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| 标准编号 | GB/T 38684-2020 (GB/T38684-2020) | | 中文名称 | 金属材料 薄板和薄带 双轴应力-应变曲线胀形试验 光学测量方法 | | 英文名称 | Metallic materials -- Sheet and strip -- Biaxial stress-strain curve by means of bulge test -- Optical measuring systems | | 行业 | 国家标准 (推荐) | | 中标分类 | H22 | | 国际标准分类 | 77.040.10 | | 字数估计 | 22,278 | | 发布日期 | 2020-03-31 | | 实施日期 | 2020-10-01 | | 采用标准 | ISO 16808-2014, MOD | | 发布机构 | 国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会 | | 范围 | 本标准规定了金属材料薄板和薄带的双轴应力一应变曲线胀形试验光学测量方法的符号和说明、原理、试验设备、光学测量系统、试样、试验程序、顶点曲率变形和应变的评价方法、双轴应力一应变曲线的计算及试验报告。本标准适用于厚度小于3 mm的金属薄板和薄带，在纯胀形过程中测定其双轴应力一应变曲线。注:本标准中的术语“双轴应力一应变曲线”是简称。试验所测定的是“双轴真应力一真应变曲线”。 | GB/T 38684-2020: 金属材料 薄板和薄带 双轴应力-应变曲线胀形试验 光学测量方法
GB/T 38684-2020 英文名称: Metallic materials -- Sheet and strip -- Biaxial stress-strain curve by means of bulge test -- Optical measuring systems
1 范围
本标准规定了金属材料薄板和薄带的双轴应力-应变曲线胀形试验光学测量方法的符号和说明、原理、试验设备、光学测量系统、试样、试验程序、顶点曲率变形和应变的评价方法、双轴应力-应变曲线的计算及试验报告。
本标准适用于厚度小于3mm的金属薄板和薄带,在纯胀形过程中测定其双轴应力-应变曲线。
注:本标准中的术语“双轴应力-应变曲线”是简称。试验所测定的是“双轴真应力-真应变曲线”。
2 符号和说明
本标准使用的符号和说明见表1。
3 原理
使用凹模和压边圈将圆形试样边部完全夹紧。在试样上施加流体压力,直至胀形出现破裂(图1)。
在试验过程中,测量流体的压力,并由光学测量系统[1]-[3]记录试样的变形演化。根据获得的变形数据,可以获得试样中心附近的物理量:局部曲率、表面真应变以及试样的实际厚度(假设无压缩变形)。此外,通过假设试样中心部位为一个薄壁球形压力容器的应力状态,可以通过流体压力、试样厚度以及曲率半径得到试样所受的真应力。
注:除了参考文献[1]中提到及描述的使用光学测量系统的胀形试验之外,还有参考文献[4][5][6]中提及的激光系统,以及参考文献[7][8][9]中提及的触觉系统,对胀形试验同样适用,但本标准中未包含这些方法。
4 试验设备
4.1 胀形试验应在一台配备凹模、压边圈以及液体腔的设备上进行。推荐的设备如图2所示。
4.2 试验设备的布局应能保证在试验过程中连续测量试样外表面的变形,能够通过记录胀形试样表面一个网格点XYZ 坐标的变化来确定其几何变形,从而计算试样胀形中心区域的形状变化和真应变曲线。
4.3 试验过程中,系统应能通过光学系统测定胀形试样表面网格点XYZ 坐标(非接触式),通过这些坐标,计算所选区域每个网格点的真应变ε1 和ε2,厚度方向应变ε3,以及胀形试样圆顶的曲率半径ρ。
4.4 系统宜配有流体压力测量系统,也可采用间接测量系统。从系统最大量程20%起,测量系统的精度宜满足1级。
4.5 凹模、压边圈和液体腔均应有足够的刚度,从而保证试验过程中这些部位的变形最小。压边力应足够高从而保证压边圈的密闭性。试样在压边圈和凹模之间不应发生移动。通常在试验过程中,胀形压力会减弱压边力,在确定试验所需压边力时,应考虑这种作用对压边力的影响。
4.6 加压用流体介质应与试样表面充分接触(无气泡),杜绝因压缩空气泡所导致的储能作用在能量释放或破裂瞬间造成高能释压或油溅情况的发生。试验过程中,直至试样破裂前,流体不应通过压边圈、凹模或者板材以及其他任何地方泄漏。
4.7 推荐使用压延筋(或在圆形表面形状类似的装置)来阻止材料流动。压延筋的使用不应使材料产生裂纹。压延筋的位置可位于凹模和压边圈之间。压延筋的尺寸宜避免在试验过程中阻止材料流动,造成材料过度弯曲和起皱。
4.8 推荐在镜头和照明设备前放置玻璃板,确保在试样破裂时,飞溅的试验用油不会影响到光学测量系统。玻璃板可固定在压边圈上(厚玻璃)或者放置于镜头和照明系统前(薄玻璃),如图3所示。这种插入式的保护装置不应影响光学测量系统的测量质量。每次试验之后,玻璃板应擦拭干净,避免损坏或刮伤,并且精确地放回原位从而不需要重新校准测量系统。为在试验中获得较好的测量质量,光学系统的校准可在保护装置启用的状态下进行。
4.9 推荐的最小凹模直径与试样初始厚度的比ddie/t0 宜不小于33(如图2所示)。凹模圆角半径不宜使试样在试验过程中产生裂纹,其推荐尺寸为(5×t0)~(15×t0)(最大15mm)。
5 光学测量系统
为测定试样表面曲率半径ρ,以及真应变ε1 和ε2,推荐光学测量系统需具备以下特性:
a) 基于2个或者更多个摄像头的光学传感器。
b) 测量范围,应大于1/2的凹模直径。所使用的测量区域宜是压边圈的同心圆,其直径应大于压
边圈直径的一半。在整个成形过程中,拉深试样的任意高度下,这个区域均可观察到。
c) 局域分辨率(两个单独网格点间的距离):在未变形试样上两个相邻的测量点间的距离gmax应
满足以下要求:
d) 曲率的测定要求在直径为1/2ddie的压边圈同心圆区域内,测量的精度可通过测试光学测量系
统来进行验证,见附录A。
e) 丢失的测量点:为了避免曲率的不连续性,在直径为压边圈直径一半的同心圆内,只允许丢失
不超过5%的测量点(不包括内插的点)。如果相邻的两点丢失,则不应将该点拟合到圆内。
6 试样
6.1 总则
待测试样应平整且被压住后材料无法流动。推荐使用压延筋,试样的边部需在压延筋外。只要试
样的表面未被破坏(划痕或抛光),就不会影响最终试验结果。试样形状可为圆形(推荐)或者多边形。
6.2 网格的使用
6.2.1 网格的种类
对于光学测量系统,网格应满足以下要求:
a) 可用于测定试样表面曲率半径;
b) 可用于计算材料变形的应变。
6.2.2 网格的制备
网格(方形、圆形或点)宜有明显的对比度,并且不会产生切口效应或改变材料的微观组织。一些常用的网格加工技术如下:
---电化学腐蚀、光化学腐蚀、激光刻蚀、胶板印刷或者网格转印;
---随机(散斑)图案,可在试样表面喷油漆。材料变形后需检查油漆在试样表面的附着性,如可
能,先在试样表面喷一层较薄的、不光滑的白色涂层从而减少试样表面的反射,然后再喷一层
随机分布的黑色点(如石墨或者黑色油漆),表面喷涂的涂层应有一定弹性并有足够的韧性,从
而在变形过程中不至于脱离或开裂。通过这些随机分布的细小的点,可测定试样上虚拟网格
每个点的位置。图案宜有足够的黑白相间密度以及合适的尺寸,从而能够满足光学测量系统
的要求,在相应的搜索区域确定每个点的位置特征。
注:试样表面油渍对油漆附着力有较大影响,留有油渍会发生油漆脱落的情况,清除油渍可获得更准确的数据。
7 试验程序
7.1 试验应在室温(23±5)℃下进行。
7.2 测量试样的初始厚度,精确到0.01mm。
7.3 通过压边圈和凹模压紧试样。在试验过程中,应避免在试样和液压流体介质间出现气泡,以防止压缩空气在试样破裂时导致液压油飞溅。
7.4 推荐对试样变形区域使用0.05s-1的恒定应变速率。如果无法实现恒定应变速率,则宜保证冲头或液压流体介质的速度恒定。在测定双轴应力-应变曲线过程中,为避免对温度或应变速率较敏感的材料产生较大影响,胀形试验宜在2min~4min内完成。
7.5 试验过程中,测量液压流体介质的压力。
7.6 试验过程中,测量试样表面网格点的XYZ 坐标。其中,坐标原点应位于压边圈中心位置。XY 平面平行于压边圈表面(平行于试验前被压住的金属板)。而且,X 轴方向对应于轧制方向。Z 轴应垂直于夹紧金属板材试样的表面,且正对光学传感器方向。
7.7 压力数据和成形数据应同步测量并保存。推荐在试验过程中,至少测定100组数据。为了展现整个应变和压力的变化过程,推荐记录至少100张胀形试验的图片。
7.8 当裂纹完全贯穿试样厚度方向时,应认为试样失效。即,可通过检测流体压力的下降来判断试样厚度方向出现裂纹。
7.9 准备足够多的试样,以保证至少获得三个有效的试验结果。
8 顶点曲率变形和应变的评价方法
8.1 为更好地解释以下的曲率和应变的计算方法,需在顶点附近假设一个球形表面(最佳拟合球面)。
在试样失效前一张图片中,如7.8中所定义,选择变形最大的弧顶区域,定义为测定真应力和真厚度应变ε3的位置。为了得到圆顶处稳定的曲率半径,可通过所选区域的点进行最佳拟合从而计算得到球面。对于所选定区域,在破裂前最后一张图片圆顶尖端附近位置定义一个半径r1,对于成形过程的各个阶段选择同样的点进行拟合(见图4)。
8.2 由于在试验的初始阶段,因试样过平难以获得可靠的最佳拟合曲面,并且弯曲半径非常大,拟合结果也不可靠,因此需要将试验的初始阶段(图片)忽略掉。为了得到顶部真应变和厚度减薄的稳健值,需计算一系列所选网格点的平均值。因此,需要通过半径r2 以类似的方式定义第二个区域(见图4)。
8.3 基于以上步骤,可计算成形过程中每一阶段(图片)球顶处的曲率半径、厚度应变以及对应的厚度和应力值。这个计算步骤可通过不同的r1 和r2 值来进行。
8.4 考虑到良好的收敛性和稳健性,r1 和r2 的推荐范围见式(1)和式(2):
8.5 附录B中给出了一个计算曲率和应变的替代方案。
9 双轴应力-应变曲线的计算
9.1 对于双轴应力-应变曲线的计算,需假设试样的中心是一个简单应力状态的薄壁球形......
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