材料冲压性能试验

材料冲压性能试验方法
一 前言
板料冲压性能是指板料对冲压加工方法的适应能力，如便于加工，容易得到高质量和高精度的冲压件，生产效率高，模具消耗低，不易产生废品等。

板材的冲压性能的试验方法很多，概括起来分为直接试验与间接试验两类。

见图1-1。

直接试验中板材的应力状态和变形情况与真实冲压时基本相同，所得结果也比较准确；而间接试验时板材的受力情况与变形特点与实际冲压时有一定的差别。

所以，所得结果也只能间接的反映材料的冲压性能，有时侯还要借助于一定的分析方法才能做到。

本文只介绍拉伸试验的试验方法．
图1-1 冲压性能试验方法
二 拉伸试验
试样标准
拉伸试验是评价板材的基本力学性能的主要试验方法。

由于简单易行，所以是目前普遍采用的一种方法。

拉伸试验是利用图2-1(a)所示尺寸符合要求的标准拉伸试样，在拉伸机上进行。

利用拉伸力行程测试与记录装置，得到图2-1(b)所示的拉伸曲线，经过必要的处理与计算，即可得到与成形性能有关的拉伸试验值：s σ、b σ、b s σσ/、δ、
u δ、n 、r 、r ∆、φ等值。

(a)
(b)
图2-1 拉伸试样与拉伸曲线
(a) 拉伸试样 (b) 拉伸曲线
1 常规拉伸试样(图2-1(a)) 常规拉伸试样又分为比例试样和非比例试样两种。

比例试样标距0l 按下式计算
00A K L =
式中 0A -----原始截面积；
K -----系数，当65.5=K 时，为短比例试样；当3.11=K 时，为长比例试样。

非比例试样标距0L 与原始截面积无一定关系。

两种试样的标距L 应不小于2
00b L +，试样宽度0b 通常为10、15、20、30(mm)等。

试样的宽度加工精度为：=0b 10、15()mm 时，偏差为)(2.0mm ±，在0L 范围
内最大与最小宽度之差不得大于()mm 1.0；=0b 20、30()mm 时，偏差为)(5.0mm ±，
在0L 范围内最大与最小宽度之差不得大于()mm 2.0。

2 带小孔拉伸试样
为了评价非金属夹杂物引起的材料塑性降低特性及材料对裂缝的敏感性，常采用带小孔拉伸试样(图2-2(a))。

3 带圆弧切口的拉伸试样
在研究平面应变下材料的拉伸特性时，采用带圆弧切口的拉伸试样。

(a)
(b)
图2-2带有小孔及切口的拉伸试样
(a) 带有小孔的拉伸试样；(b) 带有切口的拉伸试样
应当指出,拉伸试样的尺寸和尺寸精度对所得到的试验结果有不可忽视的影响,试验中应予以充分重视．
在拉伸试验时，利用测量装置测量拉伸力P 与拉伸行程(试样伸长值)L ∆，可以在P 与L ∆坐标系中得到拉伸力P 随伸长值而变化的曲线L P ∆-曲线，称为拉伸曲线．
如果用拉伸试样的原始断面积0F 去除拉伸力P ，即可得到拉伸过程中的工程应力σ．同时，把试样的伸长值L ∆换算成相对伸长率L
L L L L 0-=∆=δ，即可在σ与δ坐标系里得到工程应力与相对伸长率表示的δσ-曲线(图2-1(b))．
拉伸试验值
拉伸试验值与冲压成形性能有密切的关系。

利用板材的单向拉伸试验可以得到与板材冲压性能密切相关的试验值，这里仅对其中较为重要的拉伸试验值做一个简单的叙述如下．
1 s σ
s σ称为屈服强度，0
A P s s =σ．当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间达到塑性变形发生而力不增加的应力点．如果板材拉伸曲线不具有明显的屈服点，可以取残余应变0.002时的工程应力．屈服强度一般与拉伸类成形性能成反比关系．
2 b σ
b σ称为抗拉强度，0
m ax A P b =σ．在拉伸过程中，当拉伸力达到最大m ax P 时，试样的拉伸变形由均匀变形阶段进入局部变形阶段对应的应力点．这时，板材发生塑性拉伸失稳，出现颈缩，进一步发生断裂． 3 b s σσ
b s σσ称为屈强比。

较小的屈强比几乎对所有的冲压成形都是有利的。

小的屈强比，对压缩类成形工艺是有利的，拉伸时，如果板材的屈服点低，则变形的切向应力较小，材料的起皱趋势也小；对于伸长类的成形工艺中，成形所必须的拉力与毛坯破坏时的拉断力之差较大，所以成形工艺的稳定性高，不容易出废品。

4 u δ与δ
u δ叫做均匀延伸率，是在拉伸试验中开始产生局部集中变形的延伸率。

δ叫做断裂延伸率，是在拉伸试验中试样破坏时的延伸率。

一般情况下，冲压成形都在板材的均匀变形范围内进行。

u δ表示板材产生均匀的或稳定的塑性变形的能力，它直接决定板材在伸长类变形中的冲压性能。

5 硬化指数n
硬化指数n ，它表示在塑性变形中材料的硬化强度；它是评定板材冲压性能(成形极限、变形均匀性等)的重要指标。

n 值较大时，冷变形过程中，材料的变形抗力随变形的进展而增长也较大，这表明材料变形区内各部分的变形程度趋于均匀,致使总的变形程度增大，塑性变形稳定性较好，不易出现局部的集中变形和破坏．
目前普遍采用根据拉伸试验所得到的拉伸曲线来求n 值。

利用n K εσ=在对数坐标系下为一直线为前提，在拉伸均匀变形范围内，取至少五个基本点(通常取05.01=δ，u δδ=2范围以内的点)，在对数坐标系中计算出n 值。

具体方法如下：
∑∑∑∑∑=====⎪
⎭⎫ ⎝⎛--=N i N i i N i N i N i i
i y i X X N Y X Y X N n 121221
11)(
式中：N ――参加回归计算的真实应力-应变数据的对数；
i X ――i εlog ；
i Y ――i σlog ．
考虑到板材的方向性，一般按板材纤维的三个方向制取试件，进行拉伸试验，最后按此三个方向的n 值再取平均值，即
4
290450n n n n ++= 如果想更详细了解金属薄板拉伸应变硬化指数n 的试验方法可参看国家标准．
6 板厚方向性系数r
板厚方向性系数r 是板材拉伸试验中试样宽度应变b ε与厚度应变t ε之比，即
00ln ln
t t
b b
r t b ==εε 式中0b 、b 与0t 、t 分别是变形前后试样的宽度与厚度。

r 值的大小，表明板材
在受单向拉应力作用下，平面方向和厚向方向的变形难易程度的比较。

r 值大时，表明板材在厚度方向上的变形比较困难，比板平面方向上的变形小．板料的r 值可以用拉伸试验的方法测定。

一般资料中规定r 值应取相对延伸率为15%-20%时的测量结果。

根据体积不变原理，测得的0b 、1b 、0L 、1L 按下式计算r 值．
()l b b r εεε+-=
即 001110
..ln ln
L b L b b b r = 或者
1
10011ln ln -⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-=b b L L r 由于板材都是经过轧制的，所以不同方向上的r 值也不一样。

为了统一实验方法，便于使用，常采用下式计算板厚方向性系数的平均值：
4
290450r r r r ++= 式中0r 、45r 、90r 分别表示板材纵向、 45方向和横向的板厚方向性系数。

如果想更详细了解金属薄板板厚方向性系数r 的试验方法可参看国家标准．
7 板平面方向性r ∆
板平面方向性主要表现为机械性能在板平面内不同方向的差别，但是在表示板材机械性能的各个指标中，板厚方向性系数对冲压性能的影响比较明显，所以在冲压生产中都用r ∆来表示板平面方向性的大小。

r ∆是板平面内不同方向上板厚方向性系数r 值的差值，其值为
2
245900r r r r -+=∆
8 φ值
φ 值称为材料宽度颈缩率，可用下式求得
(%)0
0b b b -=φ 式中 0b ―――拉伸试样原始宽度；
b ―――试样拉断后，断裂处的最小宽度．
宽度颈缩率φ值与r 值有如图2-3所示的关系．φ值与拉伸性能有着较强的对应关系．
图2-3 宽度颈缩率φ值与r 值关系
三 模拟试验
模拟试验针对不同的成形工艺采用不同的试验方法．试验中，试样中的应力状态及变形特点与相应的冲压工艺基本一致，因此试验结果可直接反映材料对该工艺的成形性能．
对于伸长类成形常用的模拟试验方法有杯突试验(艾利可辛试验)、液压胀形试验、扩孔试验等．对于压缩类变形常用杯形件拉伸试验、最大拉伸对比试验及锥形杯复合成形试验等．对于复合成形常用锥形杯复合成形性能试验、艾利可辛试验及方板对角拉伸试验等．这里不再做详细介绍．。