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金属薄板拉压低周疲劳防屈曲装置研究进展

嘉峪检测网        2019-12-11 11:16

金属薄板疲劳试样与屈曲现象

 

应变控制低周疲劳试验一般以圆棒试样为主,在应变比(最小应变与最大应变的比值)R<-1的情况下基本不采用板材试样。在部分汽车结构件中,金属薄板承受了双向拉压载荷,目前各汽车生产厂家及科研院所对薄板拉压双向应变控制低周疲劳试验的需求日益增多。

 

车用板材根据板材的厚度和宽度比可分为厚板、中厚板和薄板。当板宽(b)与板厚(t)满足1/80~1/100<t/b<1/5~1/8的条件时称为薄板。薄板作为汽车的重要冲压件用材,一般采用冷轧等制造工艺,除常规力学性能外,材料的疲劳性能是其重要验收指标。

 

根据GB/T 15248-2008«金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法»中对试样的设计要求,试样平行段长度是试样厚度的2.5~3.5倍。由于汽车冷轧薄板厚度?#22025;?mm,按照上述标准疲劳试样的平行段长度应为2.5~3.5mm,而引伸计标距一般为8,10,20,25mm,试样平行段长度无法满足引伸计的装夹,因此在进行汽车冷轧薄板的低周疲劳试验时,试样平行段需比引伸计标距长。

 

在薄板的疲劳试验中,一般根据GB/T 26077-2010«金属材料疲劳试验轴向应变控制方法»标准制备疲劳试样,试样的形状和尺寸如图1所示。

 

金属薄板拉压低周疲劳防屈曲装置研究进展

图1 疲劳试验薄板试样形状和尺寸

 

进行薄板应变控制低周疲劳试验时,首先将试样安装到疲劳试验机夹头,然后按照三角波形(应变比为-1)加载试验。在薄板受到轴向力或轴向应变的过程中,弯曲变形占主导地位,薄板受到的横向剪切力引起的剪切变形可?#38498;?#30053;。三角波形控制下低周疲劳试验的应变-循环次数曲线见图2,试样两端被试验机夹头夹持固定,轴向受到交变载荷的作用。在试验过程中,试样受到的循环应力通常接近甚至超过其屈服强度,当试样厚度?#27426;?#26102;,其轴向的应变量越大,越易发生厚度方向的屈曲变形导致试样失效,从而影响疲劳试验结果的准确性。

 

金属薄板拉压低周疲劳防屈曲装置研究进展

图2 三角波形控制下低周疲劳试验的应变-循环次数曲线

 

在试验过程中,会出现沿试样宽度方向或沿厚度方向的屈曲,其中沿试样厚度方向的屈曲(见图3)最常见。

 

金属薄板拉压低周疲劳防屈曲装置研究进展

图3 沿试样厚度方向的屈曲示意图

 

根据GB/T 26077-2010的要求,厚度为2.5~5mm的板状试样可以不采用防屈曲装置,厚度小于2.5mm的板状试样需要采用防屈曲装置以防止试样出现屈曲失稳影响试验结果,防屈曲装置示意图如图4所示。

 

金属薄板拉压低周疲劳防屈曲装置研究进展

图4 GB/T 26077-2010中的防屈曲装置示意图

 

防屈曲装置研究概述

 

防屈曲装置的基本原理是将两块夹板贴合并夹持于疲劳试样沿厚度方向的两侧,通过紧固螺栓锁紧在疲劳试样上,在试验过程中约束试样沿厚度方向的变形,从而达到防屈曲的目的。紧固螺栓既使夹板和试样紧密贴合,又避免载荷沿夹板传递影响试验结果。GB/T 26077-2010虽提供了防屈曲装置示意图,但并未提供具体技术参数。

 

一种用于金属薄板轴向拉压疲劳试验的防屈曲装置

 

金属薄板拉压低周疲劳防屈曲装置研究进展

图5 金属薄板轴向拉压疲劳试验的防屈曲装置示意图

 

如图5所示,该装置有两块相同的工?#20013;?#22841;板,夹板中部支撑部分比试样平行段宽度略窄,避免试样边缘反复摩擦产生磨蚀点。试验时夹板中部支撑部分与疲劳试样平行段贴合,夹板的上下两端横臂上有螺孔用于紧固螺栓的固定。该防屈曲装置外形简单,操作简便,试验时可用扭矩扳手拧紧螺栓或徒手拧紧螺栓,但装置与试样间的夹紧力无法准确测定,特别是徒手拧紧螺栓时无法确保4个螺栓均匀受力。

 

一种车身薄板疲劳试验装置

金属薄板拉压低周疲劳防屈曲装置研究进展

图6 薄板疲劳试验装置示意图

 

如图6所示,该装置包括对中装置和防屈曲装置两部分,其中防屈曲装置形状与上述的工?#20013;?#30456;?#30130;?#20294;将中间支撑部位加工为?#22266;?#22686;加夹板的强度。对中装置可以避免试样装夹对中?#22278;?#22909;产生附加拉应力,从而影响试验结果。

 

上述防屈曲装置均通过工?#20013;?#26495;从疲劳试样两侧夹住试样以防止其发生屈曲,试验过程中防屈曲装置与试样在轴向上无相对位移。

 

一种用于冷轧薄板低周疲劳试验的防屈曲装置

金属薄板拉压低周疲劳防屈曲装置研究进展

图7 用于冷轧薄板低周疲劳试验的防屈曲装置示意图

 

装置示意图如图7所示,试验过程中防屈曲装置不随疲劳试样轴向应变发生相对运动,其总体设计思路也是采用外加板约束疲劳试样厚度方向的变形,但试样每侧的防屈曲板采用两块呈T?#20013;?#32467;构板通过矩?#20301;?#27133;组合而成。在试验过程中,T?#20013;?#26495;的横梁部位通过紧固螺栓锁紧固定,疲劳试样在轴向上产生拉压应变,两侧的防屈曲板则通过滑槽和外护板的腰形孔满足轴向的变形,这能?#34892;?#38450;止试样发生屈曲变形,且不影响试样轴向变形。引伸计装夹设置在装置侧面的弹性支撑片上,保证了引伸计在试样厚度方向和试样?#25307;?#25509;触,可以测量试样的真实应变,解决了引伸计的装夹问题。

 

国内的防屈曲装置大多基于GB/T 26077-2010标?#23478;?#27714;的样式设计为工?#20013;停?#22269;外的防屈曲装置则有不同外形。

 

一种用于金属薄板的循环拉压加载试验的梳齿型防屈曲装置

金属薄板拉压低周疲劳防屈曲装置研究进展

图8 梳齿型防屈曲装置示意图

 

如图8所示,该装置通过加装电阻应变计并组成全桥电路,依靠对轴向力变化的灵敏度实现精确测量轴向力。在测量过程中,试样的温度变化和弯曲变化均不会对全桥电路造成扰动,减小了测量误差。这种传感器还可以与试验机控制器的测量放大器连接,能在线监测和记录摩擦力信号,通过电阻应变计测得的总载荷减去摩擦力来计算试样在加载过程中受到的纯载荷,从而校正应力-应变曲线。该防屈曲装置不仅能?#34892;?#38450;止薄板屈曲,还可实现对装置与试样间摩擦力的实时测量,使测量结果准确性更高。

 

一种用于常规拉压试验机的测试装置

金属薄板拉压低周疲劳防屈曲装置研究进展

图9 楔形板防屈曲装置示意图

 

如图9所示,试验时,试样的两侧各放一对楔形板,楔形板抵靠在试验机上?#24405;?#20855;上,通过增加滑动键槽相互滑动来满足拉压时试样产生的应变,楔形板的顶部和底部始终与试验机上?#24405;?#20855;端面保持对齐。每对楔形板均安装有受拉弹簧,以确保试样同侧的两块楔形板始终牢固接触。楔形板完全覆盖在试样表面,用3个长螺栓来固定每对楔形板的相对位置,以防止试样屈曲变形。

 

在上述防屈曲装置的使用过程中,通常采用徒手或用扳?#20540;?#24037;具将螺栓拧紧,把夹具固定在试样的两侧,从而保证试验过程中的稳定性。在金属轴向疲劳试验中,夹具和疲劳试样之间反复摩擦容易在试样上形成磨蚀点,引发疲劳源,使试样从磨蚀点处开始开裂,因而在试样和夹具上使用润滑材料进行润滑减摩,避免摩擦产生的载荷沿夹具传递影响试验过程中试样受到的?#23548;试?#33655;。按照GB/T 26077-2010的规定,疲劳试样和防屈曲装置相互摩擦产生的力值不能超过试验载荷的2%,使用聚四氟乙烯薄膜或氮化硼粉末等可在?#27426;?#31243;度上减小摩擦力对试验载荷的影响。目前防屈曲装置一般采用聚四氟乙烯薄膜、凡士林、机油等作为润滑剂保护试样。

 

防屈曲装置的应用

 

在以往的试验中,薄板的疲劳试验多数进行拉-拉载荷循环,应力比为正值,几乎没有薄板在拉压循环载荷下的疲劳试验数据。近年来,为得到材料的疲劳性能数据,结构钢板的疲劳性能研究得到广泛关注。为了保证试验结果的准确性,防屈曲装置在薄板疲劳试验中得到广泛应用。

 

案例一:

采用防屈曲装置,?#38498;?#24230;为2mm的钛合金薄板和厚度为3mm的铝合金薄板分别进行疲劳试验。选用AMSLER型高频振动疲劳试验机,借助扭矩扳?#20540;?#24037;具将试样固定在试验机夹头上,并在试样中部?#31243;?#24212;变片,以便观察试样平行段的应力分布情况,如图10所示。

金属薄板拉压低周疲劳防屈曲装置研究进展

图10 试样中心截面及贴片示意图

 

通过试验发现,在徒手拧紧和用工具扳手拧紧防屈曲装置的情况下,相同载荷下试样的变形量并无显著差别,即在?#27426;ǚ段?#20869;防屈曲装置的拧紧程度对轴向载荷影响不大;在安装防屈曲装置后,试样不对称应变所占比例小,基?#31350;?#20197;消除由压缩失稳而产生的屈曲现象。在不使用防屈曲装置情况下,试样在很小的压力?#24405;?#20135;生明显屈曲导致疲劳试样失效,?#24471;?#22312;薄板疲劳试验中防屈曲装置有着重要作用。一些?#38498;?#30340;板即使没有发生明显的弯曲失稳,但是板件内已经产生弯曲应力,从而影响了试样的试验结果。

 

案例二:

 

研究了厚度为2.3mm的SAPH440钢车用薄板的单轴拉伸、低周疲劳和高周疲劳性能。由于试样厚度较小,在试验过程中按照GB/T 26077-2010标准的要求设计加工了防屈曲装置,避免试样在应力比R<0的拉压循环载荷中出现屈曲失稳现象。

 

当金属薄板在进行拉压循环载荷试验时,研究者们均用到防屈曲装置。

 

案例三:

 

在对镁合金薄板进行双轴拉伸和单轴压缩力学性能测试时,为防止板材试样的屈曲可能带来测试结果不准确的问题采用了上述梳齿型夹具。

 

案例四:

 

?#38498;?#24230;为1mm的薄铜片进行了拉压循环载荷作用下的试验研究,通过监测试样和夹具支撑块之间的摩擦力(图11),避免了在测量应力过程中产生误差。图11中曲线1代表第一个循环;曲线2是不使用防屈曲装置时试样的拉伸曲线;曲线3代表第二个循环;曲线4和5代表最后两个循环,图中灰色线条表示试验过程中摩擦力的变化情况。

金属薄板拉压低周疲劳防屈曲装置研究进展

图11 测试过程中摩擦力的变化

 

试验结果表明,试样和夹具支撑块之间的摩擦力相对较小且不改变循环应力-应变特性,摩擦力数据可以用来校正黄铜的应力-应变特性。在宽应变?#27573;?#19979;,夹具适用于拉压试验。通过对摩擦力的测量,证明了防屈曲装置可用于材?#31995;目?#21457;、测试、产品评价和质量控?#30130;?#23545;?#23548;?#29983;产具有重要意义。

 

存在的问题

 

在防屈曲装置的使用过程中仍然存在一些问题,其主要体现在以?#24405;?#20010;方面:

(1)防屈曲装置与疲劳试样接触过程中,反复摩擦使试样棱边易形成磨蚀点,进一?#25509;?#21457;形成疲劳裂纹源,降低试样寿命。目前在防屈曲装置中,通过将工?#20013;?#22841;具中部宽度加工成小于试样平行段宽度可以在?#27426;?#31243;度上解决该问题,但是否会出?#20013;?#30340;磨蚀点还需经过试验论证。

(2)拧紧螺栓紧固防屈曲装置时,当拧紧螺栓扭矩过大时,装置与试样间摩擦力增大,阻碍试样轴向上的变形,且轴向加载力与试样?#23548;?#21463;到的轴向力之间产生误差,影响试验结果准确性;当拧紧螺栓扭矩过小时,装置与试样间摩擦力变小,装置?#23376;?#35797;样发生相对滑动,引发危险。

(3)润滑减摩材料的使用一方面可?#34892;?#20943;少防屈曲装置与试样间的摩擦力,另一方面可起润滑保护作用。对于润滑减摩材料的选择,目前还缺少统一标准规范,也没有相关试验数据进行?#34892;?#35770;证。

(4)试验时,通常将试样平行段长度设计为满足引伸计标距的长度,方便引伸计的装?#23567;?#20256;?#36710;?#24212;变引伸计通常采用橡皮筋固定在试样的厚度方向,但橡皮筋不能保证引伸计与试样的?#25307;?#36830;接,试验过程中会出现松动,存在引伸计上下刀口受力不均的现象。使用防屈曲装置后,如何解决引伸计的装夹问题且保证测得准确的应变数据,是目前防屈曲装置研究中应该关注的问题。

 

结语

 

防屈曲装置是一种金属薄板拉压疲劳试验过程中的附加夹具,它可以在试验过程中?#34892;?#38450;止因板材刚度过小导致的屈曲变形现象,具有实用价值。目前市场上的防屈曲装置还不成熟,随着需求的增多,防屈曲装置的研发也成为各研究机构关注的焦点。我国薄板拉压低周疲劳的试验数据积累还?#23545;?#19981;够,对防屈曲装置的研究?#19981;?#26377;限。目前已?#26800;?#20301;拥有?#32422;?#30740;发的防屈曲装置,但尚处于内部试验阶段,未形成产品。

 

摩擦力在防屈曲装置对试验的影响中起到关键作用,通过加入润滑减摩材料可减小摩擦力对试验载荷的影响,保证装置与润滑减摩材料之间的良好连接,可在整个试验过程中保持摩擦力一致。拧紧螺栓的扭矩大小对试样在试验过程中轴向上的自由变?#25105;?#23384;在着影响,通过控制扭矩大小可实现试样在防屈曲装置中自由伸缩。在测量应变方面,保证引伸计与试样的?#25307;?#36830;接可保证试验的安全?#34892;?#36827;行。

 

 

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来源:蒋桥红理化检验

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