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應(yīng)變控制低周疲勞試驗(yàn)一般以圓棒試樣為主，在應(yīng)變比(最小應(yīng)變與最大應(yīng)變的比值)R＜-1的情況下基本不采用板材試樣。在部分汽車結(jié)構(gòu)件中，金屬薄板承受了雙向拉壓載荷，目前各汽車生產(chǎn)廠家及科研院所對薄板拉壓雙向應(yīng)變控制低周疲勞試驗(yàn)的需求日益增多。

車用板材根據(jù)板材的厚度和寬度比可分為厚板、中厚板和薄板。當(dāng)板寬(b)與板厚(t)滿足1/80~1/100＜t/b＜1/5~1/8的條件時稱為薄板。薄板作為汽車的重要沖壓件用材，一般采用冷軋等制造工藝，除常規(guī)力學(xué)性能外，材料的疲勞性能是其重要驗(yàn)收指標(biāo)。

根據(jù)GB/T 15248-2008«金屬材料軸向等幅低循環(huán)疲勞試驗(yàn)方法»中對試樣的設(shè)計(jì)要求，試樣平行段長度是試樣厚度的2.5~3.5倍。由于汽車?yán)滠埍“搴穸燃s為1mm，按照上述標(biāo)準(zhǔn)疲勞試樣的平行段長度應(yīng)為2.5~3.5mm，而引伸計(jì)標(biāo)距一般為8，10，20，25mm，試樣平行段長度無法滿足引伸計(jì)的裝夾，因此在進(jìn)行汽車?yán)滠埍“宓牡椭芷谠囼?yàn)時，試樣平行段需比引伸計(jì)標(biāo)距長。

在薄板的疲勞試驗(yàn)中，一般根據(jù)GB/T 26077-2010«金屬材料疲勞試驗(yàn)軸向應(yīng)變控制方法»標(biāo)準(zhǔn)制備疲勞試樣，試樣的形狀和尺寸如圖1所示。

圖1 疲勞試驗(yàn)薄板試樣形狀和尺寸

進(jìn)行薄板應(yīng)變控制低周疲勞試驗(yàn)時，首先將試樣安裝到疲勞試驗(yàn)機(jī)夾頭，然后按照三角波形(應(yīng)變比為-1)加載試驗(yàn)。在薄板受到軸向力或軸向應(yīng)變的過程中，彎曲變形占主導(dǎo)地位，薄板受到的橫向剪切力引起的剪切變形可以忽略。三角波形控制下低周疲勞試驗(yàn)的應(yīng)變-循環(huán)次數(shù)曲線見圖2，試樣兩端被試驗(yàn)機(jī)夾頭夾持固定，軸向受到交變載荷的作用。在試驗(yàn)過程中，試樣受到的循環(huán)應(yīng)力通常接近甚至超過其屈服強(qiáng)度，當(dāng)試樣厚度一定時，其軸向的應(yīng)變量越大，越易發(fā)生厚度方向的屈曲變形導(dǎo)致試樣失效，從而影響疲勞試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖2 三角波形控制下低周疲勞試驗(yàn)的應(yīng)變-循環(huán)次數(shù)曲線

在試驗(yàn)過程中，會出現(xiàn)沿試樣寬度方向或沿厚度方向的屈曲，其中沿試樣厚度方向的屈曲(見圖3)最常見。

圖3 沿試樣厚度方向的屈曲示意圖

根據(jù)GB/T 26077-2010的要求，厚度為2.5~5mm的板狀試樣可以不采用防屈曲裝置，厚度小于2.5mm的板狀試樣需要采用防屈曲裝置以防止試樣出現(xiàn)屈曲失穩(wěn)影響試驗(yàn)結(jié)果，防屈曲裝置示意圖如圖4所示。

圖4 GB/T 26077-2010中的防屈曲裝置示意圖

防屈曲裝置的基本原理是將兩塊夾板貼合并夾持于疲勞試樣沿厚度方向的兩側(cè)，通過緊固螺栓鎖緊在疲勞試樣上，在試驗(yàn)過程中約束試樣沿厚度方向的變形，從而達(dá)到防屈曲的目的。緊固螺栓既使夾板和試樣緊密貼合，又避免載荷沿夾板傳遞影響試驗(yàn)結(jié)果。GB/T 26077-2010雖提供了防屈曲裝置示意圖，但并未提供具體技術(shù)參數(shù)。

在以往的試驗(yàn)中，薄板的疲勞試驗(yàn)多數(shù)進(jìn)行拉-拉載荷循環(huán)，應(yīng)力比為正值，幾乎沒有薄板在拉壓循環(huán)載荷下的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)。近年來，為得到材料的疲勞性能數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)鋼板的疲勞性能研究得到廣泛關(guān)注。為了保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，防屈曲裝置在薄板疲勞試驗(yàn)中得到廣泛應(yīng)用。

案例一：

采用防屈曲裝置，對厚度為2mm的鈦合金薄板和厚度為3mm的鋁合金薄板分別進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。選用AMSLER型高頻振動疲勞試驗(yàn)機(jī)，借助扭矩扳手等工具將試樣固定在試驗(yàn)機(jī)夾頭上，并在試樣中部粘貼應(yīng)變片，以便觀察試樣平行段的應(yīng)力分布情況，如圖10所示。

圖10 試樣中心截面及貼片示意圖

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在徒手?jǐn)Q緊和用工具扳手?jǐn)Q緊防屈曲裝置的情況下，相同載荷下試樣的變形量并無顯著差別，即在一定范圍內(nèi)防屈曲裝置的擰緊程度對軸向載荷影響不大；在安裝防屈曲裝置后，試樣不對稱應(yīng)變所占比例小，基本可以消除由壓縮失穩(wěn)而產(chǎn)生的屈曲現(xiàn)象。在不使用防屈曲裝置情況下，試樣在很小的壓力下即產(chǎn)生明顯屈曲導(dǎo)致疲勞試樣失效，說明在薄板疲勞試驗(yàn)中防屈曲裝置有著重要作用。一些稍厚的板即使沒有發(fā)生明顯的彎曲失穩(wěn)，但是板件內(nèi)已經(jīng)產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，從而影響了試樣的試驗(yàn)結(jié)果。

案例二：

研究了厚度為2.3mm的SAPH440鋼車用薄板的單軸拉伸、低周疲勞和高周疲勞性能。由于試樣厚度較小，在試驗(yàn)過程中按照GB/T 26077-2010標(biāo)準(zhǔn)的要求設(shè)計(jì)加工了防屈曲裝置，避免試樣在應(yīng)力比R＜0的拉壓循環(huán)載荷中出現(xiàn)屈曲失穩(wěn)現(xiàn)象。

當(dāng)金屬薄板在進(jìn)行拉壓循環(huán)載荷試驗(yàn)時，研究者們均用到防屈曲裝置。

案例三：

在對鎂合金薄板進(jìn)行雙軸拉伸和單軸壓縮力學(xué)性能測試時，為防止板材試樣的屈曲可能帶來測試結(jié)果不準(zhǔn)確的問題采用了上述梳齒型夾具。

案例四：

對厚度為1mm的薄銅片進(jìn)行了拉壓循環(huán)載荷作用下的試驗(yàn)研究，通過監(jiān)測試樣和夾具支撐塊之間的摩擦力(圖11)，避免了在測量應(yīng)力過程中產(chǎn)生誤差。圖11中曲線1代表第一個循環(huán)；曲線2是不使用防屈曲裝置時試樣的拉伸曲線；曲線3代表第二個循環(huán)；曲線4和5代表最后兩個循環(huán)，圖中灰色線條表示試驗(yàn)過程中摩擦力的變化情況。

圖11 測試過程中摩擦力的變化

試驗(yàn)結(jié)果表明，試樣和夾具支撐塊之間的摩擦力相對較小且不改變循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變特性，摩擦力數(shù)據(jù)可以用來校正黃銅的應(yīng)力-應(yīng)變特性。在寬應(yīng)變范圍下，夾具適用于拉壓試驗(yàn)。通過對摩擦力的測量，證明了防屈曲裝置可用于材料的開發(fā)、測試、產(chǎn)品評價和質(zhì)量控制，對實(shí)際生產(chǎn)具有重要意義。

在防屈曲裝置的使用過程中仍然存在一些問題，其主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)防屈曲裝置與疲勞試樣接觸過程中，反復(fù)摩擦使試樣棱邊易形成磨蝕點(diǎn)，進(jìn)一步誘發(fā)形成疲勞裂紋源，降低試樣壽命。目前在防屈曲裝置中，通過將工字型夾具中部寬度加工成小于試樣平行段寬度可以在一定程度上解決該問題，但是否會出現(xiàn)新的磨蝕點(diǎn)還需經(jīng)過試驗(yàn)論證。

(2)擰緊螺栓緊固防屈曲裝置時，當(dāng)擰緊螺栓扭矩過大時，裝置與試樣間摩擦力增大，阻礙試樣軸向上的變形，且軸向加載力與試樣實(shí)際受到的軸向力之間產(chǎn)生誤差，影響試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性；當(dāng)擰緊螺栓扭矩過小時，裝置與試樣間摩擦力變小，裝置易與試樣發(fā)生相對滑動，引發(fā)危險。

(3)潤滑減摩材料的使用一方面可有效減少防屈曲裝置與試樣間的摩擦力，另一方面可起潤滑保護(hù)作用。對于潤滑減摩材料的選擇，目前還缺少統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，也沒有相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效論證。

(4)試驗(yàn)時，通常將試樣平行段長度設(shè)計(jì)為滿足引伸計(jì)標(biāo)距的長度，方便引伸計(jì)的裝夾。傳統(tǒng)的應(yīng)變引伸計(jì)通常采用橡皮筋固定在試樣的厚度方向，但橡皮筋不能保證引伸計(jì)與試樣的剛性連接，試驗(yàn)過程中會出現(xiàn)松動，存在引伸計(jì)上下刀口受力不均的現(xiàn)象。使用防屈曲裝置后，如何解決引伸計(jì)的裝夾問題且保證測得準(zhǔn)確的應(yīng)變數(shù)據(jù)，是目前防屈曲裝置研究中應(yīng)該關(guān)注的問題。

防屈曲裝置是一種金屬薄板拉壓疲勞試驗(yàn)過程中的附加夾具，它可以在試驗(yàn)過程中有效防止因板材剛度過小導(dǎo)致的屈曲變形現(xiàn)象，具有實(shí)用價值。目前市場上的防屈曲裝置還不成熟，隨著需求的增多，防屈曲裝置的研發(fā)也成為各研究機(jī)構(gòu)關(guān)注的焦點(diǎn)。我國薄板拉壓低周疲勞的試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，對防屈曲裝置的研究也還有限。目前已有單位擁有自己研發(fā)的防屈曲裝置，但尚處于內(nèi)部試驗(yàn)階段，未形成產(chǎn)品。

摩擦力在防屈曲裝置對試驗(yàn)的影響中起到關(guān)鍵作用，通過加入潤滑減摩材料可減小摩擦力對試驗(yàn)載荷的影響，保證裝置與潤滑減摩材料之間的良好連接，可在整個試驗(yàn)過程中保持摩擦力一致。擰緊螺栓的扭矩大小對試樣在試驗(yàn)過程中軸向上的自由變形也存在著影響，通過控制扭矩大小可實(shí)現(xiàn)試樣在防屈曲裝置中自由伸縮。在測量應(yīng)變方面，保證引伸計(jì)與試樣的剛性連接可保證試驗(yàn)的安全有效進(jìn)行。