肖 瑞, 李曉星, 李榮鋒, 陳楊鍇, 葛宇龍, 楊巖峰

(1. 北京航星機(jī)器制造有限公司, 北京 100084; 2. 北京航空航天大學(xué) 機(jī)械及自動化工程學(xué)院, 北京 100191; 3. 武漢鋼鐵公司研究院, 武漢 430080)

十字形試樣雙向拉伸試驗(yàn)

肖 瑞1, 李曉星2, 李榮鋒3, 陳楊鍇2, 葛宇龍2, 楊巖峰2

(1. 北京航星機(jī)器制造有限公司, 北京 100084; 2. 北京航空航天大學(xué) 機(jī)械及自動化工程學(xué)院, 北京 100191; 3. 武漢鋼鐵公司研究院, 武漢 430080)

通過介紹不同的十字形試樣設(shè)計(jì)方案、雙向拉伸試驗(yàn)設(shè)備以及相關(guān)理論，綜合性地回顧了雙向拉伸試驗(yàn)技術(shù)的歷史和現(xiàn)狀，并展望了其發(fā)展趨勢。通過已有的研究成果，總結(jié)了這種試驗(yàn)方法的先進(jìn)性：能更加準(zhǔn)確地反映金屬板料在復(fù)雜加載條件下的力學(xué)性能，并能為材料塑性加工提供更加有力的理論依據(jù)。

十字形試樣；雙向拉伸試驗(yàn)；金屬板料；復(fù)雜加載條件

冷軋金屬板材通常具有明顯的各向異性，而板材成型時所承受的通常都是復(fù)雜載荷，靠單向拉伸試驗(yàn)得到的材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線與承受復(fù)雜載荷的實(shí)際材料性能有很大差距[1]。在研究不同加載路徑金屬板料塑性屈服行為的試驗(yàn)方法中，發(fā)現(xiàn)采用十字形試件進(jìn)行雙向拉伸試驗(yàn)?zāi)芨玫胤从硨?shí)際情況。雙向拉伸試驗(yàn)很早就引起人們的重視，從20世紀(jì)60年代起，眾多學(xué)者對雙向拉伸試驗(yàn)進(jìn)行了探討，曾經(jīng)出現(xiàn)過一次采用雙向拉伸試驗(yàn)研究復(fù)雜加載路徑下材料性能的熱潮，并取得了很多有意義的成果。然而由于受當(dāng)時技術(shù)條件的限制，有些技術(shù)難點(diǎn)如應(yīng)變測量等問題沒有很好的解決方案，造成雙向拉伸試驗(yàn)操作復(fù)雜和成本高等問題，致使對該技術(shù)的研究一度又陷入低潮。近年來，隨著工業(yè)界對材料性能數(shù)據(jù)的更高要求和數(shù)字散斑光學(xué)應(yīng)變測量等先進(jìn)技術(shù)的出現(xiàn)，雙向拉伸試驗(yàn)又開始受到重視，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織于2014年發(fā)布了雙向拉伸試驗(yàn)的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 16842：2014，我國也正在進(jìn)行雙向拉伸試驗(yàn)國標(biāo)的制定。從發(fā)展趨勢看，雙向拉伸試驗(yàn)在近幾年定將得到快速發(fā)展，對材料性能研究起到重要推動作用。筆者主要回顧了國內(nèi)外十字形試樣設(shè)計(jì)、雙向拉伸試驗(yàn)設(shè)備和其他相關(guān)技術(shù)的最新進(jìn)展，為以后研究該領(lǐng)域的學(xué)者提供一定的參考。

1 發(fā)展概況

雙向拉伸試驗(yàn)在20世紀(jì)80～90年代出現(xiàn)過一次研究熱潮，最近10 a(年)卻趨于沉寂，除技術(shù)限制和成本高外，還有一個重要的原因是設(shè)備因故障老化而影響正常使用。近年來國外為了獲得雙向應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，以供汽車數(shù)值模擬設(shè)計(jì)之用，雙向拉伸試驗(yàn)研究又開始活躍起來，其中以日本最為突出，其于2012年完成了自己國家標(biāo)準(zhǔn)的制定，并在國際標(biāo)準(zhǔn)制定上不遺余力；德國也依托國際沖壓學(xué)會IDDRG聯(lián)合其他歐洲國家積極推動國際標(biāo)準(zhǔn)的制定。而在中國，由武漢鋼鐵公司研究院、北京航空航天大學(xué)和北京鋼鐵研究院等單位牽頭，配合國際標(biāo)準(zhǔn)化組織在雙向拉伸試驗(yàn)國際標(biāo)準(zhǔn)的制定方面也開展了大量工作。在各國的積極努力下，雙向拉伸試驗(yàn)國際標(biāo)準(zhǔn)于2014年正式頒布(ISO-TC164-SC2N595 NWIP for determination of biaxial stress-strain curve by means of bulge test with optical measuring systems)。

由于雙向拉伸試驗(yàn)與單向拉伸試驗(yàn)相比能更準(zhǔn)確地反映復(fù)雜載荷條件下的材料性能，所以世界各國眾多學(xué)者使用該方法對材料性能進(jìn)行了多方面研究，有代表性的研究成果有：本構(gòu)關(guān)系(葡萄牙[1]、德國[2])；微觀損傷(法國[3]、突尼斯[4])；各向異性(法國[5])；屈服準(zhǔn)則(日本[6])；正交異性(比利時[7])；延伸性能(英國[8])；后繼屈服性能(日本、丹麥[9])；等。

國內(nèi)從20世紀(jì)80年代初期起，北京航空航天大學(xué)開始研制雙向拉伸試驗(yàn)機(jī)，并應(yīng)用于中國科學(xué)院和高等院校進(jìn)行金屬板材成型極限測試、抗皺試驗(yàn)和摩擦試驗(yàn)等內(nèi)容的成型性能研究和殘余應(yīng)力測試標(biāo)定，目前已是第三代產(chǎn)品，其適用面廣，用戶可根據(jù)需要設(shè)計(jì)各種特殊試驗(yàn)，其功能具有很大的擴(kuò)展?jié)摿?，能進(jìn)行常溫和高溫的多種板材基本性能試驗(yàn)、成型性能模擬試驗(yàn)和成型工藝模擬試驗(yàn)。此外1986年南京工業(yè)大學(xué)也從日本衡器公司引進(jìn)一臺臥式雙向拉伸壓縮疲勞試驗(yàn)機(jī)，靜態(tài)載荷2.5×105N(25 t)，動態(tài)載荷1×105N(10 t)，用于開展金屬材料雙軸疲勞斷裂特性研究。近10 a(年)來，國內(nèi)有部分試驗(yàn)機(jī)廠開始研制生產(chǎn)雙向試驗(yàn)機(jī)包括三軸試驗(yàn)機(jī)，主要應(yīng)用于非金屬材料的壓縮試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)試樣與設(shè)備

2.1 試驗(yàn)試樣

試樣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要有兩個關(guān)鍵問題：一是要盡量減少兩個方向拉伸載荷的相互影響，保證中心區(qū)兩個主方向應(yīng)力、應(yīng)變的均勻性和一致性，提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，對于該問題，經(jīng)常采用在十字臂上開出均勻分布的縫隙來達(dá)到目的；另一方面由于十字形試樣容易在兩臂交接的尖角處產(chǎn)生應(yīng)力集中，使此處過早破裂而使試驗(yàn)中斷，造成中心區(qū)應(yīng)變量小,應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線不完整，因此設(shè)計(jì)試樣時應(yīng)使中心區(qū)得到盡可能大的應(yīng)變量，以得到完整的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系數(shù)據(jù)。對于該問題，最常用的解決辦法是優(yōu)化兩臂交接處的過渡區(qū)形狀，以及對中心區(qū)進(jìn)行減薄處理。

多采用有限元模擬和試驗(yàn)的方法對試樣形狀進(jìn)行優(yōu)化，如日本專家KUWABARA等[10]在研究低碳鋼十字拉伸試驗(yàn)時的設(shè)計(jì)試樣，采用的是臂上開縫的方法，沒有對中心區(qū)域進(jìn)行加工。為增加中心區(qū)的變形量，可采用中心區(qū)域減薄方法，可以兩邊都減薄，或僅對一邊減薄，MAKINDE等[11]和MERKLEIN等[12]對減薄的方式分別進(jìn)行過討論。另外北京航空航天大學(xué)吳向東等[13]也對該問題進(jìn)行過研究。

試樣的基本形狀為十字形，圖1所示為雙向拉伸試驗(yàn)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 16842:2014所推薦的一種試樣。試驗(yàn)時兩個垂直方向十字臂受到拉伸，載荷傳至中心區(qū)，測量中心區(qū)的變形量得到應(yīng)變數(shù)據(jù)。

圖1 ISO標(biāo)準(zhǔn)推薦的十字形拉伸試樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of cruciform tensile specimen recommended by ISO standard

此外，有時為了某些特殊的試驗(yàn)?zāi)康倪€會設(shè)計(jì)一些形狀特別的試樣。余海燕[14]列出了一些有代表性的十字形試樣,如圖2所示。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

2.2.1 單拉機(jī)加輔助裝置

圖2 有代表性的十字形拉伸試樣示意圖Fig.2 Schematic diagram of representative cruciform tensile specimens:a) Kreibig specimen; b) Muller specimen; c) Makinde specimen; d) Kuwabara specimen; e) Gozzi specimen; f) Ferron specimen; g) Ding specimen; h) Wu specimen; i) Welsh specimen

十字形試樣試驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)有兩種基本方案，其中一種是利用拉伸試驗(yàn)機(jī)，配以連桿機(jī)構(gòu)的專用裝置，將拉伸機(jī)的單項(xiàng)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為平面內(nèi)的雙向拉伸運(yùn)動。美國和德國的試驗(yàn)機(jī)廠家均有該裝置產(chǎn)品，我國也有研究者進(jìn)行過開發(fā)。該裝置的典型結(jié)構(gòu)如圖3所示。該裝置與專用十字形試樣雙向拉伸試驗(yàn)機(jī)相比，具有制作簡單和成本較低的優(yōu)點(diǎn)，但同時存在如下缺點(diǎn)：①兩個拉伸方向加載比例不同的試驗(yàn)不易實(shí)現(xiàn)；②空間狹小，裝夾和調(diào)整試樣以及實(shí)時光學(xué)測量困難；③由于連桿機(jī)構(gòu)的特性，加載過程中變形速率不易保持恒定；④不能實(shí)現(xiàn)載荷控制加載。

2.2.2 專用雙向拉伸機(jī)

專用的十字形試樣雙向拉伸試驗(yàn)機(jī)的開發(fā)已經(jīng)有超過50 a(年)的歷史，其間雖然在控制方式、輔助裝置、測量技術(shù)和提高精度等方面有長足的進(jìn)步，本體結(jié)構(gòu)上也有臥式和立式等區(qū)別，但基本原理都是在平面內(nèi)互相垂直的兩個方向?qū)υ嚇邮┘酉嗤较蛲健⒒ハ啻怪钡膬蓚€方向保持一定比例的拉伸載荷。圖4是幾種典型的雙向拉伸試驗(yàn)設(shè)備。

2.3 與單向拉伸等普通試驗(yàn)方法特點(diǎn)的比較

日本KUWABARA等[15]在2002年對采用雙向拉伸和單向拉伸試驗(yàn)方法得到的材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的區(qū)別進(jìn)行了深入研究,發(fā)現(xiàn)采用單向拉伸的試驗(yàn)方法可以得到碳鋼的屈服軌跡線，并將其與雙向拉伸的試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行對比，從而可以確定適用于碳鋼的屈服準(zhǔn)則。

另外，基于這項(xiàng)試驗(yàn)技術(shù)和理論，在判定了某種碳鋼的屈服準(zhǔn)則后，可以判斷材料本身加工精度的優(yōu)劣。通過單向拉伸試驗(yàn)得到的劣質(zhì)材料的屈服軌跡線與之前為確定屈服準(zhǔn)則對優(yōu)質(zhì)材料進(jìn)行的雙向拉伸的試驗(yàn)點(diǎn)不吻合。

圖3 利用單拉機(jī)進(jìn)行雙向拉伸試驗(yàn)的裝置Fig.3 Biaxial tensile testing devices based on uniaxial tensile equipments:a) chuck designed by American MTS company; b) the chuck mounted on a uniaxial tensile testing machine; c) domestic equipment;d) German Zwick testing machine; e) schematic diagram of early Zwick testing machine

圖4 專用雙向拉伸試驗(yàn)機(jī)外觀Fig.4 Appearance of special biaxial tensile testing devices:a) Tokyo Institute of Technology, in the 1950s; b) German Zwick, in the early 2000s; c) French Cashan, in the early 2000s;d) Japanese International Survey, in the early 2000s; e) Beihang University, in the 1980s; f) Hunan University, in the early 2000s

3 RSL-10A型多用途板材雙軸加載試驗(yàn)機(jī)

北京航空航天大學(xué)板料成形研究中心多年來致力于十字形試樣雙向拉伸試驗(yàn)技術(shù)的研究，所開發(fā)的多用途板材雙軸加載試驗(yàn)機(jī)目前已是第三代產(chǎn)品，如圖5a)所示，其適用面廣，用戶可根據(jù)需要設(shè)計(jì)各種特殊試驗(yàn)，其功能具有很大的擴(kuò)展?jié)摿Γ苓M(jìn)行常溫和高溫的多種板材基本性能試驗(yàn)、成形性能試驗(yàn)和成形工藝模擬試驗(yàn)，圖5b)和圖5c)是成形極限試驗(yàn)和散斑應(yīng)變測量形貌。該試驗(yàn)機(jī)具有以下特點(diǎn)。

圖5 北航RSL-10A型熱環(huán)境多用途板材雙軸加載試驗(yàn)機(jī)Fig.5 Beihang University RSL-10A type thermal environment multipurpose sheet biaxial loading testing machine:a) testing machine with a temperature box; b) forming limit test; c) data processing of speckle strain measurement

(1) 水平方向可實(shí)現(xiàn)x,y兩個方向的軸向拉伸運(yùn)動，每個軸向運(yùn)動由兩個互相獨(dú)立的液壓缸組成，可分別動作。獨(dú)特的機(jī)械同步保持裝置保證了相對方向拉伸位移和拉伸速率的高精度同步要求。

(2) 垂直方向可選擇增加上橫梁和底座液壓缸，實(shí)現(xiàn)垂直于板面z方向上下加載的要求。

(3) 試驗(yàn)機(jī)的動力系統(tǒng)采用液壓伺服系統(tǒng)，位移采用精密光柵尺采集，具有很高的位移和速率伺服精度。載荷的獲取采用高精度拉壓力傳感器，可分別采集各個方向的工作載荷。

(4) 試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)采用上位微機(jī)加可編程邏輯控制器(PCL)形式。主控制系統(tǒng)通過輸入/輸出(I/O)接口與傳感器相連，能在工作過程中對位移、速率和載荷實(shí)現(xiàn)實(shí)時信號采集、閉環(huán)控制和顯示。

(5) 應(yīng)變測量采用數(shù)字散斑光學(xué)應(yīng)變測量技術(shù)，能獲取不同溫度下的全場應(yīng)變和全時測量數(shù)據(jù)，且測量精度高。

(6) 專門為高溫雙向拉伸試驗(yàn)設(shè)計(jì)的封閉式電阻加熱爐，采用多點(diǎn)溫度采集和智能分區(qū)控制加熱，與此類試驗(yàn)通常采用的開放式電渦流加熱方式相比，能大幅提高試驗(yàn)溫度控制的準(zhǔn)確性和爐內(nèi)溫度分布的均勻性，并減小溫度波動。

4 結(jié)束語

金屬板料在成形過程中通常都是承受復(fù)雜載荷，十字形試樣雙向拉伸試驗(yàn)與傳統(tǒng)的單向拉伸試驗(yàn)相比，能更加真實(shí)地反映加載和變形情況，因其所獲得的材料性能參數(shù)更為準(zhǔn)確可信。近年來板料成形技術(shù)的發(fā)展對材料性能研究的要求日益提高，在此需求下十字形試樣雙向拉伸試驗(yàn)的國際標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生，我國的國家標(biāo)準(zhǔn)也正在積極制定中，已有研究者在前者的基礎(chǔ)上就我國目前的發(fā)展?fàn)顩r和現(xiàn)實(shí)要求提出了不同的建議[16]。相信在此推動下，這種先進(jìn)的試驗(yàn)方法在近期內(nèi)會有一個高速的發(fā)展。

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Biaxial Tensile Testing of Cruciform Specimens

XIAO Rui1, LI Xiaoxing2, LI Rongfeng3, CHEN Yangkai2, GE Yulong2, YANG Yanfeng2

(1. Beijing Hangxing Technology Development Company, Beijing 100084, China; 2. School of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University, Beijing 100191, China; 3. Design & Research Institute of Wuhan Iron & Steel Group, Wuhan 430080, China)

The focus of this work was to present a comprehensive review of the history and current situation of the biaxial tensile test technology and to prospect its development tendency by introducing the different cruciform specimen design proposal, biaxial tensile testing equipments and related theories. By illustrating the research achievements, the advantages of the test method were summarized: mechanical properties of metal sheets under complicated loading conditions could be evaluated more precisely, and more effective theoretical basis for plastic materials processing could be provided.

cruciform specimen; biaxial tensile testing; metal sheet; complicated loading condition

10.11973/lhjy-wl201708002

2016-08-03

國防973項(xiàng)目資助項(xiàng)目(613152)

肖 瑞(1985-)，男，博士研究生，主要從事航空宇航制造研究

李曉星(1953-)，男，教授，主要從事先進(jìn)制造研究，li.xiaoxing@buaa.edu.cn

TG301; TG115.5

A

1001-4012(2017)08-0538-06