汽车用薄钢板第4部分：双向拉伸试验十字形拉伸试样方法-编制说明

PAGE9PAGE一、工作简况1.任务来源根据中国材料与试验团体标准委员会［2021］202号文件“关于CSTM标准《汽车用薄钢板第4部分：双向拉伸试验十字形拉伸试样方法》的立项公告”所下达的中国材料与试验团体标准修订计划，《汽车用薄钢板第4部分：双向拉伸试验十字形拉伸试样方法》标准列入中国材料与试验团体标准修订计划，计划编号为CSTMLX990000793—2021。该标准由鞍钢股份有限公司牵头，北京航天航空大学、大连理工大学、中汽研（天津）汽车工程研究院有限公司、中关村材料试验技术联盟、钢研纳克检测技术股份有限公司、武汉钢铁有限公司、上海大学、奇瑞汽车股份有限公司、中国第一汽车集团有限公司、泛亚汽车技术中心有限公司、中汽研汽车检验中心（天津）有限公司等单位起草。计划于2021年完成审定，本标准由中国材料与试验团体标准委员会CSTM/FC99综合标准领域委员会归口。标准起草过程2020年1月调研收集国内外双向拉试验技术试样设计、加工和试验设备等相关标准、文献、技术资料。2020年2月-4月针对汽车薄板十字形拉伸试样进行设计，对GBT36024-2018中推荐的试样进行仿真模拟，查看应力应变集中区，验证标准中推荐试样的可行性。2020年4月-5月按照GBT36024-2018中推荐的试样进行实际的验证试验，通过试验发现中间变形比较小，为增加中间关注区域的变形量，设计中间减薄试样。2020年6-7月对中间减薄的十字拉伸形试样以DP980为材料数据进行仿真分析，观察中心区域的变形量及受力均匀程度验证减薄试样的可行性。2020年8-11月采用DP980材料对中间减薄试样进行试验，验证仿真结果的正确性，得到了很好的试验结果，但通过试验发现壁上开槽经常断在壁上，加工试样在开槽的端口处容易产生缺陷。2020年12月-2021年3月起草小组针对经常断在开槽处和开槽加工精度等问题，设计了两款试样，并对这两款试样进行仿真模拟。2021年3-8月，完成新设计的两款试样的实际试验验证工作，证明试样设计的有效性。2021年8月，中国材料与试验团体标准委员会综合标准领域委员会综合标准领域委员会召了《汽车薄板双向拉伸试验十字形拉伸试样》团体标准立项审查会，将该标准纳入汽车用薄板系列试验方法标准，题目修改成《汽车用薄钢板第4部分：双向拉伸试验十字形拉伸试样方法》。2021年9月收到中国材料与试验团体标准委员会下发的《关于CSTM标准《汽车用薄钢板第4部分：双向拉伸试验十字形拉伸试样方法》的立项公告》(材试标字[2021]202号)。2021年9月组建标准起草工作组，选定标准GBT36024-2018中1-6部分针对试样设计等内容重新起草编制本标准草案稿。2022年2月，由中国材料与试验团体标准委员会秘书处将项目建议书、标准以及编制说明发送到中国材料与试验团体标准委员会委员及有代表性的标准相关方。4.主要起草人及其所承担的工作简要说明李萧彤、刘仁东：项目总负责，负责标准起草、制定验证试验计划。苏洪英、吕冬：双轴拉伸验证试验。陈杨凯、郎利辉、常颖：双轴拉伸试样设计。吕冬、芦延鹏、曹政：双轴拉伸试样加工梁笑、徐鑫、郝志强、李春林、陆晓锋、丁庶炜：数据分析及仿真模拟。林利、王姝、孟宪明、王丽敏、王蓬、张南、张赛、王存宇、沈克、高怡斐、史文、李军、宋伟佳、王彩梅、祝铁柱、张松闯、张仲荣：项目协调与沟通二、标准化对象简要情况及制修订标准的原则1、标准化对象简要情况汽车用冷轧板材通常具有明显的各向异性，而在板材的成形过程中通常承受的都是复杂载荷，依靠单向拉伸试验得到的材料应力应变曲线无法完全表征材料承受复杂载荷的实际情况，导致板料成形模拟的准确度有限。因此采用双轴拉伸试验十字形试样研究不同加载路径下板料塑性屈服行为能更准确的反映板料成形实际情况。近年来，随着我国汽车、航空等行业的迅猛发展，对材料性能数据提出了更高的要求，特别是光学应变测量系统等先进技术的出现，使双轴应力状态下的应力应变关系的准确测量成为了可能，更好的服务于薄板成形数值模拟设计，全国钢标准化技术委员会结合我国在双轴拉伸试验技术的现状和研究成果于2018年发布了双向拉伸试验的国家标准GB/T36024-2018。长期以来，双轴拉伸试验十字形试件的设计都是双轴试验应用中一个难点，我国的相关的国家标准中推荐了试样形式比较单一，不能满足国内外多种双轴拉伸试验机的要求，因此，迫切需要在归纳与总结国内外双向拉伸试验技术的基础上制订满足多种试验设备要求的统一规范可行的双向拉伸十字形样件的团体标准供行业内使用，为上述发展迅猛的产业提供薄板成形数值模拟设计之用的试验数据，促进我国工业的进一步发展。制修订标准的原则本标准在修订过程中，遵循“面向市场、服务产业、自主制定、适时推出、及时修订、不断完善”的原则，注重标准修订与技术创新、试验验证、产业推进、应用推广相结合，本着先进性、科学性、合理性和可操作性以及标准的目标、统一性、协调性、适用性、一致性和规范性的原则来进行本标准的修订工作。本标准修改采用GBT36024-2018《金属材料薄板和薄带十字形试样双向拉伸试验方法》1-6部分，针对双向拉伸试验用十字形拉伸试样做了部分修改和增加。在起草过程中，主要按GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分：标准的结构和编写规则》要求编写。在确定本标准主要技术指标时，综合考虑生产企业的能力和用户的利益，寻求最大的经济、社会效益，充分体现了标准在技术上的先进性和合理性。三、采用国际标准和国外先进标准的程度及理由，以及与国际、国外同类标准水平对比情况，或与测试的国外样品的有关数据对比情况本标准修改采用GBT36024-2018《金属材料薄板和薄带十字形试样双向拉伸试验方法》1-6部分，针对双向拉伸试验用十字形拉伸试样做了部分修改和增加。本标准在结构和技术内容上一部分GBT36024-2018的1-6部分基本一致，在以下几方面进行了较大修改和补充：—删除了引言部分；—对1范围内容做了修改，仅保留十字形试样相关内容；—规范性引用文件删除了关于试样过程及方法等方面的引用；—符号与说明仅保留试样设计相关的说明，添加了一部分说明；—对国标中推荐的试样的局部减薄位置及比例进行更具体推荐；—增加了一种双向拉伸试验试样形状；—对原有双向拉伸试验试样进行优化；—对取样位置和试样加工做了补充说明。标准主要内容（包括牌号、成分、性能指标、型号、各种参数、公式、试验方法、检验规则等）确定的论据（包括试验、验证、统计数据等），修订标准时，应列有新旧标准的对比分析。无五、主要试验（或验证）结果的分析、综述报告、技术经济论证，预期的经济效果等。本团体标准起草小组成员长期从事汽车板材力学性能检验工作，德国Zwick-Z100双轴拉伸试验机为本标准的起草和试验提供了硬件支持，采用CATRA、ANSA、LS-DANY等仿真模拟软件进行模拟试验。双向拉伸试验用十字形试样设计主要有两个关键问题：一是要尽量减少两个方向拉伸载荷的相互影响，保证中心区两个主方向应力、应变的均匀性和一致性，提高试验数据的可靠性；二是由于十字形试样容易在两臂交接的尖角处产生应力集中，使此处过早破裂而使试验中断，造成中心区应变量小，应力-应变曲线不完整；三是尽量减少加工精度对试验结果的影响。本标准在修订过程中主要进行了四方面的工作：1、为了进一步验证国家标准GB/T36024-2018推荐试样的适用性，本标准起草小组设计了如下验证试验：解决问题一通常采用在十字臂上开均匀分布的缝隙（槽）来达到目的，按照GB/T36024-2018推荐试样绘制标准试样图正好符合要求，设计用于仿真模拟的试样按照国标中的试样要求如图1进行尺寸的具体设定，考虑德国Zwick-Z100双轴拉伸试验机设备的实际工况设计。图1国家标准中推荐的臂上开槽十字形拉伸试样具体尺寸参数：1、B=50mm，L=50mm，C=100mm，R=2mm，a=2mm2、狭缝宽度=0.3mm采用DP980钢种数据设置设置材料卡片，应变速率为0.05s-1，在X、Y轴方向施加应力比1:1进行双向拉伸试验仿真。仿真的试验效果如图2所示，可以观察到应力主要集中在四个臂上。(a)前期应力集中(b)中期应力集中(c)后期应力集中图2国标试样仿真图在德国Zwick-Z100双轴拉伸试验机设备上采用DP980钢种按照应变比1:1在常温下进行实际双向拉伸试验，加工的试样尺寸与仿真模拟设计一致，实际试验多个试样断在夹持臂上与仿真一致，分析原因主要由于臂上开槽设计对试样加工的精度要求比较高，导致开槽臂上的应力比中心有效区域更加集中。2、为关键解决问题二设计以国家标准GB/T36024-2018所推荐的基本尺寸和臂上开缝为基础，在中心区进行双边减薄的十字形试件以增加中心区的应变量，设计试样尺寸如图3所示：图3国家标准基础上中心减薄试样具体尺寸参数：1、B=50mm，L=50mm，C=100mm，R=2mm，a=2mm，a0=1mm,L0=20mm。2、狭缝宽度=0.3mm设置仿真模拟的参数和条件与不减薄的试样相同，试验的仿真结果如图4所示，可以看出试样应力集中在中心区域，验证试样减薄是可行的，但是减薄的边缘也存在应力集中，适当调整减薄范围能够优化应力集中效果，并且这种试样已经有很多研究机构和高校的试验中得到验证。图4国标推荐中间减薄试样仿真针对国标中推荐试样加工复杂和精度要求高的局限性，同时解决关键问题一要求设计对上文减薄试样进行了优化，加宽了槽的宽度，其他的设计尺寸也在规定的范围内进行了调整，并对改进后的试样进行受力分析，加宽的槽可以采用激光切割或线切割加工时减小教工精度对试样和试验结果的影响，试样设计及具体尺寸如图5所示。图5国标推荐中间减薄试样的改进仿真模拟设置的条件和材料与以上两种仿真模拟相同，对改进后减薄试样进行仿真模拟，观察中心位置的受力情况，绘制仿真模拟图如图6所示。图6单元格划分图7应力云图模拟材料参数：屈服强度为621MPa，抗拉强度997MPa。受力情况如图7所示，表1中列举了不同时间点中心区域的应力分布情况，应力单位均为Mpa，可以看出应力在该区域内，差别很小，尤其在中心线上差别几乎可以忽略。表1中心区域应力分布情况时间/s0.100.150.200.250.30最大应力/MPa410.9705.3843.9963.71058.0最小应力/MPa401.0696.1832.8949.51041.0差值/MPa9.99.211.114.217差值占比/%2.441.311.321.481.62针对中间减薄试样减薄加工的困难，设计了一款中心不减薄，加长壁上开槽的长度，使开槽的长度延长到夹具内部，减少开槽端口处缺陷对试样和试验的影响，具体的试样形状和尺寸如图8所示。图8开槽延长非减薄十字形拉伸试样本标准化起草小组对该试样进行了仿真模拟，模拟材料参数：屈服强度为628MPa，抗拉强度997MPa，对试样不同时间点中心区域的应力分布情况如表2所示，可以看出中心变形区域受力比较均匀。表2中心区域应力分布情况时间/s0.100.200.300.400.500.6最大应力/MPa75.3403.8547.0615.6665.5696.7最小应力/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开槽延长非减薄十字形拉伸试样的受力云图如图9所示，通过仿真模拟可得该试样是合理的，后面将用试验来验证试样设计的可行性。图9开槽延长非减薄十字形拉伸试验证设计试样的可行性，本标准起草小组对设计的试样根据实际双轴拉伸试验机的实际工况完成验证试验。依据GB/T36024《金属材料薄板和薄带十字形试样的双向拉伸测试方法》中关于试验方法的要求，双向拉伸试验主要的加载方式有两种，一种为力值比控制方式，另一种为应变速率比控制方式。鉴于目前国内某些双向拉伸试验机采用力值比和应变速率比控制两种方式实施困难，采用位移速率比控制居多，本工作组在德国Zwick公司生产的Z100双向拉伸试验机如图10上分别采用力值比、应变速率比、位移速率三种不同的控制方式进行试验。图10双向拉伸试验机对减薄试样验证试验，采用应变速率比控制，主控制方向拉伸速率为0.00001/s，中心区应变的初始测量区域为20mm×20mm，变形的应变值由非接触式视频引伸计测定，采用的加载比例分别为（轧制方向与横向的应变速率比）4:0、4:1、4:2、4:3、4:4、3:4、2:4、1:4、0:4，试验采集的数据为试件十字臂上的载荷和试件中心区的应变，按照GB/T36024《金属材料薄板和薄带十字形试样的双向拉伸测试方法》中附录A中屈服面的测量方法进行试验数据的处理，得到QP980钢的屈服轨迹如图11所示，通过实验结果可以看出减薄试样是可行、有效的。图11减薄试样应变速率比控制的QP980钢屈服轨迹对未减薄试样进行验证试验，分别采用应变速率比、力值比和位移速率比控制进行验证试验。应变速率比控制主控制方向拉伸速率为0.00001/s，中心区应变的初始测量区域为20mm×20mm，变形的应变值由非接触式视频引伸计测定，采用的加载比例分别为（轧制方向与横向的应变速率比）4:0、4:1、4:2、4:3、4:4、3:4、2:4、1:4、0:4，试验采集的数据为试件十字臂上的载荷和试件中心区的应变，得到的QP980钢的屈服轨迹如图12所示。图12未减薄试样应变速率比控制的QP980钢屈服轨迹力值比控制主控制方向拉伸速率为25N/s，中心区应变的初始测量区域为20mm×20mm，变形的应变值由非接触式视频引伸计测定，采用的加载比例分别为（轧制方向与横向的比例）4:0、4:1、4:2、4:3、4:4、3:4、2:4、1:4、0:4，试验采集的数据为试件十字臂上的载荷和试件中心区的应变。经过数据处理得到未减薄试样力值比控制的QP980钢屈服轨迹如图13所示。图13未减薄试样力值比控制的QP980钢屈服轨迹3）位移速率比控制主控制方向拉伸速率为0.005mm/s，中心区应变的初始测量区域为20mm×20mm，变形的应变值由非接触式视频引伸计测定，采用的加载比例分别为（轧制方向与横向的比例）4:0、4:1、4:2、4:3、4:4、3:4、2:4、1:4、0:4，试验采集的数据为试件十字臂上的载荷和试件中心区的应变，经过数据处理得到未减薄试样位移速率比控制的QP980钢屈服轨迹如图14所示。图14未减薄试样位移速率比控制的QP980钢屈服轨迹4）力值比、应变速率比、位移速率比三种控制方式屈服轨迹比较图15不同控制模式的屈服轨迹由图15可知，载荷比控制和应变速率比在不同变形阶段所得到的屈服轨迹吻合得很好，位移速率比稍差一些，特别是在大变形1%和2%时。8、QP980减薄与未减薄试样屈服轨迹比较图16QP980减薄与未减薄试样的屈服轨迹由图16可知，采用减薄试样和未减薄试样试验结果比较一致，证明了试样设计的可行性。结论：采用以国家标准GB/T36024-2018推荐的试样进行双向拉伸试验是有效的，通过德国Zwick-Z100双轴拉伸试验机进行实际验证结果一致，但由于试样加工的复杂性和精度有限造成试样很难断裂在中心位置，对试验机和加工要求比较高。2）避免由于加工复杂造成的试验试样失效问题，设计了一种中心减薄优化十字形试样和非减薄开槽延长十字形拉伸试样，可以适用于多种试验设备条件且机加精度要求相对放宽，并通过仿真模拟和Zwick-Z100双轴拉伸试验机进行实际验证了试样的有效性和可行性。六、与国家和行业有关的现行的方针、政策、法律、法规和强