汽車用薄鋼板第4部分：雙向拉伸試驗十字形拉伸試樣方法-編制說明

PAGE9PAGE一、工作簡況1.任務來源根據中國材料與試驗團體標準委員會［2021］202號文件“關于CSTM標準《汽車用薄鋼板第4部分：雙向拉伸試驗十字形拉伸試樣方法》的立項公告”所下達的中國材料與試驗團體標準修訂計劃，《汽車用薄鋼板第4部分：雙向拉伸試驗十字形拉伸試樣方法》標準列入中國材料與試驗團體標準修訂計劃，計劃編號為CSTMLX990000793—2021。該標準由鞍鋼股份有限公司牽頭，北京航天航空大學、大連理工大學、中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司、中關村材料試驗技術聯盟、鋼研納克檢測技術股份有限公司、武漢鋼鐵有限公司、上海大學、奇瑞汽車股份有限公司、中國第一汽車集團有限公司、泛亞汽車技術中心有限公司、中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司等單位起草。計劃于2021年完成審定，本標準由中國材料與試驗團體標準委員會CSTM/FC99綜合標準領域委員會歸口。標準起草過程2020年1月調研收集國內外雙向拉試驗技術試樣設計、加工和試驗設備等相關標準、文獻、技術資料。2020年2月-4月針對汽車薄板十字形拉伸試樣進行設計，對GBT36024-2018中推薦的試樣進行仿真模擬，查看應力應變集中區(qū)，驗證標準中推薦試樣的可行性。2020年4月-5月按照GBT36024-2018中推薦的試樣進行實際的驗證試驗，通過試驗發(fā)現中間變形比較小，為增加中間關注區(qū)域的變形量，設計中間減薄試樣。2020年6-7月對中間減薄的十字拉伸形試樣以DP980為材料數據進行仿真分析，觀察中心區(qū)域的變形量及受力均勻程度驗證減薄試樣的可行性。2020年8-11月采用DP980材料對中間減薄試樣進行試驗，驗證仿真結果的正確性，得到了很好的試驗結果，但通過試驗發(fā)現壁上開槽經常斷在壁上，加工試樣在開槽的端口處容易產生缺陷。2020年12月-2021年3月起草小組針對經常斷在開槽處和開槽加工精度等問題，設計了兩款試樣，并對這兩款試樣進行仿真模擬。2021年3-8月，完成新設計的兩款試樣的實際試驗驗證工作，證明試樣設計的有效性。2021年8月，中國材料與試驗團體標準委員會綜合標準領域委員會綜合標準領域委員會召了《汽車薄板雙向拉伸試驗十字形拉伸試樣》團體標準立項審查會，將該標準納入汽車用薄板系列試驗方法標準，題目修改成《汽車用薄鋼板第4部分：雙向拉伸試驗十字形拉伸試樣方法》。2021年9月收到中國材料與試驗團體標準委員會下發(fā)的《關于CSTM標準《汽車用薄鋼板第4部分：雙向拉伸試驗十字形拉伸試樣方法》的立項公告》(材試標字[2021]202號)。2021年9月組建標準起草工作組，選定標準GBT36024-2018中1-6部分針對試樣設計等內容重新起草編制本標準草案稿。2022年2月，由中國材料與試驗團體標準委員會秘書處將項目建議書、標準以及編制說明發(fā)送到中國材料與試驗團體標準委員會委員及有代表性的標準相關方。4.主要起草人及其所承擔的工作簡要說明李蕭彤、劉仁東：項目總負責，負責標準起草、制定驗證試驗計劃。蘇洪英、呂冬：雙軸拉伸驗證試驗。陳楊凱、郎利輝、常穎：雙軸拉伸試樣設計。呂冬、蘆延鵬、曹政：雙軸拉伸試樣加工梁笑、徐鑫、郝志強、李春林、陸曉鋒、丁庶煒：數據分析及仿真模擬。林利、王姝、孟憲明、王麗敏、王蓬、張南、張賽、王存宇、沈克、高怡斐、史文、李軍、宋偉佳、王彩梅、祝鐵柱、張松闖、張仲榮：項目協調與溝通二、標準化對象簡要情況及制修訂標準的原則1、標準化對象簡要情況汽車用冷軋板材通常具有明顯的各向異性，而在板材的成形過程中通常承受的都是復雜載荷，依靠單向拉伸試驗得到的材料應力應變曲線無法完全表征材料承受復雜載荷的實際情況，導致板料成形模擬的準確度有限。因此采用雙軸拉伸試驗十字形試樣研究不同加載路徑下板料塑性屈服行為能更準確的反映板料成形實際情況。近年來，隨著我國汽車、航空等行業(yè)的迅猛發(fā)展，對材料性能數據提出了更高的要求，特別是光學應變測量系統等先進技術的出現，使雙軸應力狀態(tài)下的應力應變關系的準確測量成為了可能，更好的服務于薄板成形數值模擬設計，全國鋼標準化技術委員會結合我國在雙軸拉伸試驗技術的現狀和研究成果于2018年發(fā)布了雙向拉伸試驗的國家標準GB/T36024-2018。長期以來，雙軸拉伸試驗十字形試件的設計都是雙軸試驗應用中一個難點，我國的相關的國家標準中推薦了試樣形式比較單一，不能滿足國內外多種雙軸拉伸試驗機的要求，因此，迫切需要在歸納與總結國內外雙向拉伸試驗技術的基礎上制訂滿足多種試驗設備要求的統一規(guī)范可行的雙向拉伸十字形樣件的團體標準供行業(yè)內使用，為上述發(fā)展迅猛的產業(yè)提供薄板成形數值模擬設計之用的試驗數據，促進我國工業(yè)的進一步發(fā)展。制修訂標準的原則本標準在修訂過程中，遵循“面向市場、服務產業(yè)、自主制定、適時推出、及時修訂、不斷完善”的原則，注重標準修訂與技術創(chuàng)新、試驗驗證、產業(yè)推進、應用推廣相結合，本著先進性、科學性、合理性和可操作性以及標準的目標、統一性、協調性、適用性、一致性和規(guī)范性的原則來進行本標準的修訂工作。本標準修改采用GBT36024-2018《金屬材料薄板和薄帶十字形試樣雙向拉伸試驗方法》1-6部分，針對雙向拉伸試驗用十字形拉伸試樣做了部分修改和增加。在起草過程中，主要按GB/T1.1-2020《標準化工作導則第1部分：標準的結構和編寫規(guī)則》要求編寫。在確定本標準主要技術指標時，綜合考慮生產企業(yè)的能力和用戶的利益，尋求最大的經濟、社會效益，充分體現了標準在技術上的先進性和合理性。三、采用國際標準和國外先進標準的程度及理由，以及與國際、國外同類標準水平對比情況，或與測試的國外樣品的有關數據對比情況本標準修改采用GBT36024-2018《金屬材料薄板和薄帶十字形試樣雙向拉伸試驗方法》1-6部分，針對雙向拉伸試驗用十字形拉伸試樣做了部分修改和增加。本標準在結構和技術內容上一部分GBT36024-2018的1-6部分基本一致，在以下幾方面進行了較大修改和補充：—刪除了引言部分；—對1范圍內容做了修改，僅保留十字形試樣相關內容；—規(guī)范性引用文件刪除了關于試樣過程及方法等方面的引用；—符號與說明僅保留試樣設計相關的說明，添加了一部分說明；—對國標中推薦的試樣的局部減薄位置及比例進行更具體推薦；—增加了一種雙向拉伸試驗試樣形狀；—對原有雙向拉伸試驗試樣進行優(yōu)化；—對取樣位置和試樣加工做了補充說明。標準主要內容（包括牌號、成分、性能指標、型號、各種參數、公式、試驗方法、檢驗規(guī)則等）確定的論據（包括試驗、驗證、統計數據等），修訂標準時，應列有新舊標準的對比分析。無五、主要試驗（或驗證）結果的分析、綜述報告、技術經濟論證，預期的經濟效果等。本團體標準起草小組成員長期從事汽車板材力學性能檢驗工作，德國Zwick-Z100雙軸拉伸試驗機為本標準的起草和試驗提供了硬件支持，采用CATRA、ANSA、LS-DANY等仿真模擬軟件進行模擬試驗。雙向拉伸試驗用十字形試樣設計主要有兩個關鍵問題：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)兩個主方向應力、應變的均勻性和一致性，提高試驗數據的可靠性；二是由于十字形試樣容易在兩臂交接的尖角處產生應力集中，使此處過早破裂而使試驗中斷，造成中心區(qū)應變量小，應力-應變曲線不完整；三是盡量減少加工精度對試驗結果的影響。本標準在修訂過程中主要進行了四方面的工作：1、為了進一步驗證國家標準GB/T36024-2018推薦試樣的適用性，本標準起草小組設計了如下驗證試驗：解決問題一通常采用在十字臂上開均勻分布的縫隙（槽）來達到目的，按照GB/T36024-2018推薦試樣繪制標準試樣圖正好符合要求，設計用于仿真模擬的試樣按照國標中的試樣要求如圖1進行尺寸的具體設定，考慮德國Zwick-Z100雙軸拉伸試驗機設備的實際工況設計。圖1國家標準中推薦的臂上開槽十字形拉伸試樣具體尺寸參數：1、B=50mm，L=50mm，C=100mm，R=2mm，a=2mm2、狹縫寬度=0.3mm采用DP980鋼種數據設置設置材料卡片，應變速率為0.05s-1，在X、Y軸方向施加應力比1:1進行雙向拉伸試驗仿真。仿真的試驗效果如圖2所示，可以觀察到應力主要集中在四個臂上。(a)前期應力集中(b)中期應力集中(c)后期應力集中圖2國標試樣仿真圖在德國Zwick-Z100雙軸拉伸試驗機設備上采用DP980鋼種按照應變比1:1在常溫下進行實際雙向拉伸試驗，加工的試樣尺寸與仿真模擬設計一致，實際試驗多個試樣斷在夾持臂上與仿真一致，分析原因主要由于臂上開槽設計對試樣加工的精度要求比較高，導致開槽臂上的應力比中心有效區(qū)域更加集中。2、為關鍵解決問題二設計以國家標準GB/T36024-2018所推薦的基本尺寸和臂上開縫為基礎，在中心區(qū)進行雙邊減薄的十字形試件以增加中心區(qū)的應變量，設計試樣尺寸如圖3所示：圖3國家標準基礎上中心減薄試樣具體尺寸參數：1、B=50mm，L=50mm，C=100mm，R=2mm，a=2mm，a0=1mm,L0=20mm。2、狹縫寬度=0.3mm設置仿真模擬的參數和條件與不減薄的試樣相同，試驗的仿真結果如圖4所示，可以看出試樣應力集中在中心區(qū)域，驗證試樣減薄是可行的，但是減薄的邊緣也存在應力集中，適當調整減薄范圍能夠優(yōu)化應力集中效果，并且這種試樣已經有很多研究機構和高校的試驗中得到驗證。圖4國標推薦中間減薄試樣仿真針對國標中推薦試樣加工復雜和精度要求高的局限性，同時解決關鍵問題一要求設計對上文減薄試樣進行了優(yōu)化，加寬了槽的寬度，其他的設計尺寸也在規(guī)定的范圍內進行了調整，并對改進后的試樣進行受力分析，加寬的槽可以采用激光切割或線切割加工時減小教工精度對試樣和試驗結果的影響，試樣設計及具體尺寸如圖5所示。圖5國標推薦中間減薄試樣的改進仿真模擬設置的條件和材料與以上兩種仿真模擬相同，對改進后減薄試樣進行仿真模擬，觀察中心位置的受力情況，繪制仿真模擬圖如圖6所示。圖6單元格劃分圖7應力云圖模擬材料參數：屈服強度為621MPa，抗拉強度997MPa。受力情況如圖7所示，表1中列舉了不同時間點中心區(qū)域的應力分布情況，應力單位均為Mpa，可以看出應力在該區(qū)域內，差別很小，尤其在中心線上差別幾乎可以忽略。表1中心區(qū)域應力分布情況時間/s0.100.150.200.250.30最大應力/MPa410.9705.3843.9963.71058.0最小應力/MPa401.0696.1832.8949.51041.0差值/MPa9.99.211.114.217差值占比/%2.441.311.321.481.62針對中間減薄試樣減薄加工的困難，設計了一款中心不減薄，加長壁上開槽的長度，使開槽的長度延長到夾具內部，減少開槽端口處缺陷對試樣和試驗的影響，具體的試樣形狀和尺寸如圖8所示。圖8開槽延長非減薄十字形拉伸試樣本標準化起草小組對該試樣進行了仿真模擬，模擬材料參數：屈服強度為628MPa，抗拉強度997MPa，對試樣不同時間點中心區(qū)域的應力分布情況如表2所示，可以看出中心變形區(qū)域受力比較均勻。表2中心區(qū)域應力分布情況時間/s0.100.200.300.400.500.6最大應力/MPa75.3403.8547.0615.6665.5696.7最小應力/MPa75.0402.4540.8608.6658.0687.7差值/MPa0.261.46.277.59.0差值占比/%0.350.351.141.141.131.30開槽延長非減薄十字形拉伸試樣的受力云圖如圖9所示，通過仿真模擬可得該試樣是合理的，后面將用試驗來驗證試樣設計的可行性。圖9開槽延長非減薄十字形拉伸試驗證設計試樣的可行性，本標準起草小組對設計的試樣根據實際雙軸拉伸試驗機的實際工況完成驗證試驗。依據GB/T36024《金屬材料薄板和薄帶十字形試樣的雙向拉伸測試方法》中關于試驗方法的要求，雙向拉伸試驗主要的加載方式有兩種，一種為力值比控制方式，另一種為應變速率比控制方式。鑒于目前國內某些雙向拉伸試驗機采用力值比和應變速率比控制兩種方式實施困難，采用位移速率比控制居多，本工作組在德國Zwick公司生產的Z100雙向拉伸試驗機如圖10上分別采用力值比、應變速率比、位移速率三種不同的控制方式進行試驗。圖10雙向拉伸試驗機對減薄試樣驗證試驗，采用應變速率比控制，主控制方向拉伸速率為0.00001/s，中心區(qū)應變的初始測量區(qū)域為20mm×20mm，變形的應變值由非接觸式視頻引伸計測定，采用的加載比例分別為（軋制方向與橫向的應變速率比）4:0、4:1、4:2、4:3、4:4、3:4、2:4、1:4、0:4，試驗采集的數據為試件十字臂上的載荷和試件中心區(qū)的應變，按照GB/T36024《金屬材料薄板和薄帶十字形試樣的雙向拉伸測試方法》中附錄A中屈服面的測量方法進行試驗數據的處理，得到QP980鋼的屈服軌跡如圖11所示，通過實驗結果可以看出減薄試樣是可行、有效的。圖11減薄試樣應變速率比控制的QP980鋼屈服軌跡對未減薄試樣進行驗證試驗，分別采用應變速率比、力值比和位移速率比控制進行驗證試驗。應變速率比控制主控制方向拉伸速率為0.00001/s，中心區(qū)應變的初始測量區(qū)域為20mm×20mm，變形的應變值由非接觸式視頻引伸計測定，采用的加載比例分別為（軋制方向與橫向的應變速率比）4:0、4:1、4:2、4:3、4:4、3:4、2:4、1:4、0:4，試驗采集的數據為試件十字臂上的載荷和試件中心區(qū)的應變，得到的QP980鋼的屈服軌跡如圖12所示。圖12未減薄試樣應變速率比控制的QP980鋼屈服軌跡力值比控制主控制方向拉伸速率為25N/s，中心區(qū)應變的初始測量區(qū)域為20mm×20mm，變形的應變值由非接觸式視頻引伸計測定，采用的加載比例分別為（軋制方向與橫向的比例）4:0、4:1、4:2、4:3、4:4、3:4、2:4、1:4、0:4，試驗采集的數據為試件十字臂上的載荷和試件中心區(qū)的應變。經過數據處理得到未減薄試樣力值比控制的QP980鋼屈服軌跡如圖13所示。圖13未減薄試樣力值比控制的QP980鋼屈服軌跡3）位移速率比控制主控制方向拉伸速率為0.005mm/s，中心區(qū)應變的初始測量區(qū)域為20mm×20mm，變形的應變值由非接觸式視頻引伸計測定，采用的加載比例分別為（軋制方向與橫向的比例）4:0、4:1、4:2、4:3、4:4、3:4、2:4、1:4、0:4，試驗采集的數據為試件十字臂上的載荷和試件中心區(qū)的應變，經過數據處理得到未減薄試樣位移速率比控制的QP980鋼屈服軌跡如圖14所示。圖14未減薄試樣位移速率比控制的QP980鋼屈服軌跡4）力值比、應變速率比、位移速率比三種控制方式屈服軌跡比較圖15不同控制模式的屈服軌跡由圖15可知，載荷比控制和應變速率比在不同變形階段所得到的屈服軌跡吻合得很好，位移速率比稍差一些，特別是在大變形1%和2%時。8、QP980減薄與未減薄試樣屈服軌跡比較圖16QP980減薄與未減薄試樣的屈服軌跡由圖16可知，采用減薄試樣和未減薄試樣試驗結果比較一致，證明了試樣設計的可行性。結論：采用以國家標準GB/T36024-2018推薦的試樣進行雙向拉伸試驗是有效的，通過德國Zwick-Z100雙軸拉伸試驗機進行實際驗證結果一致，但由于試樣加工的復雜性和精度有限造成試樣很難斷裂在中心位置，對試驗機和加工要求比較高。2）避免由于加工復雜造成的試驗試樣失效問題，設計了一種中心減薄優(yōu)化十字形試樣和非減薄開槽延長十字形拉伸試樣，可以適用于多種試驗設備條件且機加精度要求相對放寬，并通過仿真模擬和Zwick-Z100雙軸拉伸試驗機進行實際驗證了試樣的有效性和可行性。六、與國家和行業(yè)有關的現行的方針、政策、法律、法規(guī)和強