CN101487780A - 检测中厚板非工作方向性能的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种检测中厚板非工作方向性能的方法及检测装置，属于检测方法和设备技术领域，目的是提供一种能够检测中厚板非工作方向性能的方法和检测模具，它采用以下步骤进行：在中厚板上截取垂直于表面方向的矩形试样；将试样放入剪切试验装置中；启动剪切装置，将试样剪切并切断；剪切不同位置和厚度的试样；测定剪切力，计算出剪切抗力。检测模具由定剪切座和动剪切板组成，定剪切座的中部有水平试样插孔，试样插孔的一端连接垂直的剪切板滑动槽，剪切板滑动槽与动剪切板相匹配，在试样插孔的上方连通有压紧螺栓。本发明开辟了检测中厚板材质的新方法，可以定量评价中厚板在非工作方向的性能，所使用的检测模具简单实用，便于推广使用。

Description

检测中厚板非工作方向性能的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种检测中厚板非工作方向性能的方法以及这种方法使用的检测装置，属于检测方法和检测设备技术领域。

背景技术

中厚板是指厚度大于5毫米的钢板，中厚板的厚度方向性能在有些文件中称作Z向性能，也就是非工作方向性能。目前我国测定中厚板厚度方向性能的标准只有一个——Z向(厚度方向)性能钢板。这个标准规定，在钢板的厚度方向截取试样后，经过制作拉伸试样，进行拉伸试验，并在拉伸试样断裂面上测定断面收缩率、如断面收缩率达到15％，则称作Z15。这样的钢板在很多情况下出现下列情形：常规力学性能检验全部合格，但是在加工过程中由于厚度方向性能不合格而出现报废。这种现象说明，常规力学性能指标不能完全决定使用性能。

工程材料的非工作方向性能指的是材料尺寸和形状上不是主受力方向，例如对于线、棒材来讲沿其横断面的直径方向、板材的厚度方向、层状复合材料的层间结合方向等。有不少情况下，由于材料的非工作方向性能远低于常规力学性能，使材料或构件不能安全工作，或达不到预期的寿命。目前对于钢铁材料还没有检测非工作方向性能的方法，这关系到正确的评价材料和正确的选择材料。就冷镦工艺而言，冷镦成形是金属成形的重要方法。在航空航天、机械、仪器设备和工程结构中广泛使用的紧固件螺栓等产品的制作工序。这种性能的检验目前除了钢的冷顶锻试验方法以外没有其它检测检验方法。对于中厚钢板来讲，只有GB/T5313“厚度方向性能钢板”一个标准，测定材料非工作方向性能方面还缺乏恰当的手段。现有的测量常规力学性能方法往往不仅不能给出非工作方向性能方面正确的评价，甚至还经常做出错误的结论。

另外，在圆柱体试样压缩时金属流动问题的认识，至今是不完全正确的。最典型的情况是用有限元应变分析方法计算的结论。该结论指出，圆柱体压缩变形时，金属中各单元经过相似的变形，使圆柱体变成鼓肚形。但实际上对镦粗的试样内部夹杂物的解剖分析说明，夹杂物的变形多数情况下，夹杂物出现明显的折叠和分离，或向边缘移动。

中厚板在冷弯加工后，侧面出现层状条纹或者性能不合格的情况是也在常规性能检测符合标准的情况下出现的，正是非工作方向性能不合格造成的。

金属材料在变形时经常出现微观区域的不均匀变形，这也是造成非工作方向性能下降的原因之一。

在试样上用简单的试验可以证明非工作方向性能的薄弱现象。用一定角度的圆锥压头，压入圆钢试样的顶端，得到一个压痕，当压入深度足够大时，在圆钢的薄弱部位(或者离边缘比较近的地方)开裂。可是同样的试验在板材的侧面进行时，尽管压痕离板材的边缘比较近，压痕周围开裂的地方不是在板材表面，而是沿板材的长度方向，从压痕边缘向外扩展。裂纹在压痕旁边不同形式的走向说明了非工作方向性能与常规性能的差异。

目前国际上对于非工作方向性能也开始给予显著的关注。仪器化检测技术也不断准备纳入各种标准中推广应用。在复合材料领域中用于研究复合材料的结合能力检验方面做的工作比较多，但是还没有形成***的研究规模，因此也没有相应的结果和试验方法、设备问世。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够方便地检测中厚板非工作方向性能的方法及检测装置。

解决上述技术问题的技术方案是：

一种检测中厚板非工作方向性能的方法，它采用以下步骤进行：

(1).在中厚板上截取垂直于表面方向的矩形试样；

(2).将矩形试样放入剪切试验装置中夹紧，固定在剪切工作台上，矩形试样的非工作方向垂直于准剪切方向；

(3).启动剪切装置，剪切刃具从垂直于矩形试样非工作方向将矩形试样剪切并切断；

(4).测定并记录剪切力数据，计算出剪切抗力，即剪切强度。

上述检测中厚板非工作方向性能的方法，所述剪切抗力的计算公式为： ${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xy}}=\frac{P}{S}=\frac{P}{\mathrm{ab}}.$ 式中，σ_xy—剪切强度，单位为MPa；P—剪切分离试样所用载荷，单位为N；S—试样承受载荷的面积，单位为mm²；a—试样厚度，单位为mm；b—试样宽度，单位为mm。

一种上述检测中厚板非工作方向性能的方法所使用的检测装置，它由定剪切座和动剪切板组成，定剪切座固定在剪切装置的工作台上，动剪切板安装在剪切装置的移动剪切夹具中，定剪切座的中部有水平方向的试样插孔，试样插孔的宽度和高度与矩形试样的截面相对应，试样插孔的一端连接垂直的剪切板滑动槽，剪切板滑动槽与动剪切板相匹配，在试样插孔的上方连通有压紧试样用的压紧螺栓。

本发明另一种检测中厚板非工作方向性能的方法，它采用以下步骤进行：

(1).在中厚板上截取垂直于表面方向的矩形试样；

(2).将矩形试样放入锥锻试验装置中，固定在工作台上，矩形试样的非工作方向面(板材侧面)与锥锻试验的圆锥体压模相对；

(3).启动锥锻装置，使圆锥体压模压入矩形试样的非工作方向面；

(4).测量施加的载荷和压入深度，并与试样侧面出现裂纹的应力对应；

(5).以开始出现裂纹对应的载荷N与压痕表面积mm²的比值，定量评价试验结果。

上述检测中厚板非工作方向性能的方法所使用的检测装置，它由压力台架和压力模具组成，压力台架包括台架、压力手柄、压力检测及显示装置、压力模具夹头、工作台，它的改进之处是，压力模具为圆锥体压模，圆锥体压模工作端的圆锥角θ为30°—120°。

本发明提供的试验装置很容易地用现有的材料试验机或者其它能够测定加载参数的各种装置上实现检测中厚板和其它复合材料非工作方向性能。

本发明所述的检测中厚板非工作方向性能的方法是在中厚板的表面平行方向进行纯剪切，以及利用一定锥度的圆锥体压入中厚板的非工作方向面，以此分析中厚板等材料在非工作方向的性能，经过这些试验可以得到：材料的变形规律、变形速度、变形程度、模具参数之间的对应关系，进一步归纳提高到常规力学性能和非工作方向性能之间的关系，从而建立检测中厚板非工作方向性能的方法和规范，完善材料评价体系，充分发挥材料性能潜力。本发明开辟了检测中厚板材质的新方法，可以定量评价中厚板在非工作方向的性能，所使用的检测模具简单实用，便于推广使用。

附图说明

图1是本发明的剪切试验使用的检测中厚板非工作方向性能的装置结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是本发明的锥锻试验使用的检测中厚板非工作方向性能的装置示意图；

图4是本发明的锥锻试验使用的圆锥体压模示意图。

图中标记如下：压紧螺栓1、试样压紧板2、试样插孔3、矩形试样4、定剪切座5、动剪切板6、动剪切板滑槽7、圆锥体压模8

具体实施方式

本发明的核心技术是采用剪切试验方法，检测中厚板的厚度方向性能或者非工作方向性能。中厚板在弯曲成型或者加工过程中由于厚度方向性能不佳，产生分层或者开裂，其主要原因是厚度方向上层与层之间结合不够强，在弯曲过程中受剪切力造成失效，针对这样的失效形式必须确定中厚板厚度方向上抗剪切能力。

本发明从厚度大于5毫米的中厚板上截取垂直于钢板表面方向的矩形试样，将试样夹持在定剪切座的试样插孔中，以剪切位置的要求夹紧试样，将动剪切板放入定剪切座的动剪切板滑槽内，采用万能材料试验机，施加载荷。试验过程中精确测量施加的载荷，用试样的截面积除以载荷得到剪切强度。

更换矩形试样，在矩形试样的不同部位进行剪切，测定并记录剪切力数据，数据分别说明中厚板沿厚度方向的抗剪切能力差异；还可更换不同厚度的矩形试样，按照上述方法进行剪切，测定并记录剪切力数据；以便在将来标准化检验时作为确定试样厚度的依据；对每一个试样和每一次剪切计算出剪切抗力，即剪切强度。

在中厚板上截取试样时，轧制方向是X方向，厚度方向是Z方向。试样的尺寸、厚度a和宽度b是剪切试验中的主要参数。一般情况下我们把试样的宽度b固定，变化试样的厚度a，通过测定，然后计算出剪切抗力和厚度之间关系。如果剪切分离试样所用载荷是P，则试样承受载荷的面积S，由此得到试样剪切强度 ${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xy}}=\frac{P}{S}=\frac{P}{\mathrm{ab}},$ 这个指标可以用来判定或者评价中厚板在Z方向性能的差异。式中，σ_xy—剪切强度，单位为MPa；P—剪切分离试样所用载荷，单位为N；S—试样承受载荷的面积，单位为mm²；a—试样厚度，单位为mm；b—试样宽度，单位为mm。

本发明采用两种检测中厚板非工作方向性能的装置，和两组模具检测材料的非工作方向性能。

第一种检测中厚板非工作方向性能的装置可称剪切试验装置，所采用的剪切模具由定剪切座5和动剪切板6组成。定剪切座5中部有放置矩形试样4的水平方向的试样插孔3，试样插孔3内放置矩形试样4之后由上方的压紧螺栓1和试样压紧板2夹紧，以便动剪切板6剪切。矩形试样4被剪切的位置可以由矩形试样4伸出的长度决定。定剪切座5有垂直方向的动剪切板滑槽7，能够使动剪切板6沿垂直方向在其内发生滑动运动。矩形试样4在定剪切座5上固定牢固之后，将动剪切板6沿滑槽压入，剪切并切断试样，测定剪切力，计算出剪切抗力，或叫做剪切强度。剪切装置可以用万能材料试验机进行剪切试验，也可以采用其它准确测定施加载荷的装置。

第二种检测中厚板非工作方向性能的装置可称锥锻试验装置，采用的是圆锥体压模8。试验时用具有圆锥角θ的圆锥体压模8压入中厚板的非工作方向面，测量施加的载荷和压入深度，并与试样面出现裂纹的应力对应，定量评价试验产生裂纹的载荷和相关数据。(由圆锥体的顶角θ以及压头压入深度得到压痕表面积)。以开始出现裂纹对应的载荷N与压痕表面积mm²的比值，定量评价试验结果；

圆锥体压模8可以方便地接在万能材料试验机的压缩部分的卡座内，也可以采用其它能够准确测定施加载荷的装置。

Claims (5)

1.一种检测中厚板非工作方向性能的方法，其特征在于，它采用以下步骤进行：

(1).在中厚板上截取垂直于表面方向的矩形试样；

(2).将矩形试样放入剪切试验装置中夹紧，固定在剪切工作台上，矩形试样的非工作方句垂直于准剪切方向；

(3).启动剪切装置，剪切刃具从垂直于矩形试样非工作方向将矩形试样剪切并切断；

(4).测定并记录剪切力数据，计算出剪切强度。

2.根据权利要求1所述的检测中厚板非工作方向性能的方法，其特征在于，所述剪切强度的计算公式为： ${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xy}}=\frac{P}{S}=\frac{P}{\mathrm{ab}},$ 式中，σ_xy—剪切强度，单位为MPa；P—剪切分离试样所用载荷，单位为N；S—试样承受载荷的面积，单位为mm²；a—试样厚度，单位为mm；b—试样宽度，单位为mm。

3.一种如权利要求1或2所述检测方法所使用的检测中厚板非工作方向性能的装置，其特征在于，它由定剪切座[5]和动剪切板[6]组成，定剪切座[5]固定在剪切装置的工作台上，动剪切板[6]安装在剪切装置的移动剪切夹具中，定剪切座[5]的中部有水平方向的试样插孔[3]，试样插孔[3]的宽度和高度与矩形试样[4]的截面相对应，试样插孔[3]的一端连接垂直的剪切板滑动槽[7]，剪切板滑动槽[7]与动剪切板[6]相匹配，在试样插孔[4]的上方连通有压紧螺栓[1]。

4.一种检测中厚板非工作方向性能的方法，其特征在于，它采用以下步骤进行：

(1).在中厚板上截取垂直于表面方向的矩形试样；

(2).将矩形试样放入锥锻试验装置中，固定在工作台上，矩形试样的非工作方向面与锥锻试验的圆锥体压模相对；

(3).启动锥锻装置，使圆锥体压模压入矩形试样的非工作方向面；

(4).测量施加的载荷和压入深度，并与试样侧面出现裂纹的应力对应；

(5).以开始出现裂纹对应的载荷N与压痕表面积mm²的比值，定量评价试验结果。

5.一种如权利要求4所述检测方法所使用的检测中厚板非工作方向性能的装置，其特征在于，它由压力台架和压力模具组成，压力台架包括台架、压力手柄、压力检测及显示装置、压力模具夹头、工作台，其特征在于，压力模具为圆锥体压模[8]，圆锥体压模[8]工作端的圆锥角θ为30°—120°。

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