Summary
Denne protokollen foreslår en ny biaksial testsystem som brukes på en motstandsoppvarming uniaksial strekkprøve-maskin for å bestemme formingsgrensen diagrammet (FLD) av metallplater under varme stempling betingelser.
Abstract
Den varme stempling og kaldpres bråkjølingsprosessen blir stadig mer brukt for å danne komplisert utformede konstruksjonsdeler av metallplater. Konvensjonelle eksperimentelle tilnærminger, for eksempel ut-av-planet og i plan-tester, er ikke anvendelig for bestemmelse av formingsbegrensninger ved oppvarming og rask avkjøling prosesser blir introdusert før formingen for tester utført under varme stempling betingelser. Et nytt i planet biaksialt testsystem ble konstruert og anvendt for bestemmelse av formingsgrensene for metallplater ved forskjellige belastningsbaner, temperaturer og strekkverdier etter oppvarming og avkjølingsprosesser ved en motstandsoppvarming uniaksial prøvemaskin. Kjernen del av den biaksiale testsystemet er en biaksial apparat, som overfører en enakset kraft som tilveiebringes av uniaksial prøvemaskin til en biaksial kraft. En type av korsformede prøvestykke ble utformet og verifisert for formbarheten test av aluminiumlegeringen 6082 ved bruk av det foreslåtte biaksiale testing av systemet. Den digitale imalder korrelasjon (DIC) system med en høyhastighetskamera ble brukt for å ta målinger av strekk en prøve i løpet av en deformasjon. Hensikten med å foreslå denne biaksiale testing system er å gjøre det mulig formingsgrensene for en legering som skal bestemmes ved forskjellige temperaturer og strekkverdier under varme stempling betingelser.
Introduction
Bilindustrien står overfor et stort globalt utfordring å redusere drivstofforbruket og redusere miljøforurensning fra utslipp fra kjøretøy. Vektreduksjon er gunstig for å forbedre ytelsen til biler og kan direkte redusere energiforbruket 1. På grunn av den lave formbarhet av metallplater ved romtemperatur, varm stempling og kald presslukke prosesser (referert til som varmtrykk) 2 benyttes for å forbedre formbarheten av legeringer og således for å skaffe komplisert utformede komponenter i bilindustrien.
Et formings grense diagram (FLD) er et nyttig verktøy for å evaluere formbarhet av en legering 3. Out-of-plane tester, for eksempel den Nakazima forsøk 4, 5 og i planet tester, for eksempel den Marciniak forsøk 6, 7, 8, enre vanlige eksperimentelle metoder for å oppnå de FLDs av metallplater under forskjellige betingelser 9, 10, 11. En servo-hydraulisk biaksial testing av maskinen har også blitt brukt for å undersøke den formbarhet av legeringer ved værelsetemperatur 12, 13.
Imidlertid er ingen av metodene ovenfor kan anvendes på formbarhetsegenskaper tester under varme stempling betingelser, ettersom en kjøleprosess før forming er nødvendig sammen med kontroll av oppvarmings- og avkjølingshastighetene. Deformasjonen temperatur og tøyning er vanskelig å oppnå nøyaktig. Derfor tilveiebringes en ny formbarhet testsystem som foreslås i denne studien er å bestemme eksperimentelt de danner grensene for metaller ark under varme stempling betingelser.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Fremstilling av prøver
- Maskin flat dog beina og korsformede prøver fra kommersielt materiale aluminiumlegering 6082 (AA6082) ved hjelp av en laserskjærer og en datamaskin numerisk kontroll (CNC) fresemaskin (for formbarhetsegenskaper tester ved forskjellige belastningsbaner inkludert enakset, plane belastning, og i lik biaksial strai stater).
- Måle tykkelsen av hver korsformede prøvestykke og hver hund-bein prøven med en verniercaliper tre ganger i det sentrale bakre parti og beregne gjennomsnittsverdier. Sørge for at tykkelsen av kaliberseksjonen i et korsformet mønster er 0,7 ± 0,05 mm og at tykkelsen av den uniaksiale prøven er 1,5 ± 0,1 mm.
- Spray-male hele toppflaten av en korsformet mønster ved hjelp av en flammebestandig, svart spraymaling (stand til å motstå temperaturer opp til 1093 ° C). Vent inntil malingen tørker og deretter sprayflammeresistente, hvit maling prikker fra arm lengde for å skape en stokastisksprøyting mønster som skal gjenkjennes av DIC-systemet (se eksempelet i figur 1).
- Sveis et par av termoelementer til midten av den bakre overflate (motsatt av den malte overflaten) av prøven. Koble den andre enden av termoelementet til tilbaketemperaturreguleringssystem av den uniaksiale testing av maskinen for å overvåke og kontrollere temperaturendringen historie.
2. Montering av Biaxial Testing Apparatus
- Sette sammen alle deler av den biaksiale testapparat, omfatter en bunnplate, en sentral aksel, inngangs- og utgangsdreibare plater, vogner, en klemme, styreskinner, og stive forbindelsesstenger (den monterte apparatet er vist i figur 2).
- Ved hjelp av en forbindelsesstang, et par inngangsdreibare plate direkte til den bevegelige kjeven av en motstandsvarme uniaksial strekkprøvemaskin, som gir uniaksial strekkraft. Par inngangsdreibare plate til den sentrale drivaksel ogpar denne sentrale drivaksel til utgangen dreibare plate.
- Sikre at rotasjon av inngangsdreibare plate rundt rotasjonsaksen roterer drivaksel, for derved å rotere utgangsdreibare plate til hvilken det er koplet rundt rotasjonsaksen.
- Ved den ene ende, et par hver av de stive forbindelsesstenger til et av tilkoblingspunktene på utgangsdreibare plate. Par den andre enden til en av vognene.
MERK: Dette vil bevirke at vogner med prøveholdere for å gli frem og tilbake langs styreskinnene med lav friksjon, som kan gjelde en biaksial kraft til de korsformede prøven. - Ved hjelp av skruebolter, klemme hver arm av korsformen prøven til en vogn med en prøveholder og en topp-plate.
- Sett opp griper inn i kammeret i uniaksial strekkprøvemaskin, som vist i figur 3 (a). Fest fire sveisekabler til hvert par håndtak, som er laget av rustfritt stål og kobber, respectively, og således koble sveisekablene til den elektriske strømforsyningen.
MERK: ledningsareal av sveisekablene er 50 mm 2, og den strømstyrke er 345 A.- Sett gripemidlene og klemme av den biaksiale testapparatet inn i de to kjever av den uniaksiale strekkprøvemaskin og skru dem på innsiden (figur 3 (a)).
- Still opp den biaksiale testapparatet i kammeret i uniaksial strekkprøvemaskin, som vist i figur 3 (b).
- Bruk to rammer og skru boltene på den øvre og de nedre sider av basisplaten for å feste apparatet i kammeret i uniaksial strekkprøvemaskin.
- Sett av prøven i prøveholderen på toppen av den biaksiale testapparatet.
- Koble hver terminal av sveisekabler til hver klem region av prøven.
3. Oppsett av Varme og Quenching System
- tett samarbeidnnect hver klemområde av prøven til den øvre plate av rustfritt stål, som tjener som elektrode for motstandsoppvarming.
- Trekk til de sveisekabler med krusenes klemmer til topp-platen i hver klem region.
- Connect blusset dyser med slanger av den høye strømningskjølesystemet med regulert lufttilførsel på 8,000 kg / m 2 trykk for kjøling.
- Bruk fire munnstykker for å blåse luft fra armene av prøven til den sentrale regionen av prøven.
MERK: Dysene er ikke rettet mot den sporstrekningen for avkjøling for å unngå blokkering av den sentrale sone fra kamerabildet.
4. Innstilling av DIC System
- Koble høyhastighetskamera av DIC-system med en mikrolinse til en datamaskin. Juster bildefrekvens på kameraet 25 bilder per sekund, 50 bps og 500 bps fra menyen av bildefrekvenser (for testene ved strekkbelastning hastigheter på 0,01 / s, 0,1 / s og 1 / s, henholdsvis). Still inn oppløsning på alt jegMages til 1280 x 1024 bildeelementer.
MERK: bildefrekvens er avhengig av antall datapunkter som skal samles; minst 200 datapunkter kan samles opp ved hjelp av de ovennevnte innstillinger. - Bruke en ekstra søkelyset med en effekt på 300 W for videre undersøkelse ved høye strekkverdier. Peker søkelyset direkte på kammeret i uniaksial strekkprøvemaskin.
- Juster kameralinsen, slik at den er parallell med den øvre overflate av prøven i kammeret og fokusere kameraet på kaliberseksjon.
5. Experimental Program
- Kjør motstandsoppvarming uniaxial strekk teste maskinen ved å klikke på trekant løp knappen i kontrollprogramvare.
MERK: Strøm går gjennom AA6082 materiale og varmer den til den oppløsningsvarmebehandlingstemperaturen på 535 ° C 14 ved en oppvarmingshastighet på 30 ° C / s. Materialet blir fuktet ved 535 ° C i 1 minutt, som er tilstrekkelig for den fullstendige oppløsning av bunnfall. Air blåser fra kjølesystemet benyttes for å slukke materialet ved en avkjølingshastighet på 100 ° C / s 15 til en av tre angitte forhøyede temperaturer i området fra 370 til 510 ° C. - Strekk prøven med den biaksiale testapparatet ved en konstant forlengelseshastighet i området 0,01-1 / s og registrere deformasjonshistorien ved å trykke på utløserknappen er koblet til høyhastighetskamera manuelt.
MERK: Inngangs forskyvning fra den uniaksiale testing av maskinen til den biaksiale testapparatet ble styrt av den innebygde programvare av den uniaksiale prøvemaskin. - Utføre tester på forskjellige belastningsbaner som består av enakset, plane belastning, og biaksiale solde tilstander 3 ved å justere utformingen av den biaksiale testapparatet.
- Koble fra to motstående forbindelsesstenger for uniaksiale tester. Klemme en hund-bein prøven på den biaksiale testapparatet og koble den til sveisekabler, som i trinn 3.1-3.4. Gjenta trinn 5,1-5,2.
- Fiks to motstående vogner til basisplaten med skruebolter for å begrense deformasjonen på den tilsvarende retning for prøving under planet belastning tilstand. Klemme en korsformet mønster på den biaksiale testapparatet og koble den til sveisekabler, som i trinn 3,1-3,4. Gjenta trinn 5,1-5,2.
- Gjenta trinn 5.3.1-5.3.2 for hver test tilstand tre ganger, ved hjelp av ny hund-bein og kors prøver.
6. Behandling av data
- Importere alle bilder som er tatt med høyhastighetskamera inn i post-prosessering programvare og følg standardmåten for dataanalyse i henhold til programvarehåndboken.
- Bruk ISO standard 3 for å bestemme formingsgrensene ved å klikke på knappen FLC-modus i programvaren.
MERK: Denne metoden er allerede integrert i bilde korrelasjon prosessering programvare. - Markere hvert resultat av formings grenser ved forskjellige temperaturs, strekkverdier, og belastningsbaner i et diagram.
- Plotte danner grensekurver på alle testbetingelser for å oppnå en FLD av en legering under varme stempling betingelser.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Siden FLDs er meget strekkstrekningsavhengige, ble lineariteten av belastningsbanen for hver testtilstand bekreftet ved analysering av DIC resultater; strekk banene er proporsjonal hele deformasjon for hver testbetingelse. Utvalget av den mindre til større belastning forhold tilnærmet -0,37 (uniaksial tilstand) til 0,26 (nær biaksiale tilstand). Ved å behandle data for ulike AA6082 betingelser, og danner grensedata for forskjellige belastningsbaner ble bestemt, og følgelig ble de FLDs for AA6082 ved varme stempling betingelser oppnådd ved kurvetilpasning. I figur 3, ble det danner grense data oppnådd ved forskjellige temperaturer, strekkverdier, og belastningsbaner etter oppvarmings- og kjøleprosesser. Den utstyrte stiplede linjer indikerer formbarhet av denne legering, AA6082. Et formingsgrensekurve angir grensen mellom ensartet deformasjon og utbruddet av plast ustabilitet eller diffus innsnevring, som fører til svikt. Området over kurven representerer potensiell svikt, og området under kurven er å anse som en sikkerhet region, hvor ensartet deformasjon opptrer ved de tilsvarende testforhold. En høyere FLC indikerer at materialet har bedre formbarhet hvis form forblir den samme.
Formbarhetsegenskaper tester som anvender det nye i planet biaksial strekkprøvesystemet ble utført ved de angitte temperaturer og deformasjon tøyningshastigheter etter oppvarmings- og kjøleprosesser. Det ble funnet at, når tøyningsraten øker fra den angitte tøyningshastighet på 0,01 / s til 1 / s, den danner grensen for AA6082 øker. Formings grense har en større økning, fra 0,1 / s til 1 / s, enn fra 0,01 / s til 1 / s, som vist i figur 4 (a).
I figur 4 (b), er det en monoton økning i formingsgrensen fra 370 ° C til 510 ° C. dette .indikatoreres at høy formbarhet av AA6082 kan oppnås ved en høyere temperatur under varme stempling betingelser. De tre som danner grensekurver er ganske nær hverandre på den venstre side av FLD, som betyr at følsomheten for temperaturavhengigheten er større for strekk-spenning biaksial belastningsbaner enn for strekk-kompresjonsbelastningsbaner.
Figur 1: Et eksempel på en stokastisk mønster i en korsformet prøvestykke før biaksialstrekningen (a) og etter biaksial strekking (b). Mønsteret med hvite prikker på svart bakgrunn er tatt til fange av høyhastighetskamera under testene. Størrelsen og tettheten av de flekker innen et mønster underkastes de krav DIC analyse 15. Klikk her for å se et stortr versjon av denne figur.
Figur 2: Den sammenstilte biaksiale testapparatet. Anordningen omfatter en basisplate, en sentral aksel, roterbare plater, vogner, styreskinner, og forbindelsesstenger. Den er montert i kammeret for motstandsoppvarming uniaksiale prøvemaskin. Nøkkelkomponenter har blitt markert i figuren. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3: Innstilling av håndtak og den biaksiale testapparatet i kammeret av den uniaksiale prøvemaskin. (A) Håndtakene og klemmen. (B) Den biaksiale testapparatet og dyserfor luftkjøling. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4: FLDs av AA6082 ved (a) forskjellige strekkverdier og (b) forskjellige temperaturer under varme stempling betingelser. Symbolene er resultatene av formingsgrensene under forskjellige forhold. De stiplede linjer ble oppnådd ved polynomet tilpasningsalgoritmen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Konvensjonelle formbarhetsegenskaper testmetoder anvendes for å bestemme formingsgrensene er vanligvis anvendbar bare ved romtemperatur. Den presenterte teknikken kan brukes til å evaluere formbarhet av metaller for varme plate pressing anvendelser ved å innføre en ny biaksial testapparat for en motstandsoppvarming uniaksial prøvemaskin. Dette kan ikke utføres ved hjelp av konvensjonelle metoder for varm stempling anvendelser. Oppsettet av oppvarmings- og kjølesystemer og DIC systemet er kritisk for å kontrollere jevnheten av temperaturfordelingen i en prøve, og således til å ta opp deformasjoner historie strekker prøver.
I denne teknikken, kan oppvarmings- og avkjølingshastighetene styres nøyaktig ved uniaksial strekkprøvemaskin for kompleksdannende prosessanvendelser. Den biaksiale Mekanismen har en forholdsvis enkel utforming, noe som reduserer kostnadene og kompleksiteten ved biaksial strekkprøving sammenlignet med tradisjonell biaksial testingmekanismer. Imidlertid er temperaturfelt laget av motstandsoppvarming påvirket av prøve utforming i dette testsystemet, og temperaturgradienter på et prøvestykke ikke kan unngås. Ingen eksisterende standard prøve design er tilgjengelig for denne type biaxial testing.
I sammendrag, er dette første gang at en FLD av legeringer med varme stempling betingelser ble oppnådd. Høye danner hastigheter og høye temperaturer i de angitte områder er fordelaktig for å forbedre de danner grensene for AA6082 under varme stempling betingelser. Denne nye teknikken kan brukes til å bestemme de danner grensene for metallplater ved hjelp av kompliserte testbetingelser. De oppnådde eksperimentelle resultatene kan brukes for å utvikle et materiale modell som forutsier den termo-mekaniske oppførsel og formbarhet av en legering. Mekanismen av apparatet kan modifiseres for å utføre tester formbarhetsegenskaper som er utsatt for ikke-lineære belastningsbaner 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).
