Summary
Este protocolo propõe um novo sistema de teste biaxial usado em um aquecimento por resistência à tracção uniaxial máquina de teste, a fim de determinar a formação de diagrama limite (FLD) de chapas de metal, sob condições de estampagem a quente.
Abstract
A estampagem a quente e processo de têmpera molde frio é cada vez mais utilizado para formar os componentes estruturais em forma de complexos de metais de folha. abordagens experimentais convencionais, tal como para fora do plano e em plano testes, não são aplicáveis para a determinação de formação de limites quando o aquecimento e processos de arrefecimento rápidas são introduzidas antes da formação para os ensaios efectuados sob condições de estampagem a quente. Um sistema de teste biaxial novo no plano foi concebido e utilizado para a determinação de formação de limites de chapas metálicas em vários caminhos de deformação, temperaturas e taxas de deformação após o aquecimento e arrefecimento em processos de um aquecimento por resistência máquina de ensaio uniaxial. A parte de núcleo do sistema de teste biaxial é um aparelho biaxial, o qual transfere uma força uniaxial fornecida pela máquina de ensaio uniaxial a uma força biaxial. Um tipo de espécime cruciformes foi concebido e verificada para o teste de conformabilidade da liga de alumínio 6082 utilizando o sistema de teste biaxial proposto. O im digitaissistema idade correlação (DIC) com uma câmara de alta velocidade foi utilizada para a tomada de medidas de deformação de um espécime durante uma deformação. O objectivo de propor esta biaxial sistema de teste consiste em permitir que os limites que formam de uma liga para ser determinada a diferentes temperaturas e taxas de deformação sob condições de estampagem a quente.
Introduction
A indústria automotiva está enfrentando um grande desafio global de reduzir o consumo de combustível e minimizar a poluição ambiental de emissões dos veículos. A redução de peso é benéfico para a melhoria do desempenho de automóveis e pode reduzir o consumo de energia directamente um. Devido à baixa formabilidade de chapas de metal à temperatura ambiente, de estampagem a quente e processos de têmpera die frio (referido como estampagem a quente) 2 são utilizados para melhorar a moldabilidade de ligas e, portanto, para obter componentes de formas complexas em aplicações automóveis.
Um diagrama de limite de conformação (FLD) é uma ferramenta útil para avaliar a formabilidade de uma liga 3. Out-of-plano testes, tais como o teste Nakazima 4, 5, e os ensaios no plano, tais como o teste Marciniak 6, 7, 8, umare métodos experimentais convencionais para se obter os flds de metais de folha sob diferentes condições de 9, 10, 11. Uma máquina de ensaio biaxial servo-hidráulica também tem sido utilizado para investigar a formabilidade de ligas à temperatura ambiente, 12, 13.
No entanto, nenhum dos métodos acima são aplicáveis para testes de formabilidade em condições de estampagem a quente, uma vez que um processo de arrefecimento antes da formação é necessário juntamente com o controlo das taxas de aquecimento e de arrefecimento. A temperatura de deformação e da taxa de deformação são difíceis de obter com precisão. Portanto, um sistema de teste de formabilidade romance é proposto no presente estudo para determinar experimentalmente os limites formadoras de folhas de metal em condições de estampagem a quente.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Preparação de Amostras
- Máquina plana cão-óssea e espécimes cruciformes de material comercial da liga de alumínio 6082 (AA6082) utilizando um cortador de laser e um computador de controlo numérico (CNC), a máquina de trituração (por testes de formabilidade em diferentes caminhos de tensão incluindo tensão uniaxial, plano, e escorrimento equi-biaxial estados).
- Medir a espessura de cada espécime cruciformes e cada espécime cão de osso com um paquímetro três vezes na região calibre central e calcular os valores médios. Assegure-se que a espessura da secção de bitola num espécime cruciforme é de 0,7 ± 0,05 mm e se a espessura do espécime uniaxial é de 1,5 ± 0,1 mm.
- Spray-pintar toda a superfície de topo de um espécime cruciformes usando, uma tinta spray preto resistente ao fogo (capaz de suportar temperaturas de até 1093 ° C). Aguardar até que a tinta seca e, em seguida, por pulverização, os pontos de tinta branca resistentes à chama a partir de comprimento do braço para criar um estocásticopulverização padrão a ser reconhecido pelo sistema CID (ver o exemplo na Figura 1).
- Solda um par de termopares para o centro da superfície de trás (lado oposto à superfície pintada) do espécime. Ligue a outra extremidade do termopar para o sistema da máquina de ensaio uniaxial de controlo de temperatura de feedback para monitorar e controlar a história mudança de temperatura.
2. montagem do aparelho Biaxial Testing
- Montar todas as partes do aparelho de teste bi-axial, incluindo uma placa de base, um eixo central, de entrada e de saída de placas rotativas, carruagens, uma braçadeira, carris de guia, e hastes de ligação rígidos (o aparelho montado é mostrado na Figura 2).
- Usando uma vareta de ligação, o par placa rotativa de entrada directamente para a maxila móvel de uma resistência de aquecimento máquina de ensaio de tracção uniaxial, que fornece a força de tracção uniaxial. Acoplar a placa rotativa de entrada para o veio de accionamento central epar este veio de accionamento central para a placa rotativa de saída.
- Certifique-se de que a rotação da placa rotativa de entrada à volta do eixo de rotação roda o veio de accionamento, fazendo assim rodar a placa rotativa de saída ao qual está acoplado em torno do eixo de rotação.
- Numa extremidade, cada par de hastes de ligação rígidos para um dos pontos de ligação sobre a placa rotativa de saída. Par a outra extremidade a uma das carruagens.
NOTA: Este irá fazer com que os carrinhos com suportes de amostra a deslizar para trás e para a frente ao longo das calhas de guia com baixo atrito, o qual pode aplicar uma força biaxial para o espécime cruciformes. - A utilização de parafusos de rosca, prender cada um dos braços do espécime cruciformes para um transporte com um suporte de amostra e uma placa de topo.
- Configurar apertos na câmara da máquina de ensaio de tracção uniaxial, como mostrado na Figura 3 (a). Ligue quatro cabos de solda para cada par de apertos, que são feitas de aço inoxidável e cobre, respectively, e, assim, conectar os cabos de solda para o fornecimento de energia elétrica.
NOTA: A área condutor dos cabos de soldadura é de 50 mm2 e a corrente nominal é 345 A.- Colocar os apertos e o grampo do dispositivo de teste biaxial para dentro das duas maxilas da máquina de ensaio de tracção uniaxial e apertá-los dentro (Figura 3 (a)).
- Defina-se o aparelho de ensaio biaxial na câmara da máquina de ensaio de tracção uniaxial, como mostrado na Figura 3 (b).
- Utilizar dois quadros e aparafusar os parafusos na parte superior e os lados do fundo da placa de base para fixar o aparelho na câmara da máquina de ensaio de tracção uniaxial.
- Colocar a amostra no suporte da amostra na parte superior do aparelho de teste biaxial.
- Ligar cada terminal dos cabos de solda para cada região de fixação do corpo de prova.
3. Instalação do sistema de aquecimento e resfriamento
- firmemente connect cada região de aperto da amostra para a placa de topo de aço inoxidável, que serve como eléctrodo para o aquecimento por resistência.
- Apertar os cabos de soldadura com terminais de anel friso para a placa superior de cada região de aperto.
- Ligação queimado bicos com mangueiras para o sistema de arrefecimento rápido com alto fluxo de alimentação de ar regulada em 8.000 kg / m 2 de pressão para o arrefecimento.
- Use quatro bicos de sopro de ar a partir dos braços do espécime para a região central do espécime.
NOTA: Os bicos não são dirigidas para a secção de indicador para arrefecimento para evitar o bloqueio da zona central a partir do ponto de vista da câmara.
4. Configuração do Sistema DIC
- Ligue a câmera de alta velocidade do sistema DIC com uma micro lente para um computador. Ajustar as taxas de quadros da câmara para 25 fps, 50 fps, e 500 fps a partir do menu de taxas de quadro (para os ensaios com as taxas de deformação de alongamento de 0,01 / s, 0.1 / s e 1 / s, respectivamente). Defina as resoluções de todos os imagos a 1.280 × 1.024 pixels.
NOTA: As taxas de fotogramas depende do número de pontos de dados a ser recolhidos; pelo menos 200 pontos de dados podem ser obtidos utilizando as definições acima. - Usar um projector adicional com uma potência de 300 W para testes em altas taxas de deformação. Apontar o projector directamente na câmara da máquina de ensaio de tracção uniaxial.
- Ajustar a lente de câmara de modo que é paralelo à superfície superior da amostra na câmara e focar a câmara na secção de calibre.
5. Programa Experimental
- Executar a resistência de aquecimento máquina de ensaio de tração uniaxial, clicando no botão de execução triangular no software de controle.
NOTA: Electricidade corre através do material AA6082 e aquece a solução a temperatura de tratamento térmico de 535 ° C 14 a uma taxa de aquecimento de 30 ° C / s. O material é impregnado a 535 ° C durante 1 min, o que é suficiente para a resolução completa de precipitados. Air de sopro a partir do sistema de têmpera é utilizado para temperar o material a uma velocidade de arrefecimento de 15 a um de três temperaturas elevadas designadas 100 ° C / s na gama de 370-510 ° C. - Esticar o espécime com o aparelho de ensaio biaxial a uma velocidade de deformação constante na gama de 0,01-1 / s e registar a história de deformação premindo manualmente o botão de gatilho ligado à câmara de alta velocidade.
NOTA: O deslocamento de entrada da máquina de ensaio uniaxial ao aparelho de ensaio biaxial foi controlado pelo software embutido da máquina de ensaio uniaxial. - Realizar os testes em diferentes caminhos de tensão constituídos por uniaxial, deformação plana, e estados esticando biaxiais 3, ajustando a configuração do aparelho de ensaio biaxial.
- Desligue duas bielas opostas para testes uniaxial. Fixe um espécime cão-osso sobre o aparelho de teste biaxial e conectá-lo a cabos de solda, como nos passos 3.1-3.4. Repita os passos 5,1-5,2.
- Fixar duas carruagens oposição à placa de base com parafusos de rosca para restringir a deformação no sentido correspondente para testes sob estado plano de deformação. Grampo um cruciformes espécime no aparelho de ensaio biaxial e ligá-lo aos cabos de soldadura, tal como nos passos 3.1-3.4. Repita os passos 5,1-5,2.
- Repita os passos 5.3.1-5.3.2 para cada condição de teste três vezes, utilizando-cão novo osso e espécimes cruciformes.
6. Processamento de Dados
- Importe todas as imagens gravadas pela câmera de alta velocidade para o software de pós-processamento e siga os passos padrão para análise de dados de acordo com o manual do software.
- Use o padrão ISO 3 para determinar os limites formando clicando no botão Modo de FLC no software.
NOTA: Este método já foi integrado no software de processamento de imagem correlação. - Marcar cada resultado dos limites que formam a várias temperaturass, as taxas de deformação e de deformação caminhos em um diagrama.
- Traçar as curvas de limite de conformação em todas as condições de teste para obter uma FLD de uma liga sob condições de estampagem a quente.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Desde flds são altamente estirpe dependente de caminho, a linearidade do percurso de tensão para cada condição de teste foi verificada por análise dos resultados de DIC; os caminhos de tensão são proporcionais ao longo de deformação para cada condição de teste. O intervalo da proporção menor estirpe-para-principal é aproximadamente -0,37 (condição uniaxial) a 0,26 (perto condição biaxial). Mediante o processamento de dados para diferentes condições AA6082, formando dados de limite para diferentes caminhos estirpe foram determinadas e, por conseguinte, os flds para AA6082 em condições de estampagem a quente foram obtidos por meio de ajuste de curva. Na Figura 3, que formam dados limite foram obtidos a várias temperaturas, as taxas de deformação, e os caminhos de tensão após os processos de aquecimento e de arrefecimento. As linhas tracejadas indicam a formabilidade montados desta liga, AA6082. Uma curva limite formando identifica a fronteira entre a deformação uniforme e o início da instabilidade de plástico ou de estreitamento difusa, que conduzem a falha. A região acima da curva representa a falha potencial, e a região abaixo da curva é considerado como uma região de segurança, onde a deformação uniforme ocorre em condições de ensaio correspondentes. Um FLC mais elevado indica que o material tem uma melhor formabilidade se a forma permanece a mesma.
testes de formabilidade utilizando o novo no plano biaxial sistema de ensaio de tracção foram realizados às temperaturas de deformação designados e taxas de deformação após os processos de aquecimento e de arrefecimento. Verificou-se que, quando a taxa de deformação aumenta a partir da taxa de estirpe designada de 0,01 / s para 1 / s, o limite de conformação de AA6082 aumenta. O limite de formação tem um maior aumento, a partir de 0,1 / s de 1 / s, do que a partir de 0,01 / s para 1 / s, como mostrado na Figura 4 (a).
Na Figura 4 (b), há um aumento contínuo no limite de conformação a partir de 370 ° C a 510 ° C. este indicades que elevada formabilidade de AA6082 pode ser obtido a uma temperatura mais elevada sob as condições de estampagem a quente. As três curvas-limite que formam são muito próximos uns dos outros sobre o lado esquerdo da FLD, o que significa que a sensibilidade de dependência da temperatura é maior para a tensão de tensão caminhos de tensão biaxial do que para os caminhos de tensão tensão-compressão.
Figura 1: Um exemplo de um padrão estocástico numa amostra cruciformes antes estiramento biaxial (a) e após estiramento biaxial (b). O padrão com pontos brancos em um fundo preto é capturado pela câmera de alta velocidade durante os testes. O tamanho e densidade das manchas dentro de um padrão são submetidos aos requisitos normalizados de análise DIC 15. Por favor clique aqui para ver um grander Versão desta figura.
Figura 2: O dispositivo de teste montado biaxial. O aparelho inclui uma placa de base, um eixo central, placas rotativas, carruagens, carris de guia, e bielas. Ele é montado na câmara de aquecimento por resistência a máquina de ensaio uniaxial. Os principais componentes foram marcados na figura. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: A instalação de apertos e o aparelho de ensaio biaxial na câmara da máquina de ensaio uniaxial. (A) Os apertos e a braçadeira. (B) O aparelho de ensaio biaxial e bicospara o arrefecimento do ar. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: flds de AA6082 em (A) diferentes taxas de deformação e (b) diferentes temperaturas sob condições de estampagem a quente. Os símbolos são os resultados dos limites de formação sob condições diferentes. As linhas tracejadas foram obtidos por meio do algoritmo de ajuste polinomial. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
métodos de ensaio de formabilidade convencionais usados para determinar os limites de formação são geralmente aplicáveis apenas à temperatura ambiente. A técnica apresentada pode ser usada para avaliar a formabilidade de metais para aplicações de folha de estampagem a quente através da introdução de um aparelho de ensaio novo biaxial para um aquecimento por resistência máquina de ensaio uniaxial. Este não pode ser realizada utilizando métodos convencionais para aplicações de estampagem a quente. A configuração dos sistemas de aquecimento e de arrefecimento e o sistema CID é crítico para controlar a uniformidade de distribuição de temperatura numa amostra e, assim, para gravar a história de deformação do alongamento espécimes.
Nesta técnica, as taxas de aquecimento e arrefecimento pode ser precisamente controlada pela máquina de ensaio de tracção uniaxial para complexos aplicações de processos de moldagem. O mecanismo biaxial tem uma configuração relativamente simples, o que reduz o custo e complexidade de ensaio de tracção biaxial comparado com o teste biaxial tradicionalmecanismos. No entanto, campos de temperatura realizadas por aquecimento por resistência são afectadas por espécime concepção neste sistema de teste, e os gradientes de temperatura sobre uma amostra não pode ser evitado. Nenhum projeto de amostra padrão existente está disponível para este tipo de teste biaxial.
Em resumo, esta é a primeira vez que um FLD de ligas em condições de estampagem a quente foi obtido. Elevadas velocidades de moldagem e temperaturas elevadas dentro das gamas designadas são benéficos para aumentar os limites formadoras de AA6082, em condições de estampagem a quente. Esta nova técnica pode ser usada para determinar os limites formadoras de folhas de metal, sob condições de teste complexas. Os resultados experimentais obtidos podem ser usados para desenvolver um modelo de material que prevê o comportamento termo-mecânica e a formabilidade de uma liga. O mecanismo do aparelho pode ser modificado para conduzir testes de formabilidade submetidos a caminhos estirpe não-lineares no futuro.
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).
