Summary
Ce protocole propose un nouveau système d'essai biaxial utilisé sur une résistance de chauffage machine d'essai de traction uniaxiale dans le but de déterminer le diagramme de limite de formage (FLD) de tôles dans des conditions de marquage à chaud.
Abstract
Le marquage à chaud et le processus de trempe de la filière à froid est de plus en plus utilisés pour former des éléments de structure en forme de complexes de métaux en feuilles. approches expérimentales classiques, tels que des essais hors du plan et dans le plan, ne sont pas applicables à la détermination des limites de formage lors du chauffage et des processus de refroidissement rapide sont mis en place avant la formation des essais effectués dans des conditions de marquage à chaud. Un nouveau a été conçu et utilisé système d'essai biaxial dans le plan pour la détermination des limites de formage de tôles à différents chemins de déformation, des températures et des vitesses de déformation après chauffage et les processus de refroidissement dans une résistance de chauffage machine d'essai uniaxial. La partie centrale du système d'essai biaxial est un appareil biaxial, qui transfère une force uniaxiale fournie par la machine d'essai uniaxial à une force biaxial. Un type d'échantillon cruciformes a été conçu et vérifié pour le test de formabilité en alliage d'aluminium 6082 à l'aide du système de test biaxial proposé. L'im numériquesystème de corrélation d'âge (DIC) avec une caméra à grande vitesse a été utilisé pour effectuer des mesures de déformation d'un échantillon au cours d'une déformation. Le but de proposer ce système d'essai biaxial est de permettre des limites de formage d'un alliage à déterminer à diverses températures et vitesses de déformation dans des conditions de marquage à chaud.
Introduction
L'industrie automobile est confrontée à un énorme défi mondial de réduire la consommation de carburant et réduire la pollution de l'environnement des émissions de véhicules. La réduction du poids est bénéfique pour améliorer les performances des automobiles et peut réduire directement la consommation d'énergie 1. En raison de la faible aptitude au formage de tôles à la température ambiante, l' estampage à chaud et les procédés de trempe de la filière froide (dénommé estampage à chaud) 2 sont utilisés pour améliorer la formabilité des alliages et d'obtenir ainsi des composants de forme complexe dans les applications automobiles.
Un diagramme de limite de formage (FLD) est un outil utile pour évaluer l'aptitude au formage d'un alliage 3. Out-of-plane tests, tels que le test Nakazima 4, 5, et des tests dans le plan, tels que le test Marciniak 6, 7, 8, unre méthodes expérimentales classiques pour obtenir les flds de tôles dans diverses conditions 9, 10, 11. Une machine d'essai servo-hydraulique biaxial a également été utilisée pour étudier la formabilité des alliages à température ambiante 12, 13.
Cependant, aucune des méthodes ci-dessus sont applicables aux essais de formabilité dans des conditions de marquage à chaud, car un processus de refroidissement avant la formation est nécessaire ainsi que le contrôle des vitesses de chauffage et de refroidissement. La température de déformation et la vitesse de déformation sont difficiles à obtenir avec précision. Par conséquent, un nouveau système de test de formabilité est proposé dans cette étude afin de déterminer expérimentalement les limites formant des tôles dans des conditions de marquage à chaud.
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Protocol
1. Préparation des échantillons
- Machine d'os de chien plat et d'échantillons cruciformes à partir d'alliage d'aluminium et de matière commerciale 6082 (AA6082) en utilisant un dispositif de coupe au laser et une commande numérique par ordinateur machine de fraisage (CNC) (pour les essais de formabilité à différents chemins de contrainte compris uniaxiale, déformation plane, et déformation équi-biaxial États).
- Mesurer l'épaisseur de chaque éprouvette cruciforme et chaque échantillon d'os de chien avec un pied à coulisse à trois reprises dans la région de la jauge centrale et de calculer les valeurs moyennes. Assurez-vous que l'épaisseur de la section de jauge dans un échantillon cruciforme est de 0,7 ± 0,05 mm et que l'épaisseur de l'échantillon uniaxial est de 1,5 ± 0,1 mm.
- Pulvérisation de peinture toute la surface supérieure d'un spécimen en utilisant une cruciformes résistant à la flamme, la peinture par pulvérisation noir (capable de résister à des températures allant jusqu'à 1093 ° C). Attendre jusqu'à ce que la peinture sèche, puis pulvériser des points de peinture résistant à la flamme, des blancs d'un lien de dépendance pour créer un stochastiquemotif de pulvérisation d'être reconnu par le système DIC (voir l'exemple de la figure 1).
- Souder une paire de thermocouples au centre de la surface arrière (opposée à la surface peinte) de l'échantillon. Connectez l'autre extrémité du thermocouple au système de contrôle de la température de retour de la machine d'essai uniaxial pour surveiller et contrôler l'historique des changements de température.
2. Assemblée des essais biaxiale Appareil
- Assembler toutes les parties de l'appareil d'essai biaxial, comprenant une plaque de base, un arbre central, l' entrée et les plaques tournantes de sortie, des chariots, un dispositif de serrage, des rails de guidage, et des tiges rigides de liaison (le dispositif assemblé est représenté sur la figure 2).
- Utilisation d'une bielle, coupler la plaque rotative d'entrée directement à la mâchoire mobile d'une machine d'essai de traction uniaxiale de chauffage par résistance, qui fournit la force de traction uniaxiale. Couple du plateau rotatif d'entrée à l'arbre d'entraînement central etcouple, cet arbre d'entraînement central de la plaque rotative de sortie.
- Assurez-vous que la rotation de la plaque rotative d'entrée autour de l'axe de rotation fait tourner l'arbre d'entraînement, faisant ainsi tourner le plateau rotatif de sortie auquel il est couplé autour de l'axe de rotation.
- A une extrémité, chacune des deux tiges rigides de liaison à l'un des points de connexion sur la plaque rotative de sortie. Couple l'autre extrémité à l'un des chariots.
NOTE: Cela entraînera des chariots avec des porte-échantillons pour coulisser d'avant en arrière le long des rails de guidage à faible frottement, qui peut appliquer une force biaxial à l'échantillon cruciformes. - Utilisation de boulons filetés, serrer chaque bras de l'échantillon cruciformes à un chariot avec un porte-échantillon et une plaque supérieure.
- Mettre en place des poignées dans la chambre de la machine d'essai de traction uniaxiale, comme représenté sur la figure 3 (a). Fixer les quatre câbles de soudage à chaque paire de pinces, qui sont faites d'acier inoxydable et le cuivre, respectively, et ainsi connecter les câbles de soudage à l'alimentation électrique.
REMARQUE: La zone conductrice des câbles de soudage est de 50 mm 2 et l'estimation actuelle est de 345 A.- Mettre les poignées et la pince de l'appareil d'essai biaxial dans les deux mâchoires de la machine d'essai de traction uniaxiale et les serrer à l' intérieur (figure 3 (a)).
- Mettre en place l'appareil d'essai biaxial dans la chambre de la machine d'essai de traction uniaxiale, comme représenté sur la Figure 3 (b).
- Utiliser deux cadres et visser les boulons sur le dessus et les côtés inférieurs de la plaque de base pour fixer l'appareil dans la chambre de la machine d'essai de traction uniaxiale.
- Mettre l'échantillon dans le porte-échantillon sur le dessus de l'appareil d'essai biaxial.
- Connecter chaque borne des câbles de soudage à chaque zone de serrage de l'éprouvette.
3. Configuration du système de chauffage et Trempe
- étroitement connect chaque zone de serrage de l'échantillon à la plaque supérieure en acier inoxydable, qui sert d'électrode pour le chauffage par résistance.
- Serrer les câbles de soudage avec bornes à bague de sertissage à la plaque supérieure de chaque zone de serrage.
- Connect évasé buses avec les tuyaux du système de refroidissement à débit élevé avec une alimentation d'air régulée à 8000 kg / m 2 de pression pour le refroidissement.
- Utilisez quatre buses pour souffler de l'air des bras de l'échantillon à la région centrale de l'échantillon.
REMARQUE: Les buses ne sont pas dirigés vers la section de jauge de refroidissement pour éviter le blocage de la zone centrale de la vue de la caméra.
4. Configuration du système DIC
- Raccorder la caméra à haute vitesse du système DIC avec une micro-lentille sur un ordinateur. Ajuster les taux de trame de la caméra à 25 images par seconde, 50 images par seconde, et 500 images par seconde à partir du menu de fréquences de trame (pour les tests sur les taux de déformation d'étirage de 0,01 / s, 0,1 / s et 1 / s, respectivement). Définissez les résolutions de tous les images à 1,280 x 1024 pixels.
NOTE: Les taux de trame dépendent du nombre de points de données à collecter; au moins 200 points de données peuvent être collectées en utilisant les paramètres ci-dessus. - Utiliser un projecteur supplémentaire avec une puissance de 300 W pour des essais à des vitesses de déformation élevées. Le point le projecteur directement à la chambre de la machine d'essai de traction uniaxiale.
- Ajuster la lentille de la caméra de sorte qu'il est parallèle à la surface supérieure de l'échantillon dans la chambre et mise au point sur la section de jauge.
5. Programme expérimental
- Exécutez la résistance de chauffage machine d'essai de traction uniaxiale en cliquant sur le bouton Exécuter triangulaire dans le logiciel de contrôle.
NOTE: L' électricité traverse le matériau AA6082 et il se réchauffe à la température de traitement thermique en solution de 535 ° C 14 à une vitesse de chauffage de 30 ° C / s. Le matériau est trempé à 535 ° C pendant 1 min, ce qui est suffisant pour la résolution complète des précipités. Air soufflage à partir du système de refroidissement est utilisé pour refroidir le matériau à une vitesse de refroidissement de 100 ° C / s 15 à l' une des trois températures élevées désignées dans la plage de 370-510 ° C. - Étirer l'échantillon avec l'appareil d'essai biaxial à une vitesse de déformation constante dans la plage de 0,01-1 / s et enregistrer l'historique de déformation en appuyant manuellement sur le bouton de déclenchement connecté à la caméra à grande vitesse.
REMARQUE: le déplacement d'entrée de la machine d'essai uniaxial à l'appareil d'essai biaxial a été contrôlé par le logiciel intégré de la machine d'essai uniaxial. - Effectuer les tests à différents chemins de contrainte uniaxiale, consistant en déformation plane, et les états de forcer biaxiale 3 en réglant la configuration de l'appareil d'essai biaxial.
- Déconnecter deux bielles opposées pour des tests uniaxiaux. Fixer un échantillon d'os de chien sur l'appareil d'essai biaxial et le raccorder à des câbles de soudage, comme dans les étapes 3.1-3.4. Répétez les étapes 5/1 à 5/2.
- Fixer deux chariots opposés à la plaque de base avec des boulons filetés pour limiter la déformation de la direction correspondante pour les essais sous état de déformation plane. Fixer un échantillon cruciformes sur l'appareil d'essai biaxial et le raccorder à des câbles de soudage, comme dans les étapes 3.1-3.4. Répétez les étapes 05.01 à 05.02.
- Répétez les étapes 5.3.1-5.3.2 pour chaque condition d'essai à trois reprises, en utilisant de nouveaux échantillons d'os de chien et cruciformes.
6. Traitement des données
- Importez toutes les images enregistrées par la caméra à haute vitesse dans le logiciel de post-traitement et suivez les étapes standards pour l'analyse des données selon le manuel du logiciel.
- Utilisez la norme ISO 3 pour déterminer les limites de formation en cliquant sur le bouton Mode FLC dans le logiciel.
REMARQUE: Cette méthode a déjà été intégré dans le logiciel de traitement de corrélation d'images. - Marquer chaque résultat des limites de formage à diverses températuress, des vitesses de déformation et chemins déformation dans un diagramme.
- Tracer les courbes limites de formage à toutes les conditions d'essai pour obtenir un FLD d'un alliage dans des conditions de marquage à chaud.
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Representative Results
Depuis flds sont très-chemin dépend de la souche, la linéarité du trajet de déformation pour chaque condition d'essai a été vérifiée par l'analyse des résultats DIC; les chemins de déformation sont proportionnelles à travers la déformation pour chaque condition d'essai. La plage du rapport à majeur-mineur souche est d'environ -0,37 (condition uniaxial) à 0,26 (à proximité de la condition biaxial). Par traitement de données pour différentes conditions de AA6082, en formant des données de limite pour les chemins de contrainte différents ont été déterminées et, par conséquent, les flds pour AA6082 aux conditions de marquage à chaud ont été obtenues par ajustement de courbe. Sur la figure 3, en formant des données de limite ont été obtenues à différentes températures, des vitesses de déformation, et des chemins de contrainte après les processus de chauffage et de refroidissement. Les lignes en pointillés indiquent la formabilité équipées de cet alliage, AA6082. Une courbe limite de formage définit la limite entre la déformation uniforme et l'apparition de l'instabilité plastique ou striction diffuse, ce qui conduit à l'échec. La zone au-dessus de la courbe représente une défaillance potentielle, et la région en dessous de la courbe est considérée comme une zone de sécurité, où une déformation uniforme se produit dans les conditions d'essai correspondantes. Un FLC supérieur indique que le matériau a une meilleure formabilité si la forme reste la même.
des tests de l'aptitude au formage à l'aide du nouveau système d'essai de traction biaxiale dans le plan ont été effectuées à des températures de déformation désignées et des vitesses de déformation après le processus de chauffage et de refroidissement. On a constaté que, lorsque la vitesse de déformation augmente à partir de la vitesse de déformation désigné de 0,01 / s à 1 / s, la limite formant des augmentations AA6082. La limite de formage a une augmentation plus importante, de 0,1 / s à 1 / s, à partir de 0,01 / s à 1 / s, comme représenté sur la figure 4 (a).
Sur la figure 4 (b), il y a une augmentation monotone de la limite de formation de 370 ° C à 510 ° C. cette indiques que la haute formabilité de AA6082 peut être obtenue à une température plus élevée dans des conditions de marquage à chaud. Les trois courbes limites de formage sont assez proches les uns des autres sur le côté gauche de la FLD, ce qui signifie que la sensibilité de la dépendance en température est plus grande pour les chemins de contrainte biaxiale tension-tension que pour des chemins de contrainte de traction-compression.
Figure 1: Un exemple d'un motif stochastique dans un échantillon cruciformes avant étirage biaxial (a) et après l' étirage biaxial (b). Le motif à pois blancs sur un fond noir est capturé par la caméra grande vitesse au cours de tests. La taille et la densité des mouchetures dans un motif sont soumis aux exigences de la norme d'analyse 15 DIC. S'il vous plaît cliquer ici pour voir un grandversion r de ce chiffre.
Figure 2: L'appareil de test biaxial assemblé. L'appareil comprend une plaque de base, un arbre central, des plaques rotatives, des chariots, des rails de guidage, et des bielles. Il est monté dans la chambre de la résistance de chauffage machine d'essai uniaxial. Les principaux éléments ont été marqués dans la figure. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 3: Mise en place de poignées et de l'appareil d'essai biaxial dans la chambre de la machine d'essai uniaxial. (A) Les poignées et la pince. (B) L'appareil d'essai biaxial et les busespour le refroidissement de l'air. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 4: flds de AA6082 en (a) les différentes vitesses de déformation et (b) des températures différentes dans des conditions de marquage à chaud. Les symboles sont les résultats des limites de formation dans différentes conditions. Les lignes en pointillés ont été obtenues par l'algorithme d'ajustement polynomiale. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
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Discussion
méthodes d'essai classiques formabilité utilisées pour déterminer la formation des limites sont généralement applicables uniquement à la température ambiante. La technique présentée peut être utilisée pour évaluer l'aptitude au formage de métaux pour des applications d'estampage de feuilles à chaud par l'introduction d'un nouvel appareil d'essai biaxial à un chauffage par résistance machine d'essai uniaxial. Cela ne peut pas être effectuée en utilisant des méthodes conventionnelles pour des applications de marquage à chaud. La mise en place de systèmes de chauffage et de refroidissement et le système DIC est essentiel de contrôler l'uniformité de la distribution de température dans un échantillon et donc à enregistrer l'historique de la déformation des échantillons d'étirage.
Dans cette technique, les vitesses de chauffage et de refroidissement peuvent être contrôlés avec précision par la machine d'essai de traction uniaxial pour des applications de processus de formation de complexes. Le mécanisme biaxiale a une configuration relativement simple, ce qui réduit le coût et la complexité des tests de traction biaxiale par rapport aux essais biaxiaux traditionnelsmécanismes. Cependant, les champs de température en chauffant de résistance sont affectées par la conception de spécimens dans ce système d'essai et des gradients de température sur un échantillon ne peut être évité. Aucune conception de l'échantillon standard existant est disponible pour ce type de test biaxial.
En résumé, c'est la première fois qu'un FLD d'alliages dans des conditions de marquage à chaud a été obtenu. des vitesses élevées et des températures élevées formant dans les plages désignées sont bénéfiques pour améliorer la formation de limites de AA6082, dans des conditions de marquage à chaud. Cette nouvelle technique peut être utilisée pour déterminer les limites de formage des tôles dans des conditions de test complexes. Les résultats expérimentaux obtenus peuvent être utilisés pour développer un modèle de matériau qui prédit le comportement thermo-mécanique et l'aptitude au formage d'un alliage. Le mécanisme de l'appareil peut être modifié pour effectuer des tests de formabilité soumis à des chemins de contrainte non-linéaire dans l'avenir.
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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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