带变形补偿的高强度金属板料剪切试件

摘要

本发明涉及一种带变形补偿的高强度金属板料剪切试件，属于力学性能测量技术领域。在平板板料的中部沿长轴方向开两尖顶相对的心形开孔，两心形开孔可相对平板中心长轴沿横轴向相反方向分别偏置一定距离，然后在两心形远端反对称位置沿斜向背离开槽至试件的两长边，使得平板仅中心部位两心形顶部相对位置连接，试件的切口为反对称形状。当试件长向受拉力作用时，由于试件自身的特殊形状，薄板中心工作区处于剪切应力状态。本发明适合于难于进行局部表面加工的高强度金属板料的剪切强度测试，不需要复杂的配套夹具，直接利用单向材料试验机，通过试件的单向拉伸即可实现平板局部的剪切应力状态。

说明书

技术领域

本发明涉及一种带变形补偿的高强度金属板料剪切试件，属于力学性能测量技术领域，

背景技术

剪切试验是材料力学的基本试验，主要用于两个方面，其一测定材料的剪切模量、抗剪强度和应力应变关系，其二研究剪切状态下材料的失效破坏。圆柱形实体试件或者薄壁试件的扭转试验是典型的剪切试验之一，根据材料力学理论，试件的周向为纯剪切变形状态，它要求试件必须是圆柱形，对于平板试件则无法使用。制造加工中的精冲试验可实现薄板试件的剪切，但试验过程中冲头加载的速度往往很高，不适合剪切特性的准静态研究，各个部件之间还存在接触摩擦行为，增加了试验的复杂性。另外，对于较厚的板料，还可以采用特殊设计的夹具并对板料进行表面加工使局部搭接区变薄，来获得局部剪切应力状态。但以上方式都不适合高强度金属板料，这是由于高强度金属板料如高强度钢难以采用机械加工的方法进行局部表面切削加工。

发明内容

本发明针对高强度金属板料，提供了一种带变形补偿的高强度金属板料剪切试件。其特征在于，所述试件的外轮廓呈矩形；在试件的一条较长的中心轴线的两端对称设置两个圆孔，用于装载拉伸试验机的夹具；在试件的中部区域设置两尖顶相对的心形开孔，两心形开孔可相对平板中心的横轴偏置一定距离，然后在两心形远端右侧反对称位置沿斜向背离开槽至试件的两长边，使得试件的中心部位仅局部相连，试件中部的切口轮廓线为反对称形状。

所述试件外形尺寸范围为：长轴长度L1＝190～240mm，短轴长度W1＝60～90mm，试件的厚度t＝0.5～2mm。

所述试件两个心形的尺寸范围：宽度W2＝10～20mm，高度H＝10～15mm，尖角部分两条斜线之间的夹角α1＝40～70°，上部圆弧半径R1＝3～10mm，心形尖顶处使用样条曲线自动过渡，心形尖顶沿横轴的偏置距离d＝0～1.5mm。心形尖顶距离试件中心横轴的长度L2＝1.5～10mm。

所述试件的斜向开槽宽度范围为：W3＝5～10mm，开槽方向与试件长轴夹角α2＝40～50°。

所述试件心形右侧尖顶至斜向开槽直线连接，斜向开槽与试件长边形成的锐角处有一倒角，其半径R3＝3～10mm。

所述试件两端圆孔的圆心与平行于试件短轴的边的距离D1＝20～35mm，圆孔的半径R2＝4～10mm。

本发明的有益效果为：使用简单方便，不需要复杂的配套夹具，直接利用现有的单向材料试验机，通过试件的单向拉伸即可实现高强度金属板料局部剪切应力状态；试件的加工采用线切割进行，可以避免难以实施的局部表面机械加工，因而可以避免机械加工带来的初始表面损伤。

附图说明

图1为本发明所述试件俯视图；

图2为使用有限元软件对本发明试件进行应力分析时的局部剪应力云图；

图3为本发明所述试件剪切工作区域的各应力分量随加载位移的变化曲线；

具体实施方式

本发明提供了一种带变形补偿的高强度金属板料剪切试件，下面结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1为本发明所述试件俯视图；所述试件的材料为双相钢，外轮廓呈矩形，其中，长轴长度L1＝220mm，短轴长度W1＝60mm，试件的厚度t＝2mm；在试件的一条较长的中心轴线的两端对称设置两个圆孔，用于装载拉伸试验机的夹具，圆孔的圆心与平行于短轴的边的距离D1＝33.36mm，孔半径R2＝7mm；在试件的中部区域设置两尖顶相对的心形开孔，心形的宽度W2＝12.69mm，高度H＝11.43mm，尖角部分两条斜线之间的夹角α1＝58°，上部圆弧半径R1＝4.21mm。心形尖顶沿试件中心横轴的偏置距离d＝1.0mm，距离横轴的长度L2＝2.5mm。然后在两心形远端右侧反对称位置沿斜向背离开槽至试件的两长边，使得试件的中心部位仅局部相连。斜向开槽宽度W3＝5mm，开槽方向与试件长轴夹角α2＝45°。斜向开槽与试件长边形成的锐角处有一倒角，其半径R3＝5mm。

试验时，将试件的两端装载于单向拉伸试验机的夹具上，试验机施加拉力，试件的中心部位即实现了剪切应力状态。

本实例给出了有限元仿真得到的中心区域应力分布的结果，图2为使用有限元软件对本发明试件进行应力分析时的局部剪应力云图。图3本发明所述试件剪切工作区域的各应力分量随加载位移的变化曲线。从图中可以看出，试件中心区域剪应力较大，而且随着载荷的加大，由于剪切区的偏置作用，试件发生断裂前的剪切应力分量可保证远大于正应力分量，较好地实现剪切状态。