張志城，從一博，郭照燦，張德海

（1.江蘇師范大學(xué)中俄學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.河南大學(xué)民生學(xué)院，河南 開封 475001；3.鄭州輕工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450002）

我國的材料制備及性能評價技術(shù)與發(fā)達(dá)國家存在一定的差距，其評價技術(shù)手段直接影響了我國先進(jìn)材料的研究、開發(fā)、應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，并影響到傳統(tǒng)材料產(chǎn)業(yè)和高新技術(shù)材料產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和機(jī)械科學(xué)的發(fā)展，因此，發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的材料性能評價技術(shù)是我國工程領(lǐng)域亟待解決的問題。VCM 深沖鋼板屬于雙金屬復(fù)層板，是將鋼材進(jìn)行表面處理后，涂敷（輥涂）或粘結(jié)有機(jī)薄膜并加熱烘烤而成的產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用在白色家電尤其是冰箱門體的外觀面板上。

由于VCM 深沖鋼板各組分材料在變形過程中很難達(dá)到屈服和破壞的同步，材料很容易在附加應(yīng)力的作用下沿薄弱方向產(chǎn)生失效乃至斷裂。如何判斷在外加及內(nèi)在因素影響下材料的變形機(jī)理和變形過程顯得尤為迫切和重要[1—4]。國內(nèi)外學(xué)者對VCM 深沖鋼板的研究較少涉足，而應(yīng)變模型的計算和檢測是影響其性能的關(guān)鍵因素之一?，F(xiàn)有的單層材料線彈性和彈塑性理論模型并不能很好地解釋復(fù)層材料工程應(yīng)用中的問題，限制了復(fù)層材料的進(jìn)一步應(yīng)用，因此，采用新的應(yīng)變評價方法勢在必行[5—9]。

數(shù)字散斑相關(guān)方法（Digital Speckle Correlation Method，DSCM）屬于非接觸的光測力學(xué)實驗方法，具有試驗準(zhǔn)備簡單、可測試件尺寸范圍大、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、全場非接觸測量等優(yōu)點，因而被引入材料、機(jī)械、電子等各行業(yè)用于工件的變形測量，并快速發(fā)展成為實驗力學(xué)領(lǐng)域的一種主要的光學(xué)檢測方法。何向前等[10]通過散斑測量方法對試樣的初始應(yīng)力進(jìn)行了測量，實現(xiàn)了無接觸測量。李耿等[11]通過三維攝影技術(shù)測量了鋁合金的焊接變形。張德海等[12]進(jìn)一步對數(shù)字圖像相關(guān)法在跨學(xué)科的力學(xué)、材料、機(jī)械、機(jī)器視覺等方面進(jìn)行了進(jìn)展研究，并提出了下一步的研究熱點。王懷文等[13]應(yīng)用數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)研究薄膜材料斷裂問題，張喆[14]采用DSCM 技術(shù)研究木材斷裂問題，王曉光等[15]采用DSCM 技術(shù)用來測量地震振動臺實驗過程中的位移變化，上述研究均未涉及VCM深沖鋼板的應(yīng)變檢測研究，因此采用非接觸光學(xué)測量方法來獲取VCM 深沖鋼板的應(yīng)變幾何信息并進(jìn)行評價將是一種新的積極的研究方法。

1 VCM 鋼板力學(xué)性能評價

VCM 深沖鋼板來自于河南新飛電器有限公司的冰箱門外殼，其結(jié)構(gòu)組成見圖1，基板為SPCE 深沖鋼板，來自于韓國浦項公司，VCM 覆膜生產(chǎn)廠商是深圳市美達(dá)思裝飾材料有限公司。VCM 是一種氯乙烯薄膜聚合物。

圖1 VCM 深沖鋼板的組成Fig.1 Composition of VCM deep-impact steel plate

選擇5 個力學(xué)參數(shù)（抗拉強(qiáng)度、彈性模量、上屈服強(qiáng)度、最大力下總伸長率和斷后伸長率）進(jìn)行測量并評價。材料分別為VCM 深沖（SPCE）鋼板、SPCE深沖基板和VCM 薄膜，在軋制方向0°，45°，90°位置方向各選擇5 個試樣作為一組。利用數(shù)字相關(guān)方法對其進(jìn)行測量。兩相機(jī)拍攝中心區(qū)域的中線相交于測量區(qū)域的中部，投影形成360 mm×270 mm 的重疊視場，拉伸過程總時間為150 s，取樣頻率為2 幀/s。其力學(xué)參數(shù)取加權(quán)平均值，見表1。

表1 3 種材料的主要力學(xué)參數(shù)Tab.1 The main mechanical parameters of three materials

基于復(fù)合材料混合定律，測定VCM 薄膜和SPCE深沖鋼板基板的數(shù)值并計算，從而獲得VCM 深沖鋼板的主要力學(xué)參數(shù)，VCM 深沖鋼板的計算得到的抗拉強(qiáng)度、彈性模量、上屈服強(qiáng)度、最大力下總伸長率、斷后伸長率分別為301.586 MPa，15 206.845 MPa，242.777 MPa，30.889%，44.074%。

1.1 偏離系數(shù)

綜上所述，最大力下總伸長率和斷后伸長率較好的吻合復(fù)合材料混合定律，抗拉強(qiáng)度基本吻合復(fù)合材料混合定律，但是彈性模量和上屈服強(qiáng)度不符合復(fù)合材料混合定律。

圖2 VCM 深沖鋼板的偏離系數(shù)Fig.2 The deviation coefficient of VCM deep-impact steel plate

1.2 影響系數(shù)

為計算深沖鋼板基板和VCM 覆膜對VCM 深沖鋼板性能的影響大小，引入兩個影響系數(shù)，Pjb為深沖鋼板基板影響系數(shù)，Pbm為VCM 薄膜影響系數(shù)。

式中：Ijb為深沖鋼板基板的力學(xué)參數(shù)；Icom為VCM 鋼板的力學(xué)參數(shù)。

式中：Ibm為VCM 薄膜的力學(xué)參數(shù)。

深沖鋼板基板影響系數(shù)以及VCM 薄膜影響系數(shù)可以用于評價鋼板的力學(xué)性能，并且能夠顯示深沖鋼板基板和VCM 薄膜在復(fù)層板中各自的決定作用以及影響程度，這兩種影響系數(shù)數(shù)值越大，表示該組分對于復(fù)合鋼板的總體影響程度越大，反之則影響程度越小。

1.3 梯度系數(shù)

由于組成VCM 復(fù)合鋼板的深沖基板和VCM 覆膜的力學(xué)性能數(shù)值兩者相差較大，為了更好地進(jìn)行比較，進(jìn)一步引入梯度影響系數(shù)Δ進(jìn)行研究，計算見式（4）。

深沖基板的影響程度中，彈性模量、抗拉強(qiáng)度、上屈服強(qiáng)度、梯度系數(shù)這些值和基板的影響程度呈正比關(guān)系。對于VCM 薄膜，其中斷后伸長率和最大力下總伸長率，梯度系數(shù)和薄膜的影響呈反比關(guān)系。綜合式（3—5）和深沖VCM 鋼板的各項偏離系數(shù)，得到表2。

表2 深沖VCM 鋼板的影響系數(shù)和梯度系數(shù)Tab.2 The influence coefficient and gradient coefficient of deep-impact VCM steel plate

由表2 可以看出，影響系數(shù)中深沖基板對VCM鋼板影響最大的是彈性模量，其值可達(dá)到2.582；影響最小的是最大力下總伸長率，其值為0.806；影響再大一些的是斷后伸長率，影響系數(shù)為0.859。僅有這兩個參數(shù)值小于1，也說明深沖鋼板基板對VCM深沖鋼板力學(xué)性能的影響參數(shù)中，彈性模量、抗拉強(qiáng)度、上屈服強(qiáng)度的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于斷后伸長率和最大力下總伸長率的影響；VCM 薄膜對VCM 鋼板的影響中，影響系數(shù)最小的是彈性模量，為0，所以不需要考慮復(fù)層材料中VCM 薄膜對其彈性模量的影響；影響系數(shù)中最大的是最大力下總伸長率為1.141，其次是斷后伸長率為0.954，說明在烘烤覆膜VCM 薄膜之后，在延伸性能方面，VCM 復(fù)層板得到一定的加強(qiáng)，并且對于抗拉強(qiáng)度和上屈服強(qiáng)度方面有一定影響，但其影響系數(shù)都小于0.3，說明影響程度較小。通過梯度系數(shù)的分析，發(fā)現(xiàn)抗拉強(qiáng)度小于上屈服強(qiáng)度，上屈服強(qiáng)度小于彈性模量，這樣更加說明了對VCM復(fù)層板力學(xué)性能的影響中，對于深沖基板，影響數(shù)值大小主要貢獻(xiàn)來自彈性模量、上屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度；對于VCM 薄膜的梯度影響系數(shù)上，最大力下總伸長率大于斷裂強(qiáng)度，說明薄膜對于VCM 深沖鋼板的最大力下總伸長率的影響大于斷后伸長率的影響。

圖3 深沖VCM 深沖鋼板的影響系數(shù)和梯度系數(shù)Fig.3 The influence coefficient and gradient coefficient of deep-impact VCM deep-impact steel plate

2 基于數(shù)字散斑相關(guān)方法的VCM 鋼板力學(xué)性能評價

采用了XJTUDIC 系統(tǒng)用于數(shù)字散斑相關(guān)方法的計算處理，該系統(tǒng)能夠很好地探測出試樣的三維輪廓，并且能夠直觀地展示出工件的應(yīng)力場、應(yīng)變場和成形極限圖（FLD），并且，對于需要重點測量的位置可以定點測量追蹤，以便于能夠重點地在動態(tài)測量中測量出任意時刻、任意位移的應(yīng)變狀態(tài)，并且該系統(tǒng)還可以應(yīng)用到各種不同條件下的力學(xué)測量情況。

選取深沖基板、深沖VCM 鋼板、VCM 薄膜3種材料，并取其45°方向的試樣進(jìn)行實驗對比分析，運用XJTUDIC 系統(tǒng)，在試樣的x軸和y軸方向上各取一對種子點，在試樣拉伸過程中對變形前后的散斑圖像進(jìn)行對比分析，獲得試件表面上種子點的運動，以及XJTUDIC 系統(tǒng)中的散斑計算，再經(jīng)過三維重建，計算得到種子點所在區(qū)域的三維位移場，并在此基礎(chǔ)上得到物體的三維應(yīng)變場，以及各種變形場的所有數(shù)據(jù)。

如圖4 為數(shù)字散斑測量系統(tǒng)對VCM 薄膜45° 方向試樣在三維方向位移的變化情況，本次實驗只選用拉伸試驗中最終將要拉斷時刻的應(yīng)變云圖，并以此來評定材料的力學(xué)性能，從該實驗中獲得3 種材料的x軸和y軸方向的應(yīng)變和最大主應(yīng)變。

圖4 45°方向的VCM 薄膜的最大位移云圖及散斑處理圖像Fig.4 The maximum displacement cloud graph and speckle treatment image of VCM film along the 45° direction

圖5 VCM 薄膜試樣45°方向的x 軸方向檢測獲得的應(yīng)變Fig.5 The strain measured along the x axis direction of VCM film sample along the 45° direction

以VCM 薄膜為例，測得在x軸方向的應(yīng)變上，深沖VCM 鋼板大于對應(yīng)的深沖基板，由于材料的拉伸方向是x軸方向，這就說明了在增加VCM 薄膜材料之后，對于VCM 深沖鋼板的最大應(yīng)變值提高了，其中VCM 薄膜最大應(yīng)變值為91.632%，而深沖基板最大應(yīng)變值為40.068%，對于復(fù)合材料的VCM 深沖鋼板最大應(yīng)變值為41.632%，這些數(shù)據(jù)說明在x軸方向上VCM 深沖鋼板的力學(xué)性能有所提高，處于深沖基板和VCM 薄膜的力學(xué)性能之間。對于y軸方向和最大主應(yīng)變獲得的數(shù)值如表3 所示。

表3 3 種材料采用數(shù)字散斑方法測得的應(yīng)變數(shù)值Tab.3 Strain values of three materials measured by digital speckle method

由表3 可推出圖6，可得，在VCM 深沖鋼板的x方向和y方向上的應(yīng)變值均大于其相同方向深沖基板的應(yīng)變值，說明在深沖基板上耦合VCM 薄膜之后，整體提高了深沖基板的應(yīng)變能力，VCM 深沖鋼板的綜合性能相較于深沖基板有了一定的提升，其力學(xué)性能介于深沖基板和VCM 薄膜之間。

圖6 3 種材料應(yīng)變數(shù)值對比Fig.6 The comparison of strain values of the three materials

3 結(jié)論

1）綜合考慮VCM 鋼板以及各種組分材料的影響系數(shù)和梯度系數(shù)，發(fā)現(xiàn)對于VCM 薄膜的影響系數(shù)中，斷后伸長率和最大力下總伸長率影響最大，但是對于材料的上屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度影響較小，影響最小的是彈性模量，說明VCM 薄膜對VCM 深沖鋼板的塑性和延展性的影響較大，但是對強(qiáng)度和剛度方面的影響較小。對于深沖基板的影響系數(shù)，發(fā)現(xiàn)其中彈性模量影響系數(shù)最大，其次為上屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，對斷后伸長率和最大力下總伸長率影響較大，說明深沖基板是決定VCM 鋼板強(qiáng)度和剛度方面性能的主要因素，相反深沖鋼板基板對VCM 深沖鋼板塑性性能的影響較小。對于梯度系數(shù)而言，對深沖基板彈性模量的影響最大的是深沖鋼板基板，其次為上屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，而VCM 薄膜覆板對斷后伸長率的影響大于對最大力下總伸長率的影響。

2）在VCM 深沖鋼板的x方向和y方向上的應(yīng)變值都大于其相同方向的深沖基板的應(yīng)變值，這也說明了在深沖基板上覆膜VCM 薄膜之后，提高了深沖基板的應(yīng)變能力，也說明了相應(yīng)的力學(xué)性能方面，VCM深沖鋼板相較于深沖基板有一定的提升，這些力學(xué)性能的提升正好也處于深沖基板以及VCM 薄膜兩者的力學(xué)性能之間。