Summary
Denne protokol foreslår en hidtil ukendt biaksial testsystem anvendes på en modstandsopvarmning uniaksial træktestmaskine for at bestemme den formgivende grænse diagram (FLD) af metalplader under varme stempling betingelser.
Abstract
Den varme stempling og koldt die bratkølingsproces bruges i stigende grad til at danne komplekse formede strukturelle komponenter af metalplader. Konventionelle eksperimentelle fremgangsmåder, såsom ud af planet og i planet tests, kan ikke anvendes på bestemmelse af dannelse af grænser, når opvarmning og hurtig nedkøling processer indføres før formning ved afprøvning under varme stempling betingelser. Et hidtil ukendt i planet biaksiale testsystem designet og anvendt til bestemmelse af dannelse af grænser for metalplader ved forskellige strain stier, temperaturer og belastningsgrader efter opvarmning og afkøling processer i en modstandsopvarmning uniaksial testmaskine. Kernen del af den biaksiale testsystemet er en biaksial apparat, der overfører en uniaksial kraft tilvejebragt af enaksede testmaskine til en biaksial kraft. En type af korsformede prøve blev designet og verificeret for formbarheden test af aluminiumlegering 6082 brugt det foreslåede biaksiale testsystem. Den digitale imalder korrelation (DIC) system med en høj hastighed kamera blev anvendt til at tage strain målinger af en prøve under en deformation. Formålet med at foreslå denne biaksial testsystem er at sætte de dannende rammerne af en legering, der skal bestemmes ved forskellige temperaturer og belastningsgrader under varme stempling betingelser.
Introduction
Bilindustrien står over for en enorm global udfordring at reducere brændstofforbruget og minimere miljøforurening fra emissionerne fra køretøjer. Vægttab er til gavn for at forbedre effektiviteten af biler og kan direkte reducere energiforbruget 1. Grund af den lave formbarhed metalplader ved stuetemperatur, varmeprægning og koldt die quenching processer (benævnt varmeprægning) 2 anvendes til at forbedre formbarheden af legeringer og dermed opnå komplekse formede komponenter i automotive applikationer.
Formerkasse grænse diagram (FLD) er et nyttigt værktøj til at vurdere formbarhed af en legering 3. Ud af planet tests, såsom den Nakazima test 4, 5 og i planet tests, såsom Marciniak test 6, 7, 8, enre konventionelle eksperimentelle fremgangsmåder for at opnå de FLDS af metalplader under forskellige betingelser 9, 10, 11. En servo-hydraulisk biaksial test maskine er også blevet anvendt til at undersøge formbarhed af legeringer ved stuetemperatur 12, 13.
Men ingen af de ovennævnte metoder kan anvendes for formbarhed tests under varme stempling betingelser, eftersom en kulde, inden formning er nødvendig sammen med styring af opvarmnings- og afkølingshastigheder. Deformationstemperaturen og formforandringshastighed er vanskelige at opnå præcist. Derfor er et hidtil ukendt formbarhed testsystem foreslås i denne undersøgelse til eksperimentelt bestemme de dannende grænserne for metalplader under varme stempling betingelser.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Fremstilling af Enheder
- Maskine flad kødben og korsformede prøver fra kommercielt materiale aluminiumslegering 6082 (AA6082) under anvendelse af en laserskærer og en computer numerisk styring (CNC) fræsemaskine (til formbarhed tests ved forskellige strain stier herunder uniaksial, fly-stamme og equi-biaksiale belastende stater).
- Måle tykkelsen af hver korsformede prøve og hver hund-bone prøve med en skydelære tre gange i den centrale gauge region og beregne de gennemsnitlige værdier. Sikre, at tykkelsen af kaliberdelen i en korsformet prøve er 0,7 ± 0,05 mm, og at tykkelsen af den uniaksiale prøve er 1,5 ± 0,1 mm.
- Spray-male hele øverste overflade af en korsformede prøve ved anvendelse af en flamme-resistente, sort spraymaling (stand til at modstå temperaturer på op til 1,093 ° C). Vente, indtil malingen tørrer og derefter sprøjte flammefaste, hvide maling prikker fra armslængde at skabe en stokastisksprøjtning mønster, der skal genkendes af DIC (se eksemplet i figur 1).
- Weld et par termoelementer til midt bag overflade (modsat den malede overflade) af prøven. Forbinde den anden ende af termoelementet til feedback temperaturkontrol ifølge den enaksede test maskine til at overvåge og styre temperaturen ændringen historie.
2. Montering af Biaxial Test Apparatur
- Samle alle dele af den biaksiale testapparater, herunder en bundplade, en central aksel, input og output roterbare plader, vogne, en klemme, styreskinner, og stive plejlstænger (det samlede apparat er vist i figur 2).
- Ved hjælp af en plejlstang, koble den drejelige plade input direkte til den bevægelige kæbe af en modstandsopvarmning uniaksial træktestmaskine, som tilvejebringer den enaksede trækkraft. Par input drejelige plade til den centrale drivaksel ogpar dette centrale drivaksel til udgangen drejelige plade.
- Sikre, at rotationen af input drejelige plade omkring omdrejningsaksen roterer drivakslen, for derved at dreje output roterbare plade, hvortil den er koblet omkring omdrejningsaksen.
- Ved den ene ende, par hver af de stive forbindelsesstænger til et af forbindelsespunkterne på udgangssiden drejelige plade. Par den anden ende til en af vognene.
BEMÆRK: Dette vil medføre vognene med prøveholder at glide frem og tilbage langs styreskinnerne med lav friktion, som kan anvende en biaksial kraft på de korsformede prøve. - Anvendelse skruebolte, klemme hver arm af korsformede prøve til en vogn med en prøveholder og en topplade.
- Oprettet greb i kammeret af enaksede træktestmaskine, som vist i figur 3 (a). Vedhæfte fire svejsekablerne til hvert par af håndtag, som er fremstillet af rustfrit stål og kobber, respectively, og dermed forbinde svejsekablerne til strømforsyningen.
BEMÆRK: Dirigenten område svejseledningerne er 50 mm2 og den nuværende rating er 345 A.- Sætte greb og klemmen af den biaksiale testapparatet i de to kæber enaksede trækprøvning maskine og spænd dem inde (figur 3 (a)).
- Oprettet den biaksiale testapparatet i kammeret af enaksede træktestmaskine, som vist i figur 3 (b).
- Bruge to rammer og skrue bolte på toppen og bunden sider af bundpladen for at fiksere apparatet i kammeret af enaksede trækprøvning maskine.
- Sæt på præparatet præparatholderen på toppen af den biaksiale testapparater.
- Forbinde hver af svejsekablerne til hver indspændingsområde af prøven.
3. Opsætning af Varme og Quenching System
- tæt samarbejdennect hver indspændingsområde af prøven til den rustfri topplade, der tjener som elektrode til modstandsopvarmning.
- Spænd svejsekablerne med krusning ring terminaler til toppladen af hver indspændingsområde.
- Connect blusset dyser med slanger til højt flow kølesystem med reguleret lufttilførsel på 8.000 kg / m2 tryk til afkøling.
- Bruge fire dyser til at blæse luft fra armene af prøven for at det centrale område af prøven.
BEMÆRK: Dyserne er ikke rettet mod kaliberdelen til køling at undgå blokering den centrale zone fra kameraets opfattelse.
4. Opsætning af DIC System
- Tilslut højhastigheds-kamera i DIC-systemet med en mikro linse til en computer. Justere billedfrekvens for kameraet til 25 fps, 50 fps og 500 fps fra menuen i frame rates (til testene på de strækkende belastningsgrader på 0,01 / s, 0,1 / s og 1 / s, henholdsvis). Indstil resolutionerne fra alt hvad jegmagikere til 1.280 × 1.024 pixels.
BEMÆRK: frame rates afhænger af antallet af datapunkter, der skal indsamles; kan indsamles mindst 200 datapunkter ved hjælp af de ovenstående indstillinger. - Anvende en supplerende spotlight med en effekt på 300 W for test ved høje tøjningshastigheder. Pege søgelyset direkte på kammeret i enaksede trækprøvning maskine.
- Justere kameraets linse, således at den er parallel med den øverste overflade af prøven i kammeret og fokusere kameraet på kaliberdelen.
5. Eksperimentel Program
- Kør modstandsopvarmning enaksede trækprøvning maskine ved at klikke på den trekantede løb knappen i kontrol software.
BEMÆRK: Elektricitet løber gennem AA6082 materiale og opvarmer det til opløsningen varmebehandling temperatur på 535 ° C 14 ved en opvarmningshastighed på 30 ° C / s. Materialet udblødes ved 535 ° C i 1 min, hvilket er tilstrækkeligt for fuld opløsning af bundfald. Air blæser fra quench system bruges til at slukke materialet ved en afkølingshastighed på 100 ° C / s 15 til en af 3 udpegede forhøjede temperaturer i området fra 370 til 510 ° C. - Strække prøven med den biaksiale testapparat ved en konstant belastning hastighed i området på 0,01-1 / s og registrere deformation historie ved at trykke på udløsningsknappen forbundet til højhastighedstog kamera manuelt.
BEMÆRK: input forskydning fra den enaksede test maskine til den biaksiale testapparatet blev styret ved den indbyggede software af enaksede test maskine. - Udføre test i forskellige strain stier bestående af uniaksial, plane stamme og biaksiale belastende tilstande 3 ved at justere konfigurationen af biaksiale testapparatet.
- Afbryd to modstående forbindelsesstænger til enaksede tests. Clamp en hund-bone eksemplar på biaksiale testapparater og slutte den til svejsning kabler, som i trin 3.1-3.4. Gentag trin 5,1-5,2.
- Fix to modstående vogne til bundpladen med skruebolte at begrænse deformationen på den tilsvarende retning til testning under flyet stamme tilstand. Klemme en korsformede prøve på den biaksiale testapparater og slutte den til svejsning kabler, som i trin 3.1-3.4. Gentag trin 5,1-5,2.
- Gentage trin 5.3.1-5.3.2 for hver testbetingelse tre gange under anvendelse af nye kødben og korsformede prøver.
6. Databehandling
- Importer alle billeder optaget med high-speed kamera ind i den post-software og følg standardtrin til dataanalyse i henhold til den software manual.
- Brug ISO-standard 3 for at bestemme de danner grænser ved at klikke på knappen FLC-tilstand i softwaren.
BEMÆRK: Denne metode er allerede blevet integreret i billedet korrelationen behandling software. - Markere hvert resultat af de dannende grænser ved forskellige temperaturs, belastningsgrader, og stamme stier i et diagram.
- Plotte danner grænsekurver på alle testbetingelser at opnå en FLD af en legering under varme stempling betingelser.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Da FLDS er yderst stamme vejafhængige, blev lineariteten af stammen sti for hver testbetingelse bekræftet ved at analysere DIC resultater; strain stier er proportionale hele deformation for hver testbetingelse. Rækken af den lille-store stamme forholdet ca. -0,37 (uniaksial betingelse) til 0,26 (nær biaksial betingelse). Ved forarbejdning af data for forskellige AA6082 betingelser, danner limit data for forskellige stamme stier blev bestemt, og dermed blev de FLDS for AA6082 ved varme stempling betingelser opnået ved kurvetilpasning. I figur 3 blev der danner limit data opnået ved forskellige temperaturer, tøjningshastighed og stamme stier efter opvarmning og afkøling processer. De monteret stiplede linjer angiver formbarheden af denne legering, AA6082. Formerkasse grænsekurve identificerer grænsen mellem ensartet deformation og påbegyndelsen af plast ustabilitet eller diffus indsnøring, som fører til svigt. Området over kurve repræsenterer potentielle fejl, og området under kurven betragtes som en sikkerhed region, hvor ensartet deformation forekommer ved de tilsvarende testbetingelser. En højere FLC angiver, at materialet har bedre formbarhed hvis formen forbliver den samme.
Formbarhed forsøg med det hidtil ukendte i planet biaksiale trækstyrke testsystem blev udført på de udpegede deformation temperaturer og belastningsgrader efter opvarmning og afkøling processer. Det blev fundet, at når stammen stiger fra betegnet stamme på 0,01 / s til 1 / s, den formgivende grænse for AA6082 stiger. Formningen grænse har en større stigning, fra 0,1 / s til 1 / s, end fra 0,01 / s til 1 / s, som vist i figur 4 (a).
I figur 4 (b), er der en monoton stigning i den formende grænse fra 370 ° C til 510 ° C. Denne indicates kan opnås, at høj formbarhed AA6082 ved en højere temperatur under varme stempling betingelser. De tre danner grænsekurver er ganske tæt på hinanden på den venstre side af FLD, hvilket betyder at følsomheden af temperaturafhængigheden er større for spænding-spænding biaksiale strain stier end for spændingshovedpine komprimering strain stier.
Figur 1: Et eksempel på en stokastisk mønster i et korsformede prøve før biaksial strækning (a) og efter biaksial strækning (b). Mønsteret med hvide prikker på en sort baggrund er fanget af den høje hastighed kameraet under test. Den størrelse og tæthed af prikkerne i et mønster er underkastet de sædvanlige krav i DIC-analyse 15. Klik her for at se et stortr version af denne figur.
Figur 2: Den samlede biaksiale testapparat. Apparatet omfatter en bundplade, en central aksel, roterbare plader, vogne, styreskinner, og plejlstænger. Den er monteret i kammeret af modstandsopvarmning enaksede testmaskine. Vigtige komponenter er markeret på figuren. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: Opsætning af greb og den biaksiale testapparatet i kammeret af enaksede test maskine. (A) Grebene og klemmen. (B) biaksial apparat og dyser testningtil luftkøling. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: FLDS af AA6082 ved (a) forskellige tøjningshastighed og (b) forskellige temperaturer under varme stempling betingelser. Symbolerne er resultaterne af de danner grænser under forskellige betingelser. De punkterede linier blev opnået gennem polynomiet fitting algoritmen. Klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Konventionelle formbarhed anvendte testmetoder til bestemmelse danner grænser er sædvanligvis kun finder anvendelse ved stuetemperatur. De præsenterede teknik kan anvendes til at evaluere formbarhed af metaller til varme ark stempling applikationer ved at indføre et hidtil ukendt biaksial testapparater til en modstandsopvarmning uniaksial testmaskine. Dette kan ikke udføres ved anvendelse af traditionelle fremgangsmåder til varme stempling applikationer. Opsætningen af varme- og kølesystemer og DIC-systemet er kritisk at kontrollere ensartetheden af temperaturfordelingen i en prøve og dermed til optagelse deformation historie strækning prøver.
Ved denne teknik kan opvarmnings- og afkølingshastigheder styres præcist af den enaksede trækprøvning maskine til kompleksdannende proces applikationer. Den biaksiale mekanisme har en forholdsvis simpel konfiguration, hvilket reducerer omkostningerne og kompleksiteten af biaksial trækprøvning i forhold til traditionel biaksial testmekanismer. Imidlertid er temperatur- områder foretaget af modstandsopvarmning påvirket af specimen designet hos dette testsystem, og kan ikke undgås temperaturgradienter på en prøve. Ingen eksisterende standard eksemplar design er til rådighed for denne type biaksial test.
Sammenfattende er dette første gang, at et FLD af legeringer under varme stempling betingelser blev opnået. Høje danner hastigheder og høje temperaturer inden for de udpegede områder er til gavn for styrke danner grænserne for AA6082 under varme stempling betingelser. Denne hidtil ukendte teknik kan anvendes til at bestemme de danner grænserne for metalplader under komplekse testbetingelser. De opnåede eksperimentelle resultater kan anvendes til at udvikle et materiale model, der forudsiger termomekaniske adfærd og formbarheden af en legering. Mekanismen af apparatet kan modificeres til at gennemføre formbarhed tests udsat for ikke-lineære strain stier i fremtiden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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
- 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 Generating Forming Limit Diagrams for Sheet Metals Under Hot Stamping Conditions. Exp. Mech. 56 (9), 1-12 (2016).
- Ayres, R. A., Wenner, M. L. Strain and strain-rate hardening effects in punch stretching of 5182-0 aluminum at elevated temperatures. Metall. Trans. A. 10 (1), 41-46 (1979).
- Shao, Z., et al. Experimental investigation of forming limit curves and deformation features in warm forming of an aluminium alloy. P. I. Mech. Eng. B-J. Eng. , (2016).
- Marciniak, Z., Kuczynski, K. Limit strains in the processes of stretch-forming sheet metal. Int. J. Mech. Sci. 9 (9), 609-620 (1967).
- Li, D., Ghosh, A. K., et al. Biaxial warm forming behavior of aluminum sheet alloys. J. of Mater. Process. Tech. 145 (3), 281-293 (2004).
- Palumbo, G., Sorgente, D., Tricarico, L. The design of a formability test in warm conditions for an AZ31 magnesium alloy avoiding friction and strain rate effects. Int. J. Mach. Tool. Manu. 48 (14), 1535-1545 (2008).
- Raghavan, K. S. A simple technique to generate in-plane forming limit curves and selected applications. Metall. Mater. Trans. A. 26 (8), 2075-2084 (1995).
- Ragab, A. R., Baudelet, B. Forming limit curves: out-of-plane and in-plane stretching. J. Mech. Work. Technol. 6 (4), 267-276 (1982).
- Fan, X. -b, He, Z. -b, Zhou, W. -x, Yuan, S. -j Formability and strengthening mechanism of solution treated Al-Mg-Si alloy sheet under hot stamping conditions. J. of Mater. Process. Tech. 228, 179-185 (2016).
- Zidane, I., Guines, D., Léotoing, L., Ragneau, E. Development of an in-plane biaxial test for forming limit curve (FLC) characterization of metallic sheets. Meas. Sci. Technol. 21 (5), 055701 (2010).
- Hannon, A., Tiernan, P. A review of planar biaxial tensile test systems for sheet metal. J. of Mater. Process. Tech. 198 (1-3), 1-13 (2008).
- Garrett, R., Lin, J., Dean, T. An investigation of the effects of solution heat treatment on mechanical properties for AA 6xxx alloys: experimentation and modelling. Int. J. Plasticity. 21 (8), 1640-1657 (2005).
- Milkereit, B., Wanderka, N., Schick, C., Kessler, O. Continuous cooling precipitation diagrams of Al-Mg-Si alloys. Mater. Sci. Eng. A. 550, 87-96 (2012).
- Crammond, G., Boyd, S. W., Dulieu-Barton, J. M. Speckle pattern quality assessment for digital image correlation. Opt. Laser. Eng. 51 (12), 1368-1378 (2013).
