一种高强度金属板材的剪切试验装置及试验方法与流程

本发明涉及高强度金属板材成型技术领域，具体而言，涉及一种高强度金属板材的剪切试验装置及试验方法。

背景技术：

近年来，随着高强度金属材料成型技术的发展，高强度金属板材(如高强度钢板和钛合金板等)在工业制造中得到越来越广泛的应用。金属板材在成型过程中会经历连续变化的塑性大变形，这种不断变化的应力路径使金属微观结构发生很大的改变，进而影响金属板材的力学性能，特别是对后续冲压成型等加工的质量有较大影响。因此，研究金属板材在变化的应变路径下的力学行为在工程实际应用中改进成型工艺、提升成型质量具有重要意义。

简单剪切试验可用于测试金属板材的塑性力学性能，特别是对于正反向加载，相比拉伸压缩试验，正反向简单剪切能保证金属板材产生较大塑性变形而不发生塑性失稳，并能保持厚度尺寸不发生明显改变。

目前简单剪切试验装置主要通过夹紧板材左右区域并作相对剪切运动来使中间区域产生简单剪切变形。对于高强度或者较厚的金属板材，在剪切变形过程中可能因为夹紧力不够而出现金属板材试样滑移和偏转等情况，而一味增大夹紧力不仅会增加金属板材试样安装与拆卸难度，还可能导致变形区域边缘厚度方向变形甚至提前断裂，最终影响对金属板材简单剪切加载下力学性能的准确表征。而且，现有的剪切试验装置不能够灵活地调节剪切宽度，无法适用于不同宽度的金属板材试样。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种高强度金属板材的剪切试验装置及试验方法，以至少解决现有的高强度金属板材剪切试验装置在剪切过程中金属板材试样容易出现滑移和偏转，导致试验可靠性和试验结果准确性不高的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种高强度金属板材的剪切试验装置，该剪切试验装置包括：

上模板，上模板上设有第一凹槽，上模板的一端连接有上模柄；

下模板，下模板上设有第二凹槽，下模板的一端连接有下模柄，上模板和下模板可拆卸地拼接在一起，第一凹槽和第二凹槽拼合形成用于放置高强度金属板材试样的试样放置槽；

压块组件，设于试样放置槽内，并与上模板和下模板可拆卸地连接，以将试样的两边分别压紧固定在第一凹槽内和第二凹槽内；

上模板的侧面开设有第一限位螺孔，第一限位螺孔内穿设有用于对试样的一侧进行限位的第一限位螺钉，下模板的侧面开设有第二限位螺孔，第二限位螺孔内穿设有用于对试样的另一侧进行限位的第二限位螺钉。

进一步地，第一凹槽的底面上开设有与第一限位螺孔相连通的第一半圆形凹槽，第二凹槽的底面上开设有与第二限位螺孔相连通的第二半圆形凹槽，压块组件的底面开设有分别与第一半圆形凹槽和第二半圆形凹槽相匹配的第三半圆形凹槽。

进一步地，上模板和下模板均呈l型，上模板和下模板拼接形成矩形，上模板包括相互连接的第一连接臂和第一试样固定臂，上模柄连接在第一连接臂上，下模板包括相互连接的第二连接臂和第二试样固定臂，下模柄连接在第二连接臂上，第一试样固定臂与第二连接臂之间以及第二试样固定臂与第一连接臂之间均通过导柱可拆卸地连接。

进一步地，第一连接臂上开设有用于穿设导柱的第一调节通孔和用于连接上模柄的第一连接通孔，第二连接臂上开设有用于穿设导柱的第二调节通孔和用于连接下模柄的第二连接通孔，第一调节通孔、第一连接通孔、第二调节通孔和第二连接通孔均为腰型孔。

进一步地，第一调节通孔和第一连接通孔均沿第一连接臂的长度方向延伸，第二调节通孔和第二连接通孔均沿第二连接臂的长度方向延伸，上模柄通过穿设于第一连接通孔内的螺栓与第一连接臂相连接，下模柄通过穿设于第二连接通孔内的螺栓与第二连接臂相连接。

进一步地，第一连接臂和第二连接臂的上下两面均开设有一横向凹槽，上模柄和下模柄的模柄压板上均设有与横向凹槽相匹配的凸条。

进一步地，压块组件包括外压块和内压块，外压块包括两块并排设置的第一外压块和第二外压块，第一外压块与第一凹槽的底面可拆卸地连接，第二外压块与第二凹槽的底面可拆卸地连接，第一外压块和第二外压块的下部均具有凹槽，凹槽和试样放置槽的底面之间形成用于容纳内压块和试样的容纳空间，内压块置于试样的上方，内压块包括第一内压块和第二内压块，第一内压块与第一外压块可拆卸地连接，第二内压块与第二外压块可拆卸地连接。

进一步地，第一内压块的两端和第二内压块的两端均开设有无螺纹通孔，外压块上设置有约束螺钉，约束螺钉穿过无螺纹通孔与第一凹槽或第二凹槽的底面连接，第一内压块和第二内压块能沿约束螺钉上下移动；第一内压块上和第二内压块上均设有多个沉孔，第一外压块和第二外压块上穿设有与沉孔相匹配的压紧螺钉。

进一步地，第一凹槽和第二凹槽的底面均设有网状纹路凸起，第一内压块和第二内压块的底面均设有防滑齿纹。

根据本发明的另一方面，提供了一种高强度金属板材的剪切试验方法，采用上述的剪切试验装置对试样进行剪切试验，该剪切试验方法包括以下步骤：

步骤s1：根据试样的宽度调节导柱在第一调节通孔内和第二调节通孔内的位置，并且调节上模柄相对于上模板的位置和下模柄相对于下模板的位置；

步骤s2：将试样卡放在试样放置槽内，保证试样的长度方向中心线与上模柄、下模柄的轴线一致，使试样的受剪切区域与上模板和下模板之间的间隙对齐；调整第一限位螺钉和第二限位螺钉，使第一限位螺钉和第二限位螺钉的端面分别与试样的左右侧沿接触；

步骤s3：通过压块组件将试样的两侧分别压紧固定在第一凹槽内和第二凹槽内；

步骤s4：将下模柄固定在力学试验机的下夹头中，将上模柄装夹在力学试验机的上夹头中，通过试验机驱动夹头带动上模板向上或向下移动，实现对试样的剪切。

应用本发明的技术方案，试验时将上模板和下模板拼接在一起，连接好上模柄和下模柄，将试样放置在试样放置槽内，通过压块组件将试样压紧，通过第一限位螺钉和第二限位螺钉分别从试样的两侧对试样进行横向约束，限制试验过程中试样的横向移动，保证了剪切过程中试样不会受到侧向力作用而产生滑移，提高了试样剪切试验的可靠性和试验结果的准确性。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例的剪切试验装置的主视图。

图2为沿图1中a-a面的剖视图。

图3为本发明实施例的剪切试验装置中压块组件与上模板、下模板分开时的结构示意图。

图4为本发明实施例的剪切试验装置中上模板的结构示意图。

图5为本发明实施例的剪切试验装置中上模柄或下模柄中的模柄压板的结构示意图。

图6为本发明实施例的剪切试验装置中第一内压块或第二内压块的结构示意图。

图7为本发明的剪切试验装置所采用的h形试样的结构示意图。

图8为本发明的剪切试验装置所采用的h形试样剪切变形后的照片。

图9为铝合金试样的剪切应力-应变曲线。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、上模板；2、下模板；3、压块组件；4、导柱；5、横向凹槽；6、凸条；7、无螺纹通孔；8、约束螺钉；9、沉孔；10、压紧螺钉；11、第一凹槽；12、上模柄；13、第一限位螺孔；14、第一连接臂；15、第一试样固定臂；16、第一限位螺钉；21、第二凹槽；22、下模柄；23、第二限位螺孔；24、第二连接臂；25、第二试样固定臂；26、第二限位螺钉；31、外压块；32、内压块；33、第三半圆形凹槽；100、试样；101、网状纹路凸起；102、防滑齿纹；103、螺纹孔；111、第一半圆形凹槽；141、第一调节通孔；142、第一连接通孔；311、第一外压块；312、第二外压块；321、第一内压块；322、第二内压块。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而仅仅是为了便于对相应零部件进行区别。同样，“一个”或者“一”等类似词语不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于直接的连接，而是可以通过其他中间连接件间接的连接。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。

参见图1至图6，一种本发明实施例的高强度金属板材的剪切试验装置，该剪切试验装置主要包括上模板1、下模板2和压块组件3。其中，在上模板1上设置有一个第一凹槽11，在上模板1的一端连接有上模柄12；在下模板2上设置有一个第二凹槽21，在下模板2的一端连接有下模柄22；上模板1和下模板2可拆卸地拼接在一起，并将第一凹槽11和第二凹槽21拼合形成用于放置高强度金属板材试样100的试样放置槽；压块组件3设置在该试样放置槽内，并且与上模板1和下模板2可拆卸地连接，用于将试样100的两边分别压紧固定在第一凹槽11内和第二凹槽21内；在上模板1的侧面上还开设有第一限位螺孔13，该第一限位螺孔13内穿设有用于对试样100的一侧进行限位的第一限位螺钉16，在下模板2的侧面上还开设有第二限位螺孔23，该第二限位螺孔23内穿设有用于对试样100的另一侧进行限位的第二限位螺钉26。

上述的高强度金属板材的剪切试验装置，试验时将上模板1和下模板2拼接在一起，连接好上模柄12和下模柄22，将试样100放置在试样放置槽内，通过压块组件3将试样压紧，通过第一限位螺钉16和第二限位螺钉26分别从试样100的两侧对试样100进行横向约束，限制试验过程中试样100的横向移动，保证了剪切过程中试样100不会受到侧向力作用二产生滑移，提高了试样100剪切试验的可靠性和试验结果的准确性。

具体来说，在本实施例中，在第一凹槽11的底面上开设有与第一限位螺孔13相连通的第一半圆形凹槽111，在第二凹槽21的底面上开设有与第二限位螺孔23相连通的第二半圆形凹槽(图中未示出)，在压块组件3的底面两侧开设有分别与第一半圆形凹槽111和第二半圆形凹槽相匹配的第三半圆形凹槽33。如此设置，可使第一限位螺钉16穿过第一限位螺孔13以及由第一半圆形凹槽111和第三半圆形凹槽33所组成的通道与试样100的一侧相接触，对试样100的一侧进行限位；使第二限位螺钉26穿过第二限位螺孔23以及由第二半圆形凹槽和第三半圆形凹槽33所组成的通道与试样100的另一侧相接触，对试样100的另一侧进行限位。并且，可以使第一限位螺钉16和第二限位螺钉26正对着试样100的侧面。

进一步地，在本实施例中，在上模板1的侧面上开设有两个第一限位螺孔13，在下模板2的侧面上开设有两个第二限位螺孔23。剪切试验时，从试样100的两侧分别通过两颗第一限位螺钉16和第二限位螺钉26对试样100进行限位，进一步确保试样100不会受到侧向力作用而产生滑移。

具体地，在本实施例中，上模板1和下模板2均呈l型，上模板1和下模板2拼接形成矩形；上模板1包括相互连接的(一体的)第一连接臂14和第一试样固定臂15，上模柄12连接在该第一连接臂14上；下模板2包括相互连接的(一体的)第二连接臂24和第二试样固定臂25，下模柄22连接在该第二连接臂24上；上模板1和下模板2拼接时，该第一试样固定臂15与第二连接臂24之间以及第二试样固定臂25与第一连接臂14之间均通过导柱4可拆卸地连接。如此设置，在进行剪切试验时，将上模板1和下模板2拼接，将试样100压紧固定在试样放置槽内，将上模柄12和下模柄22分别与第一连接臂14和第二连接臂24连接好，再将上模柄12固定在力学试验机的上夹头中，将下模柄22固定在力学试验机的下夹头中，通过上夹头的上下移动，带动上模板1上下运动，即可对试样100进行剪切试验。该上模板1和下模板2结构简单、使用方便。

具体地，在本实施例中，在第一连接臂14上开设有用于穿设导柱4的第一调节通孔141和用于连接上模柄12的第一连接通孔142，在第二连接臂24上开设有用于穿设导柱4的第二调节通孔(图中未示出)和用于连接下模柄22的第二连接通孔(图中未示出)。在第一试样固定臂15和第二试样固定臂25的端部分别设置有一个螺纹孔103，导柱4通过螺纹连接在插设在该螺纹孔103中。当上模板1和下模板2拼接时，将第一试样固定臂15端部的导柱4穿设在第二连接臂24上的第二调节通孔中，将第二试样固定臂25端部的导柱4穿设在第一连接臂14上的第一调节通孔141中，即可将上模板1和下模板2可拆卸地拼接在一起。剪切试验时，随着上模板1的上下运动，导柱4可在第一调节通孔141、第二调节通孔中沿轴向滑动。上模柄12的模柄压板通过穿设于第一连接通孔142内的螺栓与第一连接臂14相连接，下模柄22的模柄压板通过穿设于第二连接通孔内的螺栓与第二连接臂24相连接。

在剪切试验中，不同的试样100的宽度可能不相同，为了提高该剪切试验装置的适用范围，在本实施例中，第一调节通孔141、第一连接通孔142、第二调节通孔和第二连接通孔均为腰型孔。如此设置，通过将导柱4在第一调节通孔141、第二调节通孔内移动一定位置，上模柄12、下模柄22同时反向移动相同距离，可使两个模板之间的间距增加，使受剪切区域增大，同时能够保持结构的对称性，如此即可对试样放置槽的宽度进行调节，可调剪切区域的宽度，以适应不同宽度试样100的试验要求。并且，通过将上模柄12与第一连接臂14、下模柄22与第二连接臂24之间相连接的螺栓在第一连接通孔142、第二连接通孔内移动一定距离，可调节上模柄12和下模柄22的位置，使得上模柄12、下模柄22以及上模板1与下模板2中间的缝隙处于轴心共线位置，使试样100的中心线与上模柄12、下模柄22的轴线重合，提高试验结果的准确性。

具体地，在本实施例中，第一调节通孔141和第一连接通孔142均沿第一连接臂14的长度方向延伸，第二调节通孔和第二连接通孔均沿第二连接臂24的长度方向延伸。并且，在第一连接臂14和第二连接臂24上均设置有刻度，方便对试样放置槽的宽度进行调节，从而方便调节该剪切试验装置剪切区域的宽度。

在本实施例中，在第一连接臂14和第二连接臂24的上下两面均开设有一条横向凹槽5，在上模柄12和下模柄22的模柄压板上均设置有与该横向凹槽5相匹配的凸条6。如此设置，在将上模柄12连接在上模板1上，将下模柄22连接在下模板2上时，将模柄压板上的凸条6嵌设在相应的横向凹槽5内，可以提高剪切试验时上模柄12、下模柄22分别与上模板1、下模板2之间的连接稳定性。

具体来说，在本实施例中，压块组件3包括外压块31和内压块32。其中，外压块31包括两块并排设置的第一外压块311和第二外压块312，该第一外压块311与第一凹槽11的底面可拆卸地连接，第二外压块312与第二凹槽21的底面可拆卸地连接；第一外压块311和第二外压块312的下部均具有凹槽，该凹槽和试样放置槽的底面之间形成用于容纳内压块32和试样100的容纳空间；内压块32置于试样100的上方，该内压块32包括第一内压块321和第二内压块322，该第一内压块321与第一外压块311可拆卸地连接，第二内压块322与第二外压块312可拆卸地连接。如此设置，在安装试样100时，先将试样100放置在试样放置槽内，将第一外压块311和第二外压块312盖在试样100的上方和两侧，使试样100位于容纳空间内，然后通过第一内压块321和第二内压块322分别对试样100的两边进行压紧固定。

进一步地，在本实施例中，在第一内压块321的两端和第二内压块322的两端均开设有一个无螺纹通孔7，在第一外压块311和第二外压块312上均穿设有两个约束螺钉8，在第一凹槽11、第二凹槽21的底面上(剪切区域的外围)均设置有与约束螺钉8相对应的螺纹孔，约束螺钉8穿过无螺纹通孔7与第一凹槽11或第二凹槽21底面上的螺纹孔连接；第一内压块321和第二内压块322能沿约束螺钉8上下移动；在第一内压块321上和第二内压块322上均设置有多个沉孔9，在第一外压块311和第二外压块312上均穿设有与该沉孔9相匹配的压紧螺钉10。压紧螺钉10插入沉孔9内与第一内压块321、第二内压块322相连接。通过向下拧紧压紧螺钉10，可使第一内压块321、第二内压块322向下移动，从而对试样100的两边进行压紧固定。通过改变第一内压块321、第二内压块322的厚度，可测试不同厚度试样100的剪切力学性能，厚度小的内压块32可以用于较厚试样100的剪切测试，以适应不同试样100的试验需求。

为了进一步防止剪切试验时试样100发生滑动，在本实施例中，在第一凹槽11和第二凹槽21的底面上均设置有网状纹路凸起101，在第一内压块321和第二内压块322的底面上均设置有防滑齿纹102。通过第一凹槽11、第二凹槽21底面的网状纹路凸起101以及第一内压块321、第二内压块322底面的防滑齿纹102分别提高对试样100上下两面的摩擦力，进一步防止试样100在剪切试验过程中发生滑动，提高试验结果的准确性。

需要说明的是，作为优选，本发明的剪切试验装置采用“h”形金属板材作为试样100，如图7和图8所示。采用这种试样100可以增大试样100受压区域的面积，能更有效地压紧金属板材试样100。相对小的剪切区域需要较小的压紧力，本发明采用“h”形试样100，能有效降低金属板材试样100更换时的拆装难度，并且可使试样100的法向约束更加可靠，减小试样100滑移的可能性。

该剪切试验装置的使用方法如下：

步骤s1：根据待测金属板材试样100的宽度，调节导柱4在第一调节通孔141内和第二调节通孔内的位置，并且调节上模柄12相对于上模板1的位置和下模柄22相对于下模板2的位置，以使试样放置槽具有合适的宽度；固定好上模柄12和下模柄22；

步骤s2：将试样100卡放在试样放置槽内，保证试样100的长度方向中心线与上模柄12、下模柄22的轴线一致，使试样100的受剪切区域与上模板1和下模板2之间的间隙对齐；调整第一限位螺钉16和第二限位螺钉26，使第一限位螺钉16和第二限位螺钉26的端面分别与试样100的左右侧沿接触；

步骤s3：将第一外压块311和第二外压块312盖在试样100的上方和两侧，使试样100位于容纳空间内，通过螺钉将第一外压块311和第二外压块312分别固定在第一凹槽11和第二凹槽21的底面上(位于剪切区域的外围)；然后将约束螺钉8穿过第一内压块321、第二内压块322两端的无螺纹通孔7后固定在第一凹槽11、第二凹槽21的底面上，对第一内压块321、第二内压块322进行约束；再拧紧压紧螺钉10，通过压紧螺钉10在沉孔9位置下压第一内压块321、第二内压块322，通过第一内压块321、第二内压块322分别对试样100的两边进行压紧固定；

步骤s4：将下模柄22固定在力学试验机的下夹头中，将上模柄12装夹在力学试验机的上夹头中，通过试验机驱动夹头带动上模板1向上或向下移动，即可实现对试样100的剪切；力学试验机的数据采集系统记录上夹头的位移和力传感器的检测数据，得到试样100的剪切力学性能。

进一步地，步骤s1之后、步骤s2之前，还可以采用喷漆法或其他方法制作待测金属板材试样100受剪切区域黑白散斑，以用于在试验过程中采用数字图像相关法(dic)测量试样100的变形。如此，在力学试验机进行数据采集时，可以同时采用高分辨率摄像机记录试样100变形区域表面的散斑位移，以用于分析试验后变形区域的应变分布历程。

采用本发明的剪切试验装置，开展4种型号分别为2a21-t4、5052-h32、6061-t6、7075-t651的铝合金板材简单剪切力学性能试验；试样100的厚度为2mm，其剪切区域长20mm、宽4mm；采用美国美斯特工业系统有限公司生产的型号为mts322的材料力学试验系统，加载速率为1mm/min；试验过程中试样100没有出现滑动，试样100剪切变形后的照片如图8所示；最终有效获取了上述铝合金板材试样100的剪切应力-应变曲线，如图9所示。

剪切应力由以下公式计算：

其中，f为试验机载荷；l为受剪切区域长度；t为板材厚度；σ为剪切应力。

剪切应变由以下公式计算：

其中，δl为上模板位移；b为金属板材试样100受剪切区域宽度；ε为剪切应变。

总体而言，本发明的高强度金属板材的剪切试验装置及试验方法，能够有效地限制试样100在剪切试验过程中的面内移动，避免试样100发生滑移和转动；能够灵活地调节剪切宽度、适应不同宽度和厚度的金属板材试样100的剪切试验；该剪切试验装置结构简单、易于操作、可靠性高，适用于多种高强度金属板材的剪切力学性能测试要求，试验结果准确性高。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。