Page 31 - 理化检验-化学分册2017第八期
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肖 瑞, 等: 十字形试样双向拉伸试验


                                                               尽量减少两个方向拉伸载荷的相互影响, 保证中心
            １  发展概况
                                                               区两个主方向应力、 应变的均匀性和一致性, 提高试
                 双向拉伸试验在 ２０ 世纪 ８０~９０ 年代出现过一                    验数据的可靠性, 对于该问题, 经常采用在十字臂上
            次研究热潮, 最近１０a ( 年) 却趋于沉寂, 除技术限制                     开出均匀分布的缝隙来达到目的; 另一方面由于十
            和成本高外, 还有一个重要的原因是设备因故障老                            字形试样容易在两臂交接的尖角处产生应力集中,
            化而影响正常使用.近年来国外为了获得双向应力                             使此处过早破裂而使试验中断, 造成中心区应变量
            状态下的应力 Ｇ 应变关系, 以供汽车数值模拟设计之                         小, 应力 Ｇ 应变关系曲线不完整, 因此设计试样时应
            用, 双向拉伸试验研究又开始活跃起来, 其中以日本                          使中心区得到尽可能大的应变量, 以得到完整的应
            最为突出, 其于 ２０１２ 年完成了自己国家标准 的制                        力 Ｇ 应变关系数据.对于该问题, 最常用的解决办法
            定, 并在国际标准制定上不遗余力; 德国也依托国际                          是优化两臂交接处的过渡区形状, 以及对中心区进
            冲压学会IDDRG 联合其他欧洲国家积极推动国际                           行減薄处理.
            标准的制定.而在中国, 由武汉钢铁公司研究院、 北                              多采用有限元模拟和试验的方法对试样形状进
            京航空航天大学和北京钢铁研究院等单位牵头, 配                            行优化, 如日本专家 KUWABARA 等             [ １０ ] 在研究低
            合国际标准化组织在双向拉伸试验国际标准的制定                             碳钢十字拉伸试验时的设计试样, 采用的是臂上开
            方面也开展了大量工作.在各国的积极努力下, 双                            缝的方法, 没有对中心区域进行加工.为增加中心

            向拉伸 试 验 国 际 标 准 于 ２０１４ 年 正 式 颁 布 ( ISOＧ            区的变形量, 可采用中心区域减薄方法, 可以两边都
            TC１６４ＧSC２N５９５ NWIP for determination of            减 薄,或 仅 对 一 边 减 薄, MAKINDE 等            [ １１ ]  和
            biaxialstressＧstraincurv eb y meansofbul g etest   MERKLEIN 等    [ １２ ] 对减薄的方式分别进行过讨论.
            witho p ticalmeasurin gs y stems ).                另外北京航空航天大学吴向东等                [ １３ ] 也对该问题进
                 由于双向拉伸试验与单向拉伸试验相比能更准                          行过研究.
            确地反映复杂载荷条件下的材料性能, 所以世界各                                试样的基本形状为十字形, 图 １ 所示为双向拉
            国众多学者使用该方法对材料性能进行了多方面研                             伸试验国际标准ISO１６８４２ : ２０１４ 所推荐的一种试
            究, 有代表性的研究成果有: 本构关系( 葡萄牙                 [ １ ] 、 德  样.试验时两个垂直方向十字臂受到拉伸, 载荷传
            国 [ ２ ] ); 微观损伤( 法国  [ ３ ] 、 突尼斯 [ ４ ] ); 各向异性( 法  至中心区, 测量中心区的变形量得到应变数据.
            国 [ ５ ] ); 屈服准则( 日本 [ ６ ] ); 正交异性( 比利时  [ ７ ] ); 延
            伸性能( 英国     [ ８ ] ); 后继屈服性能( 日本、 丹麦    [ ９ ] ); 等.
                 国内从 ２０ 世纪 ８０ 年代初期起, 北京航空航天
            大学开始研制双向拉伸试验机, 并应用于中国科学
            院和高等院校进行金属板材成型极限测试、 抗皱试
            验和摩擦试验等内容的成型性能研究和残余应力测
            试标定, 目前已是第三代产品, 其适用面广, 用户可
            根据需要设计各种特殊试验, 其功能具有很大的扩
            展潜力, 能进行常温和高温的多种板材基本性能试
            验、 成型性能模拟试验和成型工艺模拟试验.此外
            １９８６ 年南京工业大学也从日本衡器公司引进一台

            卧式 双 向 拉 伸 压 缩 疲 劳 试 验 机, 静 态 载 荷 ２．５×
                                                                      图 １ ISO 标准推荐的十字形拉伸试样示意图
            １０ N ( ２５t ), 动态载荷 １×１０ N ( １０t ), 用于开展金               Fi g 敭１ Schematicdia g ramofcruciformtensiles p ecimen
              ５
                                      ５
            属材料双轴疲劳断裂特性研究.近 １０a ( 年) 来, 国                                  recommendedb y ISOstandard
            内有部分试验机厂开始研制生产双向试验机包括三                                 此外, 有时为了某些特殊的试验目的还会设计
            轴试验机, 主要应用于非金属材料的压缩试验.                             一些形状特别的试样.余海燕               [ １４ ] 列出了一些有代

            ２  试验试样与设备                                         表性的十字形试样, 如图 ２ 所示.
                                                              ２．２  试验设备
            ２．１  试验试样                                         ２．２．１  单拉机加辅助装置
                 试样结构的设计主要有两个关键问题: 一是要                             十字形试样试验设备的设计有两种基本方案,
                                                                                                        ５ ３ ９
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