薄规格双金属复合板剪切强度的测试方法_井玉安 - 副本.pdf
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1、热加工工艺2011年第40卷第12期下半月出版材料热处理技术Material&Heat Treatment双金属复合板是利用两种金属材料各自的性能优势,将其分层组合而形成的一类金属复合材料。双金属复合板可克服两种金属各自的缺点,以发挥两种金属的优点,使部件具有特殊的性能以适应各种恶劣的工况,达到延长部件使用寿命,创造良好综合经济效益的目的。衡量双金属复合板质量优劣的指标很多,常见的指标有抗剪强度、粘结强度、结合度和剥离强度等,这些指标都能有效地反映双金属复合板的界面结合质量。其中,抗剪强度指标由于最能说明金属复合板的界面结合强度高低,同时也便于测量,因此使用频次最高。目前,关于薄规格双金属复合
2、板抗剪强度的测试方法研究还不充分,从文献1-7可知,在薄规格金属复合板抗剪强度测试技术方面还很不完善,有必要找到一种准确测定复合板抗剪强度的方法,研制出一种能方便测试复合板抗剪强度的装置,以快速准确评价复合板的复合质量。本文参照GB/T6396-2008及ASTMA264-30,提出了一种双金属复合板抗剪强度测试法,制作了相应的测试装置,并测试了不锈钢/普碳钢复合板和连铸结晶器电镀镍层的抗剪强度,将其与实际生产数据进行了比较。1剪切测试模具设计1.1剪切测试原理图1为GB/T6396-2008中规定的复合钢板厚度大于10mm时以压剪方式测试剪切强度的示意图。可看出,基体材料在平行于界面的压力P
3、作用下向下运动,而覆层材料受到剪刃的阻挡,二者之间在界面处产生相互错动的剪切力。当剪切力超过界面的抗剪强度时,基体与覆层之间就会产生分离断裂现象,在此过程中记录试样所受最大压力,再除以基体与覆层之间的接触面积既可得到最大剪切应力,此最大剪切应力既为复合材料的抗剪强度。其计算公式为:=PA(1)式中:为抗剪强度(MPa);P为剪切切断负荷(N);A为试样剪切面面积,A=cb(mm2)。当复合板厚度比较薄(标准中规定小于10mm)时,在压力作用下,基体就会发生弯曲变形,影响测试薄规格双金属复合板剪切强度的测试方法井玉安1,董海雪1,孙本良1,张宏杰2(1.辽宁科技大学 材料与冶金学院,辽宁 鞍山1
4、14051;2.鞍钢附属企业公司,辽宁 鞍山114051)摘要:参照GB/T6396-2008和ASTM A 264设计了薄规格双金属复合板抗剪强度的测试方法及装置,并对薄规格双金属复合板的抗剪强度进行了测试,与现有商品板的抗剪强度进行了对比和分析。结果表明:提出的测试方法简单实用和实验装置操作方便,测量误差小,数据离散度小,精度高,能准确评价薄规格双金属复合板的结合强度,测试结果符合GB/T6396-2008要求。关键词:双金属复合板;抗剪强度;测试方法中图分类号:TH87文献标识码:A文章编号:1001-3814(2011)12-0103-04Test Methods for Shear
5、Strength of Thin Bi-metal SheetJING Yuan1,DONG Haixue1,SUN Benliang1,ZHANG Hongjie2(1.School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Liaoning,Anshan 114051,China;2.Subsidiary Company of Anshan Iron and Steel,Anshan 114051,China)Abstract:A test method and set-up for
6、the shear strength of thin bi-metal sheet was developed according toGB/T6396-2008 and ASTM A 264 standard.The shear strength of thin bi-metal sheet was measured by using the method andset-up,and was compared with existing data from the production.The results show that the set-up is characterized ass
7、implicity,utility,convenience,little error,less variation and excellent precision.The shear strength of the thin bi-metal sheetis well evaluated and meet the GB/T6396-2008 requirement in the light of the method.Key words:Bi-metal sheet;shear strength;test method收稿日期:2011-01-02作者简介:井玉安(1967-),男,辽宁锦州人
8、,教授,博士,主要研究方向为钢的控制轧制控制冷却及金属层状复合材料;电话:13898068412;E-mail:103Hot Working Technology2011,Vol.40,No.12材料热处理技术Material&Heat Treatment2011年6月精度,甚至完全测不出抗剪强度值,此时,需采用拉剪方式测试剪切强度,如图2所示。但图2所示的拉剪方式也只适合覆层相对较厚的情况,当覆层较薄时,很容易在覆层最薄弱的位置发生弯曲和断裂,影响测试精度,甚至使测试失败。同理,采用拉剪方式进行测试时也可按公式(1)计算复合板的抗剪强度。按图1所示压剪的方式进行测试,试样一端固定,另一端为自
9、由端,此时根据欧拉公式有:PCr=2EI(l)2(2)式中:PCr为临界屈曲载荷;E为材料的弹性模量(GPa);I为惯性矩,I=bh3/12;为长度系数,假设复合板受压端固定,另一端自由,则=2。根据上述公式,若要使试样被剪断时不发生屈曲,则应存在PCrP,亦即:EI(l)2A(3)代入相关参数并整理,可得到:b(48cl22E)1/3(4)根据GB/T6396-2008规定的剪切试样尺寸,假设c=3 mm、l=30 mm、E=200 GPa和=350 MPa,则根据公式(4)可计算出基体不发生屈曲的最小厚度为h=4.95mm。这对某些薄规格复合板来说,可能因基体受压发生屈曲现象而使得抗剪强度
10、无法测出。因此,对薄规格复合板来说,需要开发一种既准确又方便的测量装置,以便快速测量其抗剪强度。1.2剪切模具设计参考GB/T6396-2008的要求,如图2所示,根据剪切测试原理,设计出的模具如图3所示。该模具由冲头、压盖、紧固螺栓、上模、下模和底座等部件组成。其中,冲头、上模、下模必须采用W18Cr4V或Cr12等工具钢制作,需要淬火处理,处理后刃口硬度不低于60HRC,其余部件可以采用45钢制作。另外,模具加工时必须注意保证冲头与压盖同心,上模与下模同心;同时,冲头和压盖组装后与上模和下模的模口内壁之间应有一定间隙,间隙大小由复合板覆层厚度决定,复合板覆层厚度越小,间隙也越小,反之则适当
11、加大间隙。测试试样剪切强度时,先将试样对称地夹持在压盖和冲头之间,使用螺栓将冲头和压盖锁紧,然后放入下模的剪口中,再用上模压住,用螺栓锁紧,最后放在底座上,在冲头上方施加压力,直至试样在复合界面处被剪断为止。2剪切强度测试2.1试样制备图4为剪切试样的示意图和实物图。加工试样时,利用线切割设备从待测复合板原料上切取适当尺寸的试样,试样厚度H和长度L可根据试验机额定载荷确定,试样长度L不要大于下模剪刃的长度,但也不要太短,过短则剪切力减小,会造成测量误差相对增大,测量精度下降。因此,只要满足理论计算的最大剪切力不超过试验机额定载荷即可,一般取H=0.22mm,L=2030mm,宽度B为复合板本身
12、的厚度。试样切割好以后先用400#水砂纸将切割面的线切割痕迹磨掉,保证表面粗糙度Ra不大于1.6m,且图1 GB/T6396-2008中规定的复合钢板厚度大于10mm时以压剪方式测试剪切强度Fig.1 Shear strength of bi-metal measuring with thicknessover 10mm according to GB/T6396-2008基体覆层PPbhCl剪刃图2 GB/T6396-2008中规定的复合钢板厚度小于10mm时以拉剪方式测试剪切强度Fig.2 Shear strength of bi-metal measuring with thicknes
13、sunder 10mm according to GB/T6396-2008基体覆层拉伸断裂位置PP图3剪切模具示意图Fig.3 Schematic of set-up for measuring shear strength压盖冲头紧固螺栓试样 紧固螺栓上模下模模座P104热加工工艺2011年第40卷第12期下半月出版材料热处理技术Material&Heat Treatment图4剪切试样Fig.4 Sample of shearing test(a)示意图(b)实物图基体复合界面覆层HBL试样材料及来源规格/mm覆层厚度/mm按图3方法测试按图1方法测试平均剪切强度/MPa标准差/MPa离
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