汽车用钢板极限尖冷弯性能测试及评价规范

汽车用钢板极限尖冷弯性能测试及评价规范
1范围
本规范规定了汽车用钢板极限尖冷弯性能测评原理、相关参量名、符号和单位、试样、实验环境、实验设备、实验过程、数据处理和报告内容要求等方面。

适用于测试抗拉强度大于780MPa的各类汽车用钢板的极限尖冷弯角。

2规范性引用文件
下列文件对于本技术规范的应用是必不可少的。

凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。

凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有修改单）适用于本文件。

GB/T 1.1-2016 规范化工作导则__第1部分：规范的结构和编写规则
SAE-China J2203-2013 汽车用冷轧钢板和钢带
SAE-China J2204-2013 汽车用冷轧热镀锌锌铁合金钢板和钢带
SAE-China J2206-2013 汽车热冲压成形用超高强度钢板及钢带
GB/T 16826-2008 电液伺服万能实验机
JJG 139-2014 拉力、压力和万能实验机
JJG 157-2008 非金属拉力、压力和万能实验机检定规程
JJG 475-2008 电子式万能实验机检定规程
GB/T 2975-2018 钢及钢产品力学性能实验取样位置及试样制备
VDA 238-100-2017 Plate bending test for metallic materials
GB/T 14452-1993 金属弯曲力学性能实验方法
GB/T 8170-2008 数值修约规则与极限数值的表示和判定
3实验原理
实际车辆安全事故过程中，碰撞零件变形部位多呈凹陷或折叠变形，变形（特
别是折叠变形）最大位置材料呈平面应变状态，采用传统的金属材料弯曲性能实验手段，难以测定该变形状态下板材的断裂韧性。

本规范针对抗拉强度大于780MPa的各类汽车用钢板，采用匹配特殊工装的力学性能测试设备，对试样施加持续弯曲载荷，直至载荷越过峰值并呈显著降低（至峰值的10%）或试样出现开裂时结束，获得全加载过程中弯曲载荷力与试样加载部位位移量之间的变化曲线，并通过参数计算或仪器测量得到试样的极限尖冷弯角（附录A），以此作为汽车制造业评价超高强汽车用钢板安全服役断裂韧性的一项重要性能指标。

4符号、名称和单位
本规范所涉相关参量符号的名称，单位见表1。

表1 符号名称及其单位
上述部分参数在实验过程中的具体反映如图1。

图1 极限尖冷弯实验相关参数示例
5实验环境
除特殊需求外，本规范实验应在室温、1个大气压环境下进行，特殊环境条件下的实验应在报告中注明相关环境参数。

若需低温环境，实验前需将试样置于专用设备中进行低温处理，其应能提供实验所要求的低温条件及放置空间，量程及控温精度等参数应满足相关标准要求，并进行定期检定。

冷却介质应选用无毒、安全、无腐蚀且在实验温度下不凝固的液体或气体。

低温实验前首先应确保冷却设备的低温槽内拥有适当的冷却介质，随后接通冷源降温，待达到指定温度后，将试样置于低温槽均温区进行冷却，若有多件试样应确保各试样之间保持适当的距离，保证试样与冷却介质充分接触，试样取放工具推荐与试样一起在同一温度下冷却，其余操作流程及参数设定均按照设备使用要求执行。

试样应在指定低温
条件下保持足够长的时间，以保证试样充分冷却并温度均匀。

保温时间可按照低温实验设备使用要求执行，也可由实验人员根据低温实验设备性能自行确定。

本规范推荐若采用液体冷却介质时，冷却时间不少于5分钟，若采用气体介质时，冷却时间不少于20分钟，冷却时间应在设备达到指定温度并稳定后开始计算。

冷却过程中液体和气体冷却介质的温度波动应分别控制在1℃和1.5℃之内。

达到规定冷却时间后，应将试样移出设备并立即进行实验。

6实验设备及工装
1）实验推荐在电液伺服万能实验机或其他具备力加载功能的设备上完成，设备精确度应确保≤1级（加载力示值相对误差≤±1%）。

2）设备应能在本规范规定的加载速率范围内保证加载力的输出平稳，无振动和冲击现象发生，系统刚度要求参照GB/T 16826执行。

3）实验机应配备载荷和位移的数据采集、记录和显示系统，如传感器、编码器、工控计算机（含数据显示软件）、挠度计配件等，相关器件分辨率应满足精度要求。

实验中应能够同步显示弯曲载荷力、位移值、加载速度、实验状态、数据曲线等，且具有限位、过载自动保护、试样断裂自动停机等功能。

4）实验设备应定期参照JJG 139、JJG 157、JJG 475等检定规程进行校验，以保证实验设备精度满足本规范实验要求。

5）若采用非接触式光学测量仪、机械式角度测量仪等其他相关设备仪器进行极限尖冷弯角测量，其应满足对应的国/行/企标技术要求。

6）实验设备的支撑底座、支撑辊轮、压头等工装组成部分均应进行热处理，表面硬度应达到一般冷作模具钢52-60HRC的水平且不低于试样表面硬度，表面粗糙度R a不大于0.8μm。

7）两端支撑辊轮直径D均为30mm，应确保两辊轮之间的直径差不大于标称直径值的0.5%，辊轮柱轴线长度应不小于压头加载棱边及试样宽度b。

8）两支撑辊轮间的距离应为可调整，间距调整可利用实验设备底座等部位自带的距离刻度标记，若没有则应在工装上设计刻度标记，其最小刻度单位推荐为0.5mm。

9）应确保实验用加载压头的棱边长度大于60mm，且应大于试样宽度b，典型压头结构如图2所示。

10）针对支撑辊轮和压头，可根据长期使用需求，确定是否进行表面防锈处理，但应确保防锈处理后工装表面硬度及其粗糙度仍满足6）点要求。

图2 弯曲加载压头结构尺寸推荐示例
备注：支撑底座及所选用的其他配件（如螺钉）结构、尺寸规格等，本规范不做硬性要求，可根据实际实验需求，在满足上述各项要求前提下自行确定。

7试样要求
1）试样可通过在零件产品或供货态板材上获得，来料的处理工艺（如热轧、冷轧）及零件的加工状态（如喷丸、油漆）在本规范中不做硬性规定。

应尽量保证来料与试样的状态相一致，若不一致则应在报告中注明来料及试样的状态信息。

冷成形板料的技术要求推荐参照SAE-China J2203或SAE-China J2204执行；热成形板料的技术要求推荐参照SAE-China J2206执行；若来料为零件，则本规范中无硬性规定。

2）板材来料需取样进行预拉伸变形处理，而后在预变形试样上进一步取样获取正式的测试试样（零件来料直接取样，无需预变形）。

若无特殊需求，本规范预拉伸试样外观统一为矩形规格，且应确保其任一边应与板材的轧制方向平行，
若有特殊需求按照其他方向进行取样，应在实验报告中注明。

此外，预变形试样的取样应避开来料表面所有存在可见裂纹等缺陷的区域。

备注：热成形板料样品无需进行预拉伸处理（附录B）。

3）本规范针对预变形试样，推荐采用以下尺寸规格：
a类：长（l t）290mm×宽（w）70±1mm；
b类：长（l t）360mm×宽（w）70±1mm。

备注：可根据试样数量、尺寸规格、加工便利性等选择a或b类取样方式。

4）材料预拉伸变形处理的相关参数如图3所示。

经预拉伸变形处理后，在标距范围内切取测试试样；
—标距长度（l e）：100mm；
—自由夹持长度（l f）：160mm（a类），230mm（b类）；
—预拉伸应变量：10%；
—预拉伸应变率：0.0025s-1。

图3 预拉伸变形示意图
5）若无特殊要求，本规范推荐测试试样规格为长（l）60mm×宽（b）60mm；若需采用其他长宽尺寸规格的试样，应确保试样宽度b不能超过压头加载棱边的长度，试样长度l应大于两端辊轮间距L+辊轮直径D。

6）零件上取样无需按2）-4）流程实施，直接按照长（l）60mm×宽（b）60mm取样即可；若受板料或零件尺寸限制，难以按指定尺寸规格要求进行取样，试样宽度b可按取样部位基体厚度的20倍计。

7）板材取样的尺寸及形状公差参照GB/T 14452要求执行；零件取样的尺寸及形状公差按照GB/T 14452要求执行，对其他不作硬性规定。

8）推荐采用线切割或激光切割取样，若采取其他加工方式，应确保不会对试样基体组织构成影响。

9）应对试样沿宽两边端面去毛刺及45°倒角处理，推荐倒角宽度≤0.5mm，边缘存在可见裂纹的试样应视为废品样。

10）同一批实验试样应尽量在同一零件或同一批次处理板材上取样获得，若在不同零件或不同批次处理板材上取样，应在报告中注明零件或板料批次等信息。

11）针对试样表面有氧化皮的情况，应采用砂纸研磨或喷砂等方式去除氧化皮后方可进行实验；针对试样表面存在脱碳层或各类镀层的情况，可根据实际技术需求确定保留或去除，若保留则须记录表面脱碳层或镀层厚度。

12）其他取样要求参照GB/T 2975规范规定执行。

备注：针对试样制备要求的补充性说明请见附录B。

8实验过程
1）按规定开启实验设备，并进行设备状态确认。

2）弯曲加载工装的安装。

设定辊轮间距L为2×t＋0.5（mm），辊轮间距值公差为+0.1mm /-0.0mm；两辊轮柱的轴心线至压头加载棱边的水平距离应相等，偏差不大于0.5%×[(L+D)/2]；实验中两端支撑辊轮不应阻碍试样的移动；实验中两端支撑辊轮柱应能围绕其纵向轴心线自由转动，但其轴线相对于支撑底座不能发生相对位移；应确保压头加载方向垂直于两辊轮柱轴线所在的平面；应确保压头两端不超出支撑辊轮两端所在的平面范围；应确保两端辊轮轴线平行，且两者形成的平面应为水平面；应确保压头加载棱边线与辊轮轴线平行。

3）压头尺寸参数参照表1执行。

表1 压头尺寸规格选择示例
4）工装刚度测试。

手动或自动启动压头向下移动直至与支撑辊轮接触，继续驱动压头向下运动，直至加载力达到设定值3000N结束，当实际加载力达到设定值30%，60%和100%时，采用游标卡尺或其它专业测量工具测量支撑辊轮间距L，并与加载前的间距值进行对比，当上述三种情况下辊轮间距L增加量均小于0.1mm时，则认为工装整体刚度合格，满足实验要求，否则应采用诸如进一步紧固相关工装配件（如增大螺钉拧紧力）等措施，提升系统刚度直至满足上述要求。

备注：为方便操作，也可以利用专用测量仪器，通过检测两端辊轮最大间距（初始间距为2D+L）的变化量来评估设备刚度（图4），合格与否的判定依据同上。

图4 系统刚度测试示意图
5）试样表面处理。

应去除试样表面各类污垢及锈迹；针对存在表面氧化层的试样，应采用砂纸研磨或喷砂等方式去除表面氧化层直至完全显现光亮的基体面，重新标注出轧向及1/2长度线，并测量出此时试样的实际厚度t0（去除氧化层过程中应尽量确保试样各部位厚度均匀）；针对表面脱碳层或镀层，根据实验要求确定去除或保留，若保留须记录其厚度值。

6）试样放置。

将试样置于两端支撑辊轮上，使试样轧向与压头加载棱边之间呈垂直或平行状态。

启动压头向下运动至加载棱边刚好与试样表面接触，再微调试样位置，使试样1/2长度线与压头加载棱边呈完全重合状态。

备注：若实验前对试样有测试面要求，则应将该面置于与辊轮接触一侧；此外本规范若无特殊需求，则默认为试样轧向与加载压头棱边向垂直（β=90°）或平行（β=0°）（图5），若为特殊方向取样试样（β=0～90°），加载位向关系由实验双方协商确定。

图5 典型极限尖冷弯性能测试加载位向关系示例
7）试样预加载力。

调整好试样与工装之间的相对位置后，对试样施加30N 的预加载力。

8）极限尖冷弯实验。

设置压头加载速率为20mm/min，启动设备对试样进行连续弯曲加载，实时采集加载部位的位移与加载力数据（位移量也可采用诸如挠度计等），同步生成载荷力-位移曲线；若用非接触式光学测量仪器测量试样加载部位位移或应变，相关操作流程及要求应参照相关仪器厂商产品使用说明执行；当试样弯曲载荷力-位移曲线上载荷力降低到峰值的10%左右时或者试样出现可见裂纹，即可停止实验。

9）实验结束。

手动或自动驱动压头使其与试样分离，并取走试样，按照上述流程1）～8）重复下一次实验。

备注：针对低温试样实验，应确保试样从低温处理箱中取出至开始实验的时间间隔不得超过30秒，且在试样转移过程中应尽量避免任何可能引发试样温度波动的情况出现。

9实验数据处理
1）当出现以下情况时，实验结果为有效：
如图6（a），载荷-位移曲线应包括初始加载、峰值、载荷降低至峰值载荷力10%水平的各变形阶段，且无9-2）节提及的任一情况。

2）当出现以下情况时，实验结果为无效：
—未按本规范相关流程技术要求（如未按要求进行试样准备、工装装配或相关实验参数设置等）进行实验时，结果无效；
—如图6（b），载荷-位移曲线出现锯齿状波动时，应考虑可能是由于试
样表面严重不平或粗糙度过大等原因造成的，结果无效；
—载荷-位移曲线出现载荷力突变增大时，应考虑可能是由于两端支撑辊轮最小间距设置过小，难以满足试样的自由弯曲变形要求，导致试验过程中辊轮、变形试样共同对压头运动产生了额外阻力所造成的，结果无效；
—如图6（c），载荷-位移曲线不完整（判定规范参照8-10）执行），结果无效。

a）有效曲线示例
（b）无效曲线示例：曲线波动
（c）无效曲线示例：曲线不完整
图6 载荷-位移曲线对比示例
3）计算极限尖冷弯角αc（图7）：首先直接从曲线上获得峰值载荷力对应的压头位移量值。

结合工装及试样参数（参照第4节），利用式（1）～（5）计算求得极限尖冷弯角αc（附录C）。

图7 极限尖冷弯角αc测量示意图
2
2)
()
(2
sin
c S p c S W c p c
-+-⨯+⨯=
α （1）
2
2)()
(2
cos
c S p c S c p W c
-+-⨯+⨯=
α
（2）
222)(c c S p W
--+=
（3）
r t D
c ++=
02
（4）
2
2
L
D
p +
=
（5）
4）机械测量极限尖冷弯角α：实验结束后使压头回复至初始位置，从工装上取下试样，采用专业角度测量工具测试得到极限尖冷弯角α（图8）。

图8 机械测量极限尖冷弯角α测试过程示例
测试试样
角度测量仪
5）光学测量极限尖冷弯角α0：如图9所示，利用DIC实时监测试样弯曲变形的全过程，基于试样动态弯曲变形图像和散斑变化，得到全过程的冷弯角。

通过DIC开放式接口与万能实验机之间的配合使用，可得到弯曲载荷力与弯曲角度之间的对应关系，峰值载荷力对应的弯曲角即为极限尖冷弯角α0。

利用此类方式，还可测得加载部位的弯曲应变等其它物理量，可满足更为多样化的实验需求。

图9 光学测量极限尖冷弯角α0测试过程示例
6）正常情况下，每种牌号的材料需重复的实验次数推荐为3-5次。

7）针对上述测试过程中涉及的数据处理规则，参照GB/T 8170执行。

备注：极限尖冷弯角的获取方式，可根据需求，选用上述3）～5）中的任意一种或几种方法获取。

10报告要求
按照本规范实验得出的报告应包括以下必要性内容：
1）来料基本信息：产品名称、标称厚度t、状态（轧制方式、热处理方式、表面镀层信息等）。

2）实验环境条件。

3）实验设备名称、型号、规格、主要设备参数、设备外观照片（含工装）。

4）试样尺寸规格、实验数量、预处理方式、实验前后实物外观照片。

5）实验参数：加载速率、辊轮间距、加载角（附录A）。

6）实验步骤及过程要求。

7）实验结果：每件试样的实际厚度、峰值载荷力、峰值载荷力对应的位移值、极限尖冷弯角及力-位移全曲线示例。

8）根据要求需要实验方提供的其他实验结果。

备注：报告模板参考见附录D。

附录A
图1 汽车用钢板极限尖冷弯角表征示意图
（a）全曲线示例（b）不同钢种实验结果对比图2 汽车用钢板极限尖冷弯角测试全曲线及不同钢板实验结果示例
图3 加载角表征示例
附录B
来料状态确认及处理要求的补充说明
当前汽车车身用钢板材从成形工艺角度，可分为冷成形及热成形两类，由于两者间的制造工艺具有显著差异，在进行极限尖冷弯性能实验时，应进行区别对待。

冷成形和热成形板料及其零件的处理方式和要求具体如下：1）冷成形板料：由于冷成形零件大部分位置处于塑性变形状态，测试成形前板料的极限尖冷弯性能意义不大，实验前板料应经过预拉伸变形处理，以模拟零件塑性变形后的极限尖冷弯性能。

2）热成形钢板料：由于实际热成形零件为淬火态，因此要求实验用热成形板料也应为淬火态。

为与实际热成形产线工况相一致，针对试样板料样品的淬火
处理应统一采用固体平板模具淬火法，且应确保板材基体为全马氏体组织或满足采购企业的技术要求为基准。

此外，考虑到板料经固体模淬火后的基体组织状态与实际零件基体组织的状态差异性很小，因此对于热成形钢板料而言，推荐可不用进行预拉伸。

3）涂装工艺的考虑：零部件在装车应用之前需经过涂装工艺，因此本规范推荐来料应为涂装热处理后的状态。

4）零件取样：零部件上取样可直接用于极限尖冷弯性能测量，取样位置应由实验委托方根据己方零件使用需求提出，由实验双方协商确定。

5）表面状态要求：
a. 表面缺陷：若试样表面存在局部微裂纹等缺陷，则可能显著影响到加载过程中试样整体受力状态，进而影响实验结果，因此应要求试样表面及边缘均不能出现可见裂纹缺陷。

b. 表面粗糙度：实验时载荷力在试样、压头及支撑辊轮三者间进行传递，若相互接触线（面）的摩擦系数较大，则会产生附加的摩擦力，进而影响实验结果，因此对试样的表面粗糙度应满足一定要求。

c. 表面氧化皮/脱碳层：对于热成形材料而言，其表面经淬火处理后，会产生一定量的氧化皮/脱碳层，且厚度不均匀，实验时氧化皮/脱碳层与支撑辊轮进行接触，将产生附加的且随时间变化的摩擦力，进而影响实验结果，因此热成形板料实验前应去除表面氧化皮/脱碳层，对于表面脱碳层，若要保留则应注明其厚度。

d. 表面镀层：原则上镀层应看作是材料本身不可分割的一部分，因此实验时应予以保留，但实验前应注明镀层厚度值，以便于对实验结果的准确分析。

附录C
极限尖冷弯角的EXCEL计算模板示例
附录D
极限尖冷弯角实验报告模板示例
批准：审核：主检：。