测量板材包申格效应的测试试样、测试夹具及测试方法

技术领域

本发明涉及金属材料塑性成型技术领域，具体为测量板材包申格效应的测试试样、测试夹具及测试方法。

背景技术

在对金属材料的加工过程中，会产生较为复杂的加载过程，例如拉伸、扭转、压缩等，为了保证金属材料在加工过程中的稳定性，需要对金属材料的各种力学性能做充分的测试。而包申格效应就是金属材料的一种力学性质，具体是金属材料经过预先加载产生少量的塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余应力(弹性极限或屈服强度)增加，反向加载，规定残余应力降低(特别是弹性极限在反向加载时几乎降低到零)的现象，称为包申格效应。

包申格效应的测试方法一般是对金属材料进行单向拉伸/压缩，以及循环扭转实验。但是对于薄壁板材料，在压缩的过程中容易产生失稳，难以测定准确的应力-应变曲线。

针对上述缺陷，有众多文献提出了解决办法，但是均存在相同的缺陷，即包申格效应的测试装置复杂，测试步骤繁琐，检测量大，后续的数据处理过程复杂，造成测试所耗费的人力和物力均较大。

基于上述，本发明提出一种简单的、成本小的测量板材包申格效应的测试试样、测试夹具及测试方法，以解决传统方式存在的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供测量板材包申格效应的测试试样、测试夹具及测试方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种测量板材包申格效应的测试试样，包括：板材；两个半环形槽，两个所述半环形槽位于所述板材上，两个所述半环形槽对称设置，两个所述半环形槽之间形成夹持区，两个所述半环形槽之外形成作用区；两个凹槽，两个所述凹槽位于两个所述半环形槽的连接处。

优选的，所述凹槽为弧形槽，所述弧形槽处为两个半环形槽的桥部，所述桥部的厚度为1～2mm，所述板材为长方形结构，其长度为100～200mm，所述板材的宽度为100～200mm。

优选的，所述作用区设置有若干第一螺钉孔和若干第一销轴孔；所述夹持区设置有若干第二螺钉孔和若干第二销轴孔。

一种测量板材包申格效应的测试夹具，包括：外上夹紧块，所述外上夹紧块中部开设有一号通孔；外下夹紧块，所述外下夹紧块位于所述外上夹紧块的下端，且所述外下夹紧块中部开设有二号通孔，所述二号通孔与所述一号通孔对应；内上夹紧块，所述内上夹紧块位于所述一号通孔中，所述内上夹紧块与所述外上夹紧块之间留有第一间隙；内下夹紧块，所述内下夹紧块位于所述内上夹紧块的下端，且所述内下夹紧块位于所述二号通孔中，所述内下夹紧块与所述外下夹紧块之间留有第二间隙。

优选的，所述外上夹紧块上设置有若干第三螺钉孔和若干第三销轴孔；所述外下夹紧块上设置有若干第四螺钉孔和若干第四销轴孔；若干所述第三螺钉孔和若干所述第四螺钉孔一一对应，且所述第三螺钉孔和所述第四螺钉孔内设置有外连接螺钉，若干所述第三销轴孔和若干所述第四销轴孔一一对应，且所述第三销轴孔和所述第四销轴孔内设置有外连接销轴；

所述内上夹紧块上设置有若干第五螺钉孔和若干第五销轴孔；所述内下夹紧块上设置有若干第六螺钉孔和若干第六销轴孔；若干所述第五螺钉孔和若干所述第六螺钉孔一一对应，且所述第五螺钉孔和所述第六螺钉孔内设置有内连接螺钉，若干所述第五销轴孔和若干所述第六销轴孔一一对应，且所述第五销轴孔和所述第六销轴孔内设置有内连接销轴。

优选的，将权利要求1～3任意一条所述的一种测量板材包申格效应的测试试样置于所述测试夹具上时，所述测试试样上的半环形槽暴露于所述第一间隙和第二间隙内。

一种测量板材包申格效应的测试方法，包括步骤：

S1.将权利要求1～3任意一条所述的一种测量板材包申格效应的测试试样夹持于权利要求4～6任意一条所述的一种测量板材包申格效应的测试夹具上，对测试夹具的内上夹紧块、内下夹紧块施加压力，使内上夹紧块、内下夹紧块固定，对测试夹具的外上夹紧块、外下夹紧块施加不同的扭矩，分别记录扭矩M、测试试样桥部处的扭转角θ、扭转角变量Δθ；

S2.在不同扭矩M下，计算剪切应变γ和剪切应力τ；

S3.矫正剪切应变γ和剪切应力τ的值；

S4.剔除无效值，得到测试试样最终的包申格效应。

优选的，所述剪切应变γ的计算公式表示为：

其中，θ是桥部处的扭转角，r是测试试样中半环形槽的半径，Δr是测试试样中半环形槽的槽宽；

所述剪切应力τ的计算公式表示为：

其中，M是施加于测试夹具上的扭矩，t是桥部处的厚度，Δθ是桥部处的扭转角变量。

优选的，所述S3具体为利用有限元模拟拟合，对剪切应变γ和剪切应力τ的值进行矫正；即为了避免剪切应变γ、剪切应力τ受到变形不均匀的影响，采用有限元模拟拟合方法，从材料模型中有效识别测试试样的材料参数，对剪切应变γ和剪切应力τ的测量值进行校正，从而获得更为准确的包申格效应曲线。

具体的，分别选取测量的试验数据值曲线和有限元模拟数值曲线，在相同的扭转角度条件下，进行线性差值计算，例如每条曲线可选用100个积分计算区间，然后计算相同的扭转角度条件下的力矩差与该力矩差平方的算术和，将算术和作为目标函数，利用有限元软件Abaqus，经过多次迭代计算求解后，当材料参数的变化小于0.1％时，视为有效最小解，更具体的，该步骤为现有技术，在此不做更多的赘述。

优选的，所述S4具体为通过有限元模拟分析，得到测试试样桥部区域的塑性应变分布图，依据塑性应变分布图，剔除测试试样桥部变形中，不在纯剪切变形状态下的数据，得到测试试样最终的包申格效应；

具体的，为了评估测试试样测试过程的塑性变形状态，通过有限元模拟分析得到变形区域的塑性应变分布图，塑性应变分布图的不同颜色可以判断塑性变形状态，例如设定绿色代表纯剪切变形模式，黄色代表单向拉伸模式等，依据塑性应变分布图，可判定测试试样的桥部变形是否为纯剪切变形模式，从而保证包申格效应测试处于有效状态，之后根据步骤S4中的有效最小解对应的材料参数，利用拟合算法对有限元数值曲线和测量的试验数据曲线进行拟合，获得最终的包申格效应曲线，更具体的，该步骤为现有技术，在此不做更多的赘述。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明公开的测试试样和测试夹具结构简单，结合测试方法，使得对板材的包申格效应的测试，因为已经应用加载转矩显示相同的行为为剪切区，没有限制在压缩区载荷，平均各向异性的影响不像传统的平面扭力测试，因此不显示不必要的反应时刻，即本方案是直接测量材料参数而不用任何测量的应变信息，只使用扭矩、角度和有限元模型的测量数据就可以得到板材的包申格效应，测试简单、高效、准确、易于使用。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明实施例中测试试样的正视图；

图2是本发明实施例中测试试样在B-B处的剖视图；

图3是本发明实施例中测试夹具的剖视图；

图4是本发明实施例中外上夹紧块的正视图；

图5是本发明实施例中外上夹紧块在E-E处的剖视图；

图6是本发明实施例中外下夹紧块的正视图；

图7是本发明实施例中外下夹紧块在G-G处的剖视图；

图8是本发明实施例中内上夹紧块的正视图；

图9是本发明实施例中内上夹紧块在C-C处的剖视图；

图10是本发明实施例中内下夹紧块的正视图；

图11是本发明实施例中内下夹紧块在D-D处的剖视图；

图12是本发明实施例中高强钢板材的包申格效应曲线。

图中：

板材1-1，半环形槽1-2，夹持区1-3，作用区1-4，凹槽1-5，桥部1-6，第一螺钉孔1-7，第一销轴孔1-8，第二螺钉孔1-9，第二销轴孔1-10；

外上夹紧块2-1，一号通孔2-2，外下夹紧块2-3，二号通孔2-4，内上夹紧块2-5，第一间隙2-6，内下夹紧块2-7，第二间隙2-8，第三螺钉孔2-9，第三销轴孔2-10，第四螺钉孔2-11，第四销轴孔2-12，外连接螺钉2-13，外连接销轴2-14，第五螺钉孔2-15，第五销轴孔2-16，第六螺钉孔2-17，第六销轴孔2-18，内连接螺钉2-19，内连接销轴2-20；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：本实施例提供一种高强钢板材作为，并提供与该高强钢板材相匹配的测试夹具，利用该测试夹具夹持测试试样，检测该测试试样的包申格效应；

首先，如图1所示，测试试样具体为长度140mm、宽度140mm的方形高强钢板材1，板材1上设置有两个轴对称设置的半环形槽1-2，两个半环形槽1-2之间形成夹持区1-3，两个半环形槽1-2之外形成作用区1-4，如图1的A处所示，两个半环形槽1-2的连接处为两个凹槽1-5，且凹槽1-5为弧形槽，又如图2所示，弧形槽处为两个半环形槽1-2的桥部1-6，桥部1-6的预留厚度为1mm；

更具体的，如图1所示，在板材1的作用区1-4加工出若干第一螺钉孔1-7和若干第一销轴孔1-8，在夹持区1-3加工出若干第二螺钉孔1-9和若干第二销轴孔1-10，其中第一螺钉孔1-7和第二螺钉孔1-9的孔径为10.5mm，第一销轴孔1-8和第二销轴孔1-10的孔径为8mm；

另外，如图3～7所示，测试夹具具体包括了外上夹紧块2-1和外下夹紧块2-3，外上夹紧块2-1中部开设有一号通孔2-2，外下夹紧块2-3位于外上夹紧块2-1的下端，且外下夹紧块2-3中部开设有二号通孔2-4，二号通孔2-4与一号通孔2-2对应，外上夹紧块2-1和外下夹紧块2-3用于夹持测试试样的作用区1-4；

进一步的，如图3、8～11所示，测试夹具还包括了内上夹紧块2-5和内下夹紧块2-7，内上夹紧块2-5位于一号通孔2-2中，内上夹紧块2-5与外上夹紧块2-1之间留有第一间隙2-6，内下夹紧块2-7位于内上夹紧块2-5的下端，且内下夹紧块2-7位于二号通孔2-4中，内下夹紧块2-7与外下夹紧块2-3之间留有第二间隙2-8，将测试试样置于测试夹具上时，测试试样上的半环形槽1-2暴露于第一间隙2-6和第二间隙2-8内，即使桥部1-6处暴露，方便后续通过测试夹具对桥部1-6加载扭矩；

进一步的，为了保证测试夹具夹持测试试样的稳定性，在外上夹紧块2-1上设置了若干第三螺钉孔2-9和若干第三销轴孔2-10，内上夹紧块2-5上设置了若干第五螺钉孔2-15和若干第五销轴孔2-16，内下夹紧块2-7上设置了若干第六螺钉孔2-17和若干第六销轴孔2-18，外下夹紧块2-3上设置了若干第四螺钉孔2-11和若干第四销轴孔2-12，其中螺钉孔结合螺钉，用于固定夹具，销轴孔结合销轴用于精确的定位。

接着测量该高强钢板材1的包申格效应，具体包括以下步骤：

步骤一：将测试试样置于测试夹具内，其中将第一螺钉孔1-7、第三螺钉孔2-9、第四螺钉孔2-11对齐，旋入外连接螺钉2-13进行固定，将第一销轴孔1-8、第三销轴孔2-10、第四销轴孔2-12对齐，插入外连接销轴2-14进行定位，将第二螺钉孔1-9、第五螺钉孔2-15、第六螺钉孔2-17对齐，旋入内连接螺钉2-19进行固定，将第二销轴孔1-10、第五销轴孔2-16、第六销轴孔2-18对齐，插入内连接销轴2-20进行定位；接着对内上夹紧块2-5、内下夹紧块2-7施加压力，使内上夹紧块2-5、内下夹紧块2-7固定，对测试夹具的外上夹紧块2-1、外下夹紧块2-3施加不同的扭矩，分别记录扭矩M、测试试样桥部处的扭转角θ、扭转角变量Δθ，得到表1的数据：

表1

步骤二：将上述表1中的数据代入式(1)计算剪切应变γ，代入式(2)计算剪切应力τ；

具体的，剪切应变γ的计算公式表示为：

其中，θ是桥部处的扭转角，r是测试试样中半环形槽的半径，具体r＝21.5mm，Δr是测试试样中半环形槽的槽宽，具体Δr＝1mm；

剪切应力τ的计算公式表示为：

其中，M是施加于测试夹具上的扭矩，t是桥部处的厚度，具体t＝1mm，Δθ是桥部处的扭转角变量；

得到表2：

表2

S3.利用有限元模拟拟合，对表2中剪切应变γ和剪切应力τ的值进行矫正；

S4.通过有限元模拟分析，得到测试试样桥部区域的塑性应变分布图，依据塑性应变分布图，剔除测试试样桥部变形中，不在纯剪切变形状态下的数据，得到测试试样最终的包申格效应由图12表示。

通过本实施例，可简便的得知板材的包申格效应，本发明具备实用性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。