摘 要:研究了總厚度≤１０mm 的 Q３４５低合金鋼＋３０４不銹鋼復(fù)合薄板抗剪性能的壓剪測(cè)試 方法,并將其與傳統(tǒng)拉剪測(cè)試方法進(jìn)行了對(duì)比,同時(shí)分析了搭接長度對(duì)抗剪性能測(cè)試結(jié)果的影響. 結(jié)果表明:壓剪測(cè)試方法可以用于復(fù)合薄板抗剪強(qiáng)度的測(cè)試,試驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性偏差≤１０ MPa,無橫 向剝離力的存在,避免了拉剪方式的弊端,測(cè)試結(jié)果能更真實(shí)地反映 Q３４５＋３０４復(fù)合薄板的抗剪 性能;壓剪試樣界面搭接長度增加,測(cè)得的抗剪強(qiáng)度降低,因此在滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下,盡量使用 搭接長度較小的試樣進(jìn)行壓剪測(cè)試. 

關(guān)鍵詞:復(fù)合薄板;抗剪強(qiáng)度;壓剪試驗(yàn);拉剪試驗(yàn);搭接長度 

中圖分類號(hào):TG１４２．４１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１８)０６Ｇ０３９８Ｇ０４

復(fù)合鋼板是兩種不同材料、不同性能的金屬板 材,經(jīng)某種合適加工工藝復(fù)合而成的一種鋼板,基材 單面復(fù)合有覆材.復(fù)合鋼板可以克服組元金屬材料 各自的缺點(diǎn)和使用局限,具有功能性和結(jié)構(gòu)性兼?zhèn)? 的特征[１Ｇ２].界面結(jié)合質(zhì)量是評(píng)價(jià)復(fù)合鋼板性能的 關(guān)鍵指標(biāo)之一[３Ｇ４],其中抗剪強(qiáng)度指標(biāo)最能說明金屬 復(fù)合板界面結(jié)合強(qiáng)度的高低,同時(shí)由于試樣加工簡 單,便于測(cè)試,因此使用頻次最高[５].隨著工程材料 的應(yīng)用發(fā)展和實(shí)際工況的需求,對(duì)復(fù)合鋼板的性能 和尺寸要求越來越高.

GB/T６３９６－２００８«復(fù)合鋼板力學(xué)及工藝性能 試驗(yàn)方法»中規(guī)定,對(duì)于總厚度≤１０ mm 的復(fù)合薄 板,可以采用拉剪方式進(jìn)行測(cè)試.但有文獻(xiàn)指出:拉 剪方式測(cè)得的抗剪強(qiáng)度較壓剪方式測(cè)得的偏低[６], 極易造成產(chǎn)品指標(biāo)不合格而導(dǎo)致錯(cuò)誤判斷.為此, 筆者在滿足 GB/T６３９６－２００８的前提下,設(shè)計(jì)了壓 剪測(cè)試方 法,對(duì) 總 厚 度 ≤１０ mm 的 Q３４５ 低 合 金 鋼＋３０４不銹鋼復(fù)合薄板(以下簡稱 Q３４５＋３０４復(fù) 合薄板)進(jìn)行了多批次試驗(yàn),首先驗(yàn)證了該壓剪試驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,然后將壓剪試驗(yàn)結(jié)果與傳 統(tǒng)的拉剪試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,最后分析了壓剪試 樣界面搭接長度對(duì) Q３４５＋３０４復(fù)合薄板抗剪強(qiáng)度 測(cè)試結(jié)果的影響. 

１ 試樣制備與試驗(yàn)方法 

采用由“爆炸復(fù)合制坯＋熱軋”工藝研究試制的 Q３４５＋３０４復(fù)合薄板作為試驗(yàn)用料[７Ｇ８],其中基板材 料為 Q３４５低合金鋼,覆板材料為３０４不銹鋼.通 過調(diào)整軋制參數(shù),獲得總厚度６~１０mm 的復(fù)合薄 板.試驗(yàn)用樣形狀及尺寸如圖１所示,機(jī)加工制備了總厚度為６,８,１０mm 的３種試樣,每種厚度試樣 分別加工壓剪試樣和拉剪試樣.為分析界面搭接長 度對(duì)抗剪強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果的影響,對(duì)１０mm 厚度的復(fù) 合薄板分別機(jī)加工了３．０~７．５ mm 不同搭接長度 的壓剪試樣.

壓剪試驗(yàn)在自主設(shè)計(jì)的復(fù)合薄板壓剪測(cè)試系統(tǒng) 上完成,該 測(cè) 試 系 統(tǒng) 由 專 門 設(shè) 計(jì) 的 壓 剪 裝 具 和 INSTRONＧKN１２００ＧJ４A 型電液伺 服 試 驗(yàn) 機(jī) 構(gòu) 成, 壓剪速率為４MPa??s－１.拉剪試驗(yàn)由 ZwickＧZ１００E 型電子 拉 力 試 驗(yàn) 機(jī) 完 成.采 用 ZEEISＧULTRA５５ 型掃描電子顯微鏡對(duì)剪切后的斷口形貌進(jìn)行觀察.

２ 試驗(yàn)結(jié)果與討論 

２．１ 壓剪方式測(cè)試復(fù)合薄板抗剪強(qiáng)度的可靠性分析 

GB/T６３９６－２００８規(guī)定,剪切試驗(yàn)室采用靜壓 縮力或者靜拉伸力,通過相應(yīng)的試驗(yàn)裝置,使平行于 試驗(yàn)力方向的基板與覆板的結(jié)合面承受剪切力直至 分離,以測(cè)定抗剪強(qiáng)度.圖２為壓剪方式測(cè)試示意 圖,可以看出試驗(yàn)過程中,采集試樣所受最大剪切力 除以界面處的搭接面積即可得到抗剪強(qiáng)度,其計(jì)算 公式為

式中:τ 為抗剪強(qiáng)度,MPa;p 為最大剪切力,N;A 為試樣基板與覆板的搭接面積,mm２;b 為試樣寬 度,mm;c為試樣搭接高度,mm. 

首先,參考 GB/T６３９６－２００８的技術(shù)要求,結(jié) 合試驗(yàn)室現(xiàn)有的拉伸試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),研制了相適 應(yīng)的抗剪強(qiáng)度測(cè)試專用模具,如圖３所示.模具內(nèi) 壁表面粗糙度Ra≤０．８μm,模具１和模具２刃口處 的硬度不低于６５ HRC.試驗(yàn)時(shí),在保證試樣基板 中心線、模具中心軸線以及試驗(yàn)機(jī)中心線完全重合 的前提下,根 據(jù) 試 樣 基 板 的 尺 寸 調(diào) 整 模 具 １ 和 模具２ 的位置.該模具在設(shè)計(jì)上嚴(yán)格執(zhí)行對(duì)稱、緊密 連接的概念,試樣與兩模具間間隙≤０．１ mm,底座 通過螺栓與試驗(yàn)機(jī)下夾具原有的螺栓孔連接,保證 了模具與試驗(yàn)機(jī)的對(duì)中度,從而保證了試驗(yàn)力沿試 驗(yàn)機(jī)的中心軸作用在復(fù)合板基板的中心線上,使施 加的試驗(yàn)力全部轉(zhuǎn)化為結(jié)合面處的剪切力,無橫向 力或者扭轉(zhuǎn)力.

選取不同厚度的 Q３４５＋３０４復(fù)合薄板３組,每 組１０個(gè)試樣,分別進(jìn)行壓剪測(cè)試,結(jié)果如圖４所示, 其中圖４b)中的１Ｇ１和１Ｇ２表示兩個(gè)厚度為６ mm 的重復(fù)試樣.由圖４可以看出:該測(cè)試系統(tǒng)的試驗(yàn) 結(jié) 果 具 有 良 好 的 測(cè) 試 重 復(fù) 性,重 復(fù) 性 偏 差 ≤１０MPa;試驗(yàn)曲線平滑連續(xù),符合剪切過程特點(diǎn); 將測(cè)試結(jié)果與 GB/T８１６５Ｇ２００８«不銹鋼復(fù)合鋼板和 鋼帶 »進(jìn) 行 對(duì) 比,滿 足 標(biāo) 準(zhǔn) 中 界 面 抗 剪 強(qiáng) 度 ≥２１０MPa的要求;同時(shí),從剪切后的斷面 SEM 形 貌來看,剪切斷面上存在兩種完全不同的相貌特征, 沿作用力p 施加方向,先后出現(xiàn)塑性剪切區(qū)域和脆 性斷裂區(qū)域,并且無水平方向上的擠壓、剮蹭等現(xiàn) 象,界面形貌完好,說明施加的作用力p 已全部轉(zhuǎn) 化為界面剪切力.上述測(cè)試結(jié)果說明,該壓剪方式 測(cè)試復(fù)合薄板的抗剪性能具有可行性和可靠性. 

２．２ 剪切方式對(duì)抗剪性能的影響

選?。秏m 厚度和１０mm 厚度 Q３４５＋３０４復(fù) 合薄板,分別采用壓剪方式和拉剪方式進(jìn)行抗剪強(qiáng) 度測(cè)試.考慮到壓剪過程中,試樣可能與模具１和 模具２之間存在界面接觸并產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦力,因此 選用不帶臺(tái)階的基體試樣進(jìn)行預(yù)試驗(yàn),以測(cè)試壓剪 過程基體材料向下運(yùn)動(dòng)時(shí)界面摩擦力的大小,測(cè)試 時(shí)試樣與兩側(cè)模具緊密接觸,結(jié)果如表１所示.由 表１可以看出,即使在試樣與兩側(cè)模具緊密接觸的 狀態(tài)下,試樣在兩模具間向下運(yùn)動(dòng)時(shí),產(chǎn)生的滑動(dòng)摩 擦力 ≤８５ N,正 常 試 驗(yàn) 時(shí) 試 樣 與 兩 模 具 間 存 在 ≤０．１mm 的間隙,產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦力則更小,因此 對(duì)于由摩擦力引起的強(qiáng)度誤差可以忽略不計(jì).壓剪 方式和拉剪方式測(cè)試得到的抗剪強(qiáng)度結(jié)果對(duì)比如 表２所示,可以看出采用壓剪方式測(cè)得的抗剪強(qiáng)度 比采用拉剪方式測(cè)得的偏高.對(duì)試樣來說,拉剪方 式無橫向約束力,壓剪方式因有模具１和模具２的 夾持,故存在橫向約束力.在拉剪試驗(yàn)過程中,試樣 搭接界面處與試驗(yàn)機(jī)軸心偏離,加載時(shí)存在載荷偏 心的問題,使得搭接界面兩端存在剝離力,對(duì)于金屬 復(fù)合板來說,剝離承受力通常比較低,因此在拉剪時(shí) 搭 接界面在軸向拉伸、橫向剝離以及無橫向束縛的多重作用力下,產(chǎn)生了混合型破壞,造成測(cè)得的抗剪 強(qiáng)度偏低.而在壓剪試驗(yàn)過程中,界面的剝離應(yīng)力 被模具１和模具２的橫向約束力抵消,試樣只承受 沿界面方向的垂直試驗(yàn)力,界面不存在內(nèi)部其他損 壞方式,施加的試驗(yàn)力 p 全部轉(zhuǎn) 化 為 界 面 的 剪 切 力,因此壓剪方式測(cè)得的抗剪強(qiáng)度更具有參考性. 

２．３ 搭接長度對(duì)抗剪性能的影響 

對(duì)搭接長度為３．０~７．５mm、厚度為１０mm 的 ４組 Q３４５＋３０４復(fù)合薄板試樣進(jìn)行了壓剪測(cè)試,每 組試樣１０個(gè),均具有相同的來源,對(duì)試樣結(jié)果統(tǒng)計(jì) 后進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果如表３所示.

對(duì)表３的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析可見,當(dāng)采用壓剪 方式測(cè)試抗剪強(qiáng)度時(shí),隨著界面搭接長度的增加,界 面處的抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)出遞減的趨勢(shì).分析認(rèn)為,剪 切過程遵循基于力Ｇ位移關(guān)系的連續(xù)損傷機(jī)制,損傷 優(yōu)先從界面邊緣處產(chǎn)生,進(jìn)而擴(kuò)展至整個(gè)界面,全過 程符合彈塑性力學(xué)原理.但當(dāng)界面搭接長度增加 時(shí),試樣受力面積增大,隨著試驗(yàn)力的增加,界面處 材料變形嚴(yán)重,受力變得不均勻[６],受力狀態(tài)復(fù)雜 化,損傷并非全部在界面處產(chǎn)生并擴(kuò)展,界面內(nèi)部也 極有可能產(chǎn)生破壞,使得破壞速度加快,界面材料的 承受能力下降,從而導(dǎo)致了抗剪強(qiáng)度的下降.因此, 在進(jìn)行壓剪測(cè)試時(shí),試驗(yàn)人員需充分考慮試樣搭接 區(qū)域的長度,在滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下,盡量選擇搭 接長度較小的試樣. 

３ 結(jié)論 

(１)對(duì)總厚度 ≤１０ mm 的 Q３４５ 低合金鋼 ＋ ３０４不銹鋼復(fù)合薄板,采用自主設(shè)計(jì)的壓剪試驗(yàn)系 統(tǒng),可以很好地實(shí)現(xiàn)抗剪強(qiáng)度的測(cè)試,測(cè)試結(jié)果重復(fù) 性偏差≤１０ MPa,斷口形貌具有明顯的剪切特征,說明在保證試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)中性的前提下,壓剪方式適 用于復(fù)合薄板抗剪強(qiáng)度的測(cè)試. 

(２)壓剪方式測(cè)得的抗剪強(qiáng)度明顯高于拉剪方 式測(cè)得的,因壓剪方式無橫向剝離力的存在,避免了 其他方向上的作用力對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響,測(cè)試結(jié)果 更能真實(shí)地反映復(fù)合薄板的界面剪切強(qiáng)度. 

(３)在進(jìn)行 Q３４５低合金鋼＋３０４不銹鋼復(fù)合 薄板抗剪強(qiáng)度測(cè)試時(shí),試樣界面搭接長度增加,測(cè)得 的抗剪強(qiáng)度會(huì)降低,因此在滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下, 盡量使用搭接長度較小的試樣進(jìn)行測(cè)試.

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文章來源——材料與測(cè)試網(wǎng)