Name: 一种新型双轴试验设备的成形极限的下烫印条件的决定 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-04-04T12:30:00.000+00:00
Duration: 7 min 40 s
Description: 了解如何使用新型双轴测试系统在热冲压条件下测定金属板材的成形极限。该方法通过电阻加热单轴拉伸试验机实现不同应变路径的成形性测试，为材料科学和机械工程领域提供可靠的实验数据。

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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）”。

1. 标本制备
<ol>
	<li>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）。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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）。</li>
	<li>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。</li>
</ol>
2. 双轴测试装置的组装
<ol>
	<li>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）。
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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。
	<ol>
		<li>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)）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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。
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>将试样放入双向拉伸测试装置顶部的试样夹持器中。</li>
		<li>将每根焊接电缆的端子连接至试样的每个夹持区域。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 加热与淬火系统的设置
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>
4. 差示干涉对比系统的设置
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>
5. 实验方案
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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。</li>
</ol>
6. 数据处理
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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）。</li>
</ol>

<ol><li>Karbasian, H., Tekkaya, A. E. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S092401361000213X">A review on hot stamping.</a> J. of Mater. Process. Tech. 210 (15), 2103-2118 (2010).</li>
<li>Miller, W. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S092150939900653X">Recent development in aluminium alloys for the automotive industry.</a> Mater. Sci. and Eng. 280 (1), 37-49 (2000).</li>
<li>Shao, Z., Li, N., Lin, J., Dean, T. A. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1007/s11340-016-0183-9">Development of a New Biaxial Testing System for Generating Forming Limit Diagrams for Sheet Metals Under Hot Stamping Conditions.</a> Exp. Mech. 56 (9), 1-12 (2016).</li>
<li>Ayres, R. A., Wenner, M. L. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1007/BF02686404">Strain and strain-rate hardening effects in punch stretching of 5182-0 aluminum at elevated temperatures.</a> Metall. Trans. A. 10 (1), 41-46 (1979).</li>
<li>Shao, Z., et al. <a target="_blank" href="http://journals.sagepub.com/doi/abs/10.1177/0954405416645776">Experimental investigation of forming limit curves and deformation features in warm forming of an aluminium alloy.</a> P. I. Mech. Eng. B-J. Eng. , (2016).</li>
<li>Marciniak, Z., Kuczynski, K. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0020740367900665">Limit strains in the processes of stretch-forming sheet metal.</a> Int. J. Mech. Sci. 9 (9), 609-620 (1967).</li>
<li>Li, D., Ghosh, A. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924013603008550">Biaxial warm forming behavior of aluminum sheet alloys.</a> J. of Mater. Process. Tech. 145 (3), 281-293 (2004).</li>
<li>Palumbo, G., Sorgente, D., Tricarico, L. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0890695508001223">The design of a formability test in warm conditions for an AZ31 magnesium alloy avoiding friction and strain rate effects.</a> Int. J. Mach. Tool. Manu. 48 (14), 1535-1545 (2008).</li>
<li>Raghavan, K. S. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1007/BF02670679">A simple technique to generate in-plane forming limit curves and selected applications.</a> Metall. Mater. Trans. A. 26 (8), 2075-2084 (1995).</li>
<li>Ragab, A. R., Baudelet, B. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0378380482900274">Forming limit curves: out-of-plane and in-plane stretching.</a> J. Mech. Work. Technol. 6 (4), 267-276 (1982).</li>
<li>Fan, X. -b, He, Z. -b, Zhou, W. -x, Yuan, S. -j <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924013615301680">Formability and strengthening mechanism of solution treated Al-Mg-Si alloy sheet under hot stamping conditions.</a> J. of Mater. Process. Tech. 228, 179-185 (2016).</li>
<li>Zidane, I., Guines, D., Léotoing, L., Ragneau, E. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0957-0233/21/5/055701/meta">Development of an in-plane biaxial test for forming limit curve (FLC) characterization of metallic sheets.</a> Meas. Sci. Technol. 21 (5), 055701(2010).</li>
<li>Hannon, A., Tiernan, P. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924013607009533">A review of planar biaxial tensile test systems for sheet metal.</a> J. of Mater. Process. Tech. 198 (1-3), 1-13 (2008).</li>
<li>Garrett, R., Lin, J., Dean, T. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0749641904001664">An investigation of the effects of solution heat treatment on mechanical properties for AA 6xxx alloys: experimentation and modelling.</a> Int. J. Plasticity. 21 (8), 1640-1657 (2005).</li>
<li>Milkereit, B., Wanderka, N., Schick, C., Kessler, O. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921509312005540">Continuous cooling precipitation diagrams of Al-Mg-Si alloys.</a> Mater. Sci. Eng. A. 550, 87-96 (2012).</li>
<li>Crammond, G., Boyd, S. W., Dulieu-Barton, J. M. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0143816613001103">Speckle pattern quality assessment for digital image correlation.</a> Opt. Laser. Eng. 51 (12), 1368-1378 (2013).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突披露。

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...

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。

<table><tbody><tr><td>铝合金&amp;nbsp;</td><td>Smiths Metal</td><td>6082</td><td>试样加工</td></tr><tr><td>激光切割机</td><td>LVD Ltd</td><td>HELIUS 25/13</td><td>激光切割试样</td></tr><tr><td>数控机床</td><td>HAAS Automation</td><td>TM-2CE</td><td>通过铣削加工试样</td></tr><tr><td>游标卡尺</td><td>Mitutoyo</td><td>575-481</td><td>厚度测量</td></tr><tr><td>电阻加热单轴试验机</td><td>Dynamic System Inc</td><td>Gleeble 3800</td><td>热-力耦合材料模拟系统</td></tr><tr><td>高流量淬火系统</td><td>Dynamic System Inc</td><td>38510</td><td>用于空气冷却</td></tr><tr><td>热电偶</td><td>Dynamic System Inc</td><td>K型</td><td></td></tr><tr><td>喷嘴</td><td>Indexa</td><td></td><td>喇叭形喷嘴，内径1/4英寸</td></tr><tr><td>焊接电缆</td><td>LAPP Group</td><td>H01N2-D</td><td></td></tr><tr><td>高速相机</td><td>Photron</td><td>UX50</td><td>用于数字图像相关（DIC）测试</td></tr><tr><td>相机镜头</td><td>Nikon</td><td>Micro 200mm</td><td></td></tr><tr><td>照明灯</td><td>Liliput</td><td>150ce</td><td>300 W</td></tr><tr><td>笔记本电脑</td><td>HP</td><td>Campaq 2530p</td><td>用于图像记录</td></tr><tr><td>双向拉伸试验装置</td><td>自主制造</td><td></td><td>所有部件均由作者设计并加工，用于双向拉伸试验</td></tr><tr><td>钢&amp;nbsp;</td><td>West Yorkshire Steel</td><td>H13</td><td>双向拉伸试验装置的材料</td></tr><tr><td>图像相关处理软件</td><td>GOM</td><td>ARAMIS</td><td>非接触式测量系统及数据后处理</td></tr></tbody></table>

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

A Novel Biaxial Testing Apparatus for the Determination of Forming Limit under Hot Stamping Conditions

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。

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，...

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）。

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钣金结构部件。传统……

本实验的总体目标是通过使用一种新型双向拉伸测试系统，在热冲压条件下测定板材金属的成形极限。该技术的主要优势在于能够通过实验方法确定板材金属的成形极限，并实现对成形条件的准确模拟。通常情况下，传统成形性测试不适用于热冲压，原因有二。首先，冷却过程发生在变形之前，其次，控制成形参数非常困难。我们是该领域内首个提出使用新型双向测试系统来测量成形极限和复杂成形条件的团队。进行成形性测试时，设定不同的应变路径，包括单轴平面应变和等双轴拉伸状态。使用商用铝合金6082材料加工平面板状和狗骨状十字形试样。采用激光切割机和计算机控制的铣床进行加工。对每个试样，在其中心标距区域使用游标卡尺或千分尺进行三次厚度测量，并取平均值。十字形试样尺寸应为0.7毫米±5微米，单轴试样尺寸应为1.5毫米±10微米。现在，将一层耐高温黑色喷漆均匀喷涂在十字形试样的整个上表面。该喷漆必须能承受超过1,000摄氏度的高温。油漆干燥后，使用白色阻燃喷漆在表面喷出斑点，以便DIC系统识别。从一臂远的距离进行喷涂，形成随机分布的图案。然后在未涂漆的背面中心位置焊接一对热电偶。首先，组装双向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。接着，将四根焊接电缆分别连接到每一对不锈钢和铜制夹头。然后，将焊接电缆连接至电源。现在将双轴测试装置的夹具固定在单轴拉伸试验机上，并为确保稳固，使用螺栓将装置固定在基板的上表面和下表面。接着，将试样安装到测试装置的试样夹持器上，并将热电偶连接至试验机的反馈温度控制系统，以监测和控制温度。接下来，设置加热和淬火系统。将每根焊接电缆的端部连接到试样的每个夹紧区域。然后，将每个夹紧区域紧固到作为电阻加热电极的上板上。对于冷却，将带有扩口喷嘴的软管连接至高流量淬火系统。将系统设置为产生8,000千克每平方米的空气压力。随后，调整四个喷嘴的位置，使气流从样本的臂部区域导向其中心区域。确保喷嘴的放置位置不会遮挡相机对中心区域的视野。现在，将微透镜连接到DIC系统的高速相机上，并调整以观察中心区域。然后将相机连接到笔记本电脑。根据拉伸应变调整帧率以进行测试。每次测试计划采集至少 200 帧数据。将采集分辨率设置为 1,280 × 1,024。现在将相机对准标距段，使镜头与试样上表面平行。进行高应变测试时，将一个额外的300瓦聚光灯直接对准测试腔室。启动电阻加热单轴拉伸试验机时，点击控制软件中的三角形运行按钮，然后使用触发按钮启动相机，以记录变形过程。现在将试样在选定的恒定温度和应变速率下进行热处理并拉伸。通过调整双向拉伸试验装置的构型，进行包含单轴、平面应变和双轴状态的不同应变路径的测试。对于单轴测试，需断开两个相对的连杆，并将哑铃状试样夹持到装置上。然后连接焊接电缆，并重复其他准备工作步骤。对于平面应变状态测试，使用螺栓将两个相对的滑车固定在底板上，以限制相应方向的变形。然后开始收集数据。在加热和冷却过程结束后，使用新型平面双向拉伸测试系统，在指定的变形温度和应变率条件下进行成形性测试。成形极限曲线用于界定均匀变形与塑性失稳或弥散性缩颈起始之间的边界，后者将导致材料失效。随着应变速率的增加，该合金的成形极限随之提高。在370至510摄氏度范围内，成形极限呈单调上升趋势，表明在热冲压条件下，较高温度可获得更高的合金成形性能。三条成形极限曲线彼此较为接近。因此，与拉伸-压缩双轴应变路径相比，拉伸-拉伸双轴应变路径对温度依赖性的敏感度更高。观看本视频后，您应能够充分理解如何利用所提出的系统，在不同温度和应变率条件下设置实验并开展成形性测试。按照该方法，也可在热冲压条件下测定镁合金或硼钢等合金板材的成形极限。

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