失效。曲线以上的区域代表潜在失效区，曲线以下的区域被视为安全区，在相应试验条件下发生均匀变形。若形状保持不变，较高的成形极限曲线（FLC）表明材料具有更好的成形性能。

在加热和冷却过程完成后，使用新型面内双向拉伸试验系统，...

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讨论

用于确定成形极限的传统成形性测试方法通常仅适用于室温条件。本研究所提出的技术通过将一种新型双向测试装置引入电阻加热单轴试验机，可用于评估金属在热冲压成形应用中的成形性能。而传统方法无法实现热冲压应用中的此类测试。加热与冷却系统的配置以及数字图像相关（DIC）系统的设置对于控制试样温度分布的均匀性，进而准确记录拉伸试样变形历史至关重要。

在该技术中，单轴拉伸试验机可精确控制加热和冷却速率，适用于复杂的成形工艺应用。双轴加载机构具有相对简单的结构，与传统的双轴拉伸测试机构相比，降低了双轴拉伸测试的成本和复杂性。然而，该测试系统中由电阻加热产生的温度场受试样设计的影响，试样上的温度梯度无法避免。目前尚无适用于此类双轴测试的标准试样设计。

综上所述，这是首次获得合金在热冲压条件下的成形极限图（FLD）。在指定范围内较高的成形速度和高温有利于提高AA6082在热冲压条件下的成形极限。该新型技术可用于确定板材金属在复杂试验条件下的成形极限。所获得的实验结果可用于建立能够预测合金热-力行为及其成形性能的材料模型。未来可对该装置的机构进行改进...

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披露

作者无任何利益冲突披露。

致谢

本研究由欧盟第七框架计划（FP7/2007-2013）资助，项目编号为604240，项目名称为“一种工业系统，旨在推动一项已获专利且经实验室验证的材料加工技术在交通行业轻质结构低成本成形中的应用（LoCoLite）”。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
铝合金 Smiths Metal6082试样加工
激光切割机LVD LtdHELIUS 25/13激光切割试样
数控机床HAAS AutomationTM-2CE通过铣削加工试样
游标卡尺Mitutoyo575-481厚度测量
电阻加热单轴试验机Dynamic System IncGleeble 3800热-力耦合材料模拟系统
高流量淬火系统Dynamic System Inc38510用于空气冷却
热电偶Dynamic System IncK型
喷嘴Indexa喇叭形喷嘴，内径1/4英寸
焊接电缆LAPP GroupH01N2-D
高速相机PhotronUX50用于数字图像相关（DIC）测试
相机镜头NikonMicro 200mm
照明灯Liliput150ce300 W
笔记本电脑HPCampaq 2530p用于图像记录
双向拉伸试验装置自主制造所有部件均由作者设计并加工，用于双向拉伸试验
钢 West Yorkshire SteelH13双向拉伸试验装置的材料
图像相关处理软件GOMARAMIS非接触式测量系统及数据后处理

参考文献

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