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）。
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本文内容
摘要
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....
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方案
1. 标本制备
- 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）。
- 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。
- 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）。
- 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
- 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）。
- 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。
- 确保输入旋转....
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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
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 铝合金 | Smiths Metal | 6082 | 试样加工 |
| 激光切割机 | LVD Ltd | HELIUS 25/13 | 激光切割试样 |
| 数控机床 | HAAS Automation | TM-2CE | 通过铣削加工试样 |
| 游标卡尺 | Mitutoyo | 575-481 | 厚度测量 |
| 电阻加热单轴试验机 | Dynamic System Inc | Gleeble 3800 | 热-力耦合材料模拟系统 |
| 高流量淬火系统 | Dynamic System Inc | 38510 | 用于空气冷却 |
| 热电偶 | Dynamic System Inc | K型 | |
| 喷嘴 | Indexa | 喇叭形喷嘴，内径1/4英寸 | |
| 焊接电缆 | LAPP Group | H01N2-D | |
| 高速相机 | Photron | UX50 | 用于数字图像相关（DIC）测试 |
| 相机镜头 | Nikon | Micro 200mm | |
| 照明灯 | Liliput | 150ce | 300 W |
| 笔记本电脑 | HP | Campaq 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 Steel | H13 | 双向拉伸试验装置的材料 |
| 图像相关处理软件 | GOM | ARAMIS | 非接触式测量系统及数据后处理 |
参考文献
- Karbasian, H., Tekkaya, A. E. A review on hot stamping. J. of Mater. Process. Tech. 210 (15), 2103-2118 (2010).
- Miller, W. S., et al. Recent development in aluminium alloys for the automotive industry. Mater. Sci. and Eng. 280 (1), 37-49 (2000).
- Shao, Z., Li, N., Lin, J., Dean, T. A. Development of a New Biaxial Testing System for ....
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重印与许可
