Summary
Este protocolo propone un nuevo sistema de pruebas biaxial utilizado en una resistencia de calentamiento de la máquina de ensayo de tracción uniaxial con el fin de determinar el diagrama de la formación de límite (FLD) de láminas de metal en condiciones de estampación en caliente.
Abstract
El estampado en caliente y el proceso de enfriamiento rápido de troquel frío se utiliza cada vez más para formar componentes estructurales de formas complejas de metales de hoja. enfoques experimentales convencionales, tales como fuera de plano y en el plano pruebas, no son aplicables a la determinación de la formación de límites cuando el calentamiento y los procesos de enfriamiento rápido se introduce antes de la formación de ensayos realizados en condiciones de estampación en caliente. Un sistema de prueba biaxial novela en el plano fue diseñado y utilizado para la determinación de la formación de límites de metales de hoja en varios caminos de deformación, las temperaturas y velocidades de deformación después del calentamiento y de enfriamiento procesos en una resistencia de calentamiento máquina de ensayo uniaxial. La parte central del sistema de ensayo biaxial es un aparato biaxial, que transfiere una fuerza uniaxial proporcionada por la máquina de ensayo uniaxial a una fuerza biaxial. Un tipo de espécimen cruciformes fue diseñado y verificado para la prueba de capacidad de conformación de la aleación de aluminio 6.082 usando el sistema de ensayo biaxial propuesto. El IM DIGITALSe utilizó el sistema de la edad de correlación (DIC) con una cámara de alta velocidad para la toma de medidas de deformación de una muestra durante una deformación. El objetivo de proponer este sistema de ensayo biaxial es permitir a los límites de formación de una aleación que se determinen a diversas temperaturas y velocidades de deformación en condiciones de estampación en caliente.
Introduction
La industria del automóvil se enfrenta a un enorme desafío global de reducir el consumo de combustible y reducir al mínimo la contaminación del medio ambiente de las emisiones de vehículos. La reducción de peso es beneficiosa para mejorar el rendimiento de los automóviles y puede reducir directamente el consumo de energía 1. Debido a la baja capacidad de conformado de láminas de metal a temperatura ambiente, estampado en caliente y procesos de enfriamiento rápido de troquel frío (referido como estampación en caliente) 2 se utilizan para mejorar la conformabilidad de las aleaciones y así obtener los componentes de formas complejas en aplicaciones de automoción.
Un diagrama de límite de conformado (FLD) es una herramienta útil para evaluar la capacidad de conformación de una aleación 3. Fuera de plano de pruebas, como la prueba Nakazima 4, 5, y en el plano pruebas, como la Marciniak prueba 6, 7, 8, unare métodos experimentales convencionales para obtener los flds de metales de hoja en diversas condiciones 9, 10, 11. Una máquina de ensayo biaxial servo-hidráulico también se ha utilizado para investigar la conformabilidad de las aleaciones a temperatura ambiente 12, 13.
Sin embargo, ninguno de los métodos anteriores son aplicables a las pruebas de capacidad de deformación bajo condiciones de estampación en caliente, ya que un proceso de enfriamiento antes de la formación que se requiere, junto con el control de las velocidades de calentamiento y enfriamiento. La temperatura de deformación y velocidad de deformación son difíciles de obtener con precisión. Por lo tanto, se propone un nuevo sistema de pruebas de la capacidad de conformado en este estudio para determinar experimentalmente los límites de formación de láminas de metal en condiciones de estampación en caliente.
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Protocol
1. Preparación de muestras
- Máquina de hueso de perro plana y especímenes cruciformes de material comercial de aleación de aluminio 6082 (AA6082) utilizando un cortador de láser y un control numérico por computadora (CNC) de la máquina de fresado (para las pruebas de capacidad de deformación en diferentes trayectorias de deformación incluyendo cepa uniaxial, avión, y el esfuerzo equi-biaxial estados).
- Medir el espesor de cada muestra cruciformes y cada espécimen de hueso de perro con un calibrador vernier tres veces en la región de calibre central y calcular los valores medios. Asegúrese de que el espesor de la sección de calibre en un espécimen cruciforme es 0,7 ± 0,05 mm y que el grosor de la muestra uniaxial es de 1,5 ± 0,1 mm.
- Spray-pintar toda la superficie superior de una muestra de cruciformes mediante el uso de una, pintura de aerosol negro resistente a las llamas (capaz de soportar temperaturas de hasta 1093 ° C). Espere hasta que la pintura se seque y luego rociar, puntos de pintura blanca resistentes a la llama de la longitud del brazo para crear un estocásticomodelo de pulverización para ser reconocido por el sistema de DIC (ver el ejemplo de la Figura 1).
- Weld un par de termopares para el centro de la superficie posterior (opuesta a la superficie pintada) de la muestra. Conecte el otro extremo del termopar al sistema de control de temperatura votaciones de la máquina de ensayo uniaxial para monitorear y controlar el historial de cambios de temperatura.
2. Montaje del aparato de ensayo biaxial
- Montar todas las partes del aparato de ensayo biaxial, que incluye una placa base, un eje central, de entrada y de salida placas giratorias, carros, una abrazadera, carriles de guía, y bielas rígidas (el aparato ensamblado se muestra en la Figura 2).
- El uso de una varilla de conexión, par la placa giratoria de entrada directamente a la mordaza móvil de una resistencia de calentamiento de la máquina de ensayo de tracción uniaxial, que proporciona la fuerza de tracción uniaxial. Pareja la placa giratoria de entrada al árbol de accionamiento central ypar este árbol central de accionamiento a la placa giratoria de salida.
- Asegúrese de que la rotación de la placa giratoria de entrada en torno al eje de rotación hace girar el árbol de accionamiento, con lo que la rotación de la placa giratoria de salida a la que está acoplado alrededor del eje de rotación.
- En un extremo, un par cada una de las bielas rígidas a uno de los puntos de conexión en la placa giratoria de salida. Pareja el otro extremo a uno de los carros.
NOTA: Esto hará que los carros con soportes para muestras para deslizarse hacia atrás y adelante a lo largo de los carriles de guía con baja fricción, que puede aplicar una fuerza biaxial a la muestra cruciformes. - El uso de pernos roscados, sujetar cada brazo de la muestra cruciformes a un carro con un soporte de la muestra y una placa superior.
- Configurar empuñaduras en la cámara de la máquina de ensayo de tracción uniaxial, como se muestra en la Figura 3 (a). Adjuntar cuatro cables de soldadura a cada par de mordazas, que están hechas de acero inoxidable y cobre, Respectively, y así conectar los cables de soldadura a la fuente de alimentación eléctrica.
NOTA: El área conductor de los cables de soldadura es de 50 mm 2 y la corriente nominal es 345 A.- Poner las mordazas y la abrazadera del aparato de prueba biaxial en las dos mordazas de la máquina de ensayo de tracción uniaxial y apretarlos en el interior (Figura 3 (a)).
- Configurar el aparato de ensayo biaxial en la cámara de la máquina de ensayo de tracción uniaxial, como se muestra en la Figura 3 (b).
- Use dos marcos y atornillar los pernos en la parte superior y los lados inferiores de la placa de base para fijar el aparato en la cámara de la máquina de ensayo de tracción uniaxial.
- Coloque la muestra en el soporte de la muestra en la parte superior del aparato de ensayo biaxial.
- Conectar cada terminal de los cables de soldadura a cada región de sujeción de la muestra.
3. Configuración del sistema de calefacción y enfriamiento rápido
- fuertemente connect cada región de sujeción de la muestra a la placa superior de acero inoxidable, que sirve como electrodo para la calefacción de resistencia.
- Apretar los cables de soldadura con terminales de anillo de plegar a la placa superior de cada zona de sujeción.
- Conectar estalló boquillas con mangueras para el sistema de enfriamiento rápido de alto flujo con suministro de aire regulado a 8,000 kg / m 2 de presión para la refrigeración.
- Utilice cuatro boquillas para soplar aire de los brazos de la muestra a la región central de la muestra.
NOTA: Las boquillas no están dirigidas a la sección de calibre para la refrigeración para evitar el bloqueo de la zona central de la vista de la cámara.
4. Configuración del Sistema DIC
- Conecte la cámara de alta velocidad del sistema de la CID con una lente micro a un ordenador. Ajuste las velocidades de cuadro de la cámara a 25 fps, 50 fps, y 500 fps desde el menú de velocidades de cuadro (para los ensayos en las velocidades de deformación de estiramiento de 0.01 / s, 0,1 / s y 1 / s, respectivamente). Establecer las resoluciones de todo lomagos a 1.280 × 1.024 píxeles.
NOTA: Las velocidades de cuadro en función del número de puntos de datos para ser recogidos; al menos 200 puntos de datos se pueden recoger usando los ajustes anteriores. - Use un foco adicional con una potencia de 300 W para las pruebas a altas velocidades de deformación. El punto el punto de mira directamente en la cámara de la máquina de ensayo de tracción uniaxial.
- Ajuste la lente de la cámara para que sea paralela a la superficie superior de la muestra en la cámara y enfocar la cámara en la sección de calibre.
5. Programa Experimental
- Ejecutar el calentamiento por resistencia máquina de ensayo de tracción uniaxial haciendo clic en el botón de ejecución triangular en el software de control.
NOTA: La electricidad se ejecuta a través del material AA6082 y lo calienta a la temperatura de tratamiento térmico en solución de 535 ° C 14 a una velocidad de calentamiento de 30 ° C / s. El material se empapa a 535 ° C durante 1 min, que es suficiente para la resolución completa de precipitados. Air sopla desde el sistema de enfriamiento rápido se utiliza para extinguir el material a una velocidad de enfriamiento de 15 a una de las 3 temperaturas elevadas designadas 100 ° C / s en el intervalo de 370-510 ° C. - Estirar el espécimen con el aparato de ensayo biaxial a una velocidad de deformación constante en el intervalo de 0,01-1 / s y registrar la historia de deformación presionando manualmente el botón de disparo conectado a la cámara de alta velocidad.
NOTA: El desplazamiento de entrada de la máquina de ensayo uniaxial al aparato de pruebas biaxial fue controlado por el software integrado de la máquina de ensayo uniaxial. - Llevar a cabo las pruebas en diferentes trayectorias de deformación consisten en uniaxial, deformación plana, y estados esfuerzo biaxiales 3 mediante el ajuste de la configuración del aparato de ensayo biaxial.
- Desconectar dos bielas opuestas para las pruebas uniaxiales. Sujetar una muestra de hueso de perro en el aparato de prueba de dos ejes y conectarlo a los cables de soldadura, como en los pasos 3.1-3.4. Repetir los pasos 5.1 a 5.2.
- Fijar dos carros opuestos a la placa de base con pernos roscados para restringir la deformación en la dirección correspondiente para las pruebas en estado de deformación plana. Abrazadera de un espécimen cruciformes en el aparato de ensayo biaxial y conectarlo a los cables de soldadura, como en los pasos 3.1-3.4. Repita los pasos 5.1-5.2.
- Repita los pasos 5.3.1-5.3.2 para cada condición de prueba tres veces, utilizando las nuevas de hueso de perro y las muestras cruciformes.
6. Proceso de Datos
- Importar todas las imágenes grabadas por la cámara de alta velocidad en el software de post-procesamiento y siga los pasos estándar para el análisis de datos de acuerdo con el manual del software.
- Utilice el estándar ISO 3 para determinar los límites que forman haciendo clic en el botón de modo de FLC en el software.
NOTA: Este método ya se ha integrado en el software de procesamiento de correlación de imágenes. - Marcar cada resultado de los límites que forman a varias temperaturass, velocidades de deformación, y deformación caminos en un diagrama.
- Representar gráficamente las curvas de límite forman en todas las condiciones de prueba para obtener una FLD de una aleación en condiciones de estampación en caliente.
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Representative Results
Desde flds son altamente dependiente de la trayectoria de deformación, la linealidad de la trayectoria de deformación para cada condición de ensayo se verificó mediante el análisis de los resultados DIC; las trayectorias de tensión son proporcionales a lo largo de deformación para cada condición de ensayo. El rango de la relación de deformación-menor a mayor es de aproximadamente -0,37 (condición uniaxial) a 0,26 (cerca de condición biaxial). Mediante el procesamiento de datos para diferentes condiciones de AA6082, formando datos de límite para los diferentes caminos cepa se determinaron y por lo tanto, los flds para AA6082 en condiciones de estampación en caliente se obtuvieron mediante ajuste de curvas. En la Figura 3, se obtuvieron forman datos de límite a diversas temperaturas, velocidades de deformación, y las trayectorias de deformación después de los procesos de calentamiento y enfriamiento. Las líneas de trazos armarios indican la capacidad de conformado de esta aleación, AA6082. Una curva de límite formando identifica el límite entre la deformación uniforme y la aparición de inestabilidad de plástico o de formación de cuellos difusa, que conducen al fracaso. La región por encima de la curva representa fallo potencial, y la región debajo de la curva se considera como una región de seguridad, donde la deformación uniforme se produce en las condiciones de prueba correspondientes. A FLC superior indica que el material tiene una mejor capacidad de conformado si la forma sigue siendo el mismo.
pruebas de conformabilidad utilizando el novedoso en el plano biaxial sistema de ensayo de tracción se llevaron a cabo a las temperaturas de deformación designados y velocidades de deformación después de los procesos de calentamiento y enfriamiento. Se encontró que, cuando la velocidad de deformación se incrementa desde la velocidad de deformación designado de 0,01 / s a 1 / s, el límite de la formación de los aumentos de AA6082. El límite de formación tiene un mayor aumento, de 0,1 / s a 1 / s, que de 0.01 / s a 1 / s, como se muestra en la Figura 4 (a).
En la Figura 4 (b), hay un aumento monotónico en el límite de la formación de 370 ° C a 510 ° C. este indicates que la alta conformabilidad de AA6082 puede obtenerse a una temperatura superior en condiciones de estampación en caliente. Los tres que forman curvas de límite son bastante cerca uno del otro en el lado izquierdo de la FLD, lo que significa que la sensibilidad de dependencia de la temperatura es más grande para la tensión-tensión caminos de deformación biaxial que para caminos de deformación tensión-compresión.
Figura 1: Un ejemplo de un patrón estocástico en un espécimen cruciformes antes de estiramiento biaxial (a) y después de estiramiento biaxial (b). El patrón con puntos blancos sobre un fondo negro es capturado por la cámara de alta velocidad durante las pruebas. El tamaño y la densidad de las motas dentro de un patrón son sometidos a los requisitos estándar de análisis DIC 15. Haga clic aquí para ver una granversión r de esta figura.
Figura 2: El aparato de ensayo biaxial montado. El aparato incluye una placa de base, un eje central, placas giratorias, carros, carriles de guía, y bielas. Está montado en la cámara de la resistencia de calentamiento máquina de ensayo uniaxial. Los componentes clave han sido marcados en la figura. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: Configuración de mordazas y el aparato de ensayo biaxial en la cámara de la máquina de ensayo uniaxial. (A) Las mordazas y la abrazadera. (B) El aparato de ensayo biaxial y boquillaspara la refrigeración de aire. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: flds de AA6082 en (a) diferentes velocidades de deformación y (b) diferentes temperaturas en condiciones de estampación en caliente. Los símbolos son los resultados de los límites que forman en diferentes condiciones. Las líneas de trazos se obtuvieron a través del algoritmo de ajuste polinómico. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Discussion
métodos de ensayo de conformabilidad convencionales utilizados para determinar la formación de límites son generalmente aplicables sólo a temperatura ambiente. La técnica presentada puede utilizarse para evaluar la capacidad de conformación de metales para aplicaciones de hoja de estampado en caliente mediante la introducción de un nuevo aparato de ensayo biaxial a una resistencia de calentamiento máquina de ensayo uniaxial. Esto no se puede realizar usando métodos convencionales para aplicaciones de estampación en caliente. La configuración de los sistemas de calefacción y refrigeración y el sistema de DIC es crítica para el control de la uniformidad de la distribución de la temperatura en una muestra y por lo tanto a la grabación de la historia de deformación de estiramiento especímenes.
En esta técnica, las velocidades de calentamiento y enfriamiento pueden ser controlados con precisión por la máquina de ensayo de tracción uniaxial para aplicaciones complejas proceso de conformación. El mecanismo biaxial tiene una configuración relativamente simple, lo que reduce el costo y la complejidad de ensayo de tracción biaxial comparación con las pruebas biaxial tradicionalmecanismos. Sin embargo, los campos de temperatura hechas por calentamiento por resistencia se ven afectados por muestra del diseño en este sistema de ensayo, y los gradientes de temperatura en un espécimen no se pueden evitar. No se muestra el diseño estándar existente está disponible para este tipo de ensayos biaxial.
En resumen, esta es la primera vez que se obtuvo un FLD de las aleaciones en condiciones de estampación en caliente. velocidades que forman altas y altas temperaturas dentro de los intervalos designados son beneficiosos para la mejora de los límites de formación de AA6082 en condiciones de estampación en caliente. Esta nueva técnica se puede utilizar para determinar los límites de formación de láminas de metal bajo condiciones de prueba complejos. Los resultados experimentales obtenidos se pueden utilizar para desarrollar un modelo de material que predice el comportamiento termomecánico y la conformabilidad de una aleación. El mecanismo del aparato puede ser modificado para llevar a cabo pruebas de conformabilidad sometidos a caminos de deformación no lineales en el futuro.
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Aluminium Alloy | Smiths Metal | 6082 | Specimens machining |
| Laser cutter | LVD Ltd | HELIUS 25/13 | Laser cutting specimens |
| CNC machine | HAAS Automation | TM-2CE | Machine specimens by milling |
| Vernier caliper | Mitutoyo | 575-481 | Thickness measurement |
| Resistance heating uniaxial testing machine | Dynamic System Inc | Gleeble 3800 | Thermo-mechanical materials simulator |
| High flow quench system | Dynamic System Inc | 38510 | For air cooling |
| Thermocouples | Dynamic System Inc | K type | |
| Nozzles | Indexa | Nozzle flared 1/4 inch bore | |
| Welding cables | LAPP Group | H01N2-D | |
| High-speed camera | Photron | UX50 | For DIC testing |
| Camera lens | Nikon | Micro 200mm | |
| Lamp | Liliput | 150ce | 300 W |
| Laptop | HP | Campaq 2530p | For images recording |
| Biaxial testing apparatus | Manufactured independently | All parts were designed and machinced by authors for biaxial testing | |
| Steel | West Yorkshire Steel | H13 | Mateials of the biaxial testing apparatus |
| Image correlation processing software | GOM | ARAMIS | Non-contact measuring system and data post-pocessing |
References
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