十字形试样双向拉伸试验

肖 瑞, 李晓星, 李荣锋, 陈杨锴, 葛宇龙, 杨岩峰

(1. 北京航星机器制造有限公司, 北京 100084; 2. 北京航空航天大学 机械及自动化工程学院, 北京 100191; 3. 武汉钢铁公司研究院, 武汉 430080)

十字形试样双向拉伸试验

肖 瑞1, 李晓星2, 李荣锋3, 陈杨锴2, 葛宇龙2, 杨岩峰2

(1. 北京航星机器制造有限公司, 北京 100084; 2. 北京航空航天大学 机械及自动化工程学院, 北京 100191; 3. 武汉钢铁公司研究院, 武汉 430080)

通过介绍不同的十字形试样设计方案、双向拉伸试验设备以及相关理论，综合性地回顾了双向拉伸试验技术的历史和现状，并展望了其发展趋势。通过已有的研究成果，总结了这种试验方法的先进性：能更加准确地反映金属板料在复杂加载条件下的力学性能，并能为材料塑性加工提供更加有力的理论依据。

十字形试样；双向拉伸试验；金属板料；复杂加载条件

冷轧金属板材通常具有明显的各向异性，而板材成型时所承受的通常都是复杂载荷，靠单向拉伸试验得到的材料应力-应变曲线与承受复杂载荷的实际材料性能有很大差距[1]。在研究不同加载路径金属板料塑性屈服行为的试验方法中，发现采用十字形试件进行双向拉伸试验能更好地反映实际情况。双向拉伸试验很早就引起人们的重视，从20世纪60年代起，众多学者对双向拉伸试验进行了探讨，曾经出现过一次采用双向拉伸试验研究复杂加载路径下材料性能的热潮，并取得了很多有意义的成果。然而由于受当时技术条件的限制，有些技术难点如应变测量等问题没有很好的解决方案，造成双向拉伸试验操作复杂和成本高等问题，致使对该技术的研究一度又陷入低潮。近年来，随着工业界对材料性能数据的更高要求和数字散斑光学应变测量等先进技术的出现，双向拉伸试验又开始受到重视，国际标准化组织于2014年发布了双向拉伸试验的国际标准ISO 16842：2014，我国也正在进行双向拉伸试验国标的制定。从发展趋势看，双向拉伸试验在近几年定将得到快速发展，对材料性能研究起到重要推动作用。笔者主要回顾了国内外十字形试样设计、双向拉伸试验设备和其他相关技术的最新进展，为以后研究该领域的学者提供一定的参考。

1 发展概况

双向拉伸试验在20世纪80～90年代出现过一次研究热潮，最近10 a(年)却趋于沉寂，除技术限制和成本高外，还有一个重要的原因是设备因故障老化而影响正常使用。近年来国外为了获得双向应力状态下的应力-应变关系，以供汽车数值模拟设计之用，双向拉伸试验研究又开始活跃起来，其中以日本最为突出，其于2012年完成了自己国家标准的制定，并在国际标准制定上不遗余力；德国也依托国际冲压学会IDDRG联合其他欧洲国家积极推动国际标准的制定。而在中国，由武汉钢铁公司研究院、北京航空航天大学和北京钢铁研究院等单位牵头，配合国际标准化组织在双向拉伸试验国际标准的制定方面也开展了大量工作。在各国的积极努力下，双向拉伸试验国际标准于2014年正式颁布(ISO-TC164-SC2N595 NWIP for determination of biaxial stress-strain curve by means of bulge test with optical measuring systems)。

由于双向拉伸试验与单向拉伸试验相比能更准确地反映复杂载荷条件下的材料性能，所以世界各国众多学者使用该方法对材料性能进行了多方面研究，有代表性的研究成果有：本构关系(葡萄牙[1]、德国[2])；微观损伤(法国[3]、突尼斯[4])；各向异性(法国[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2.5×105N(25 t)，动态载荷1×105N(10 t)，用于开展金属材料双轴疲劳断裂特性研究。近10 a(年)来，国内有部分试验机厂开始研制生产双向试验机包括三轴试验机，主要应用于非金属材料的压缩试验。

2 试验试样与设备

2.1 试验试样

试样结构的设计主要有两个关键问题：一是要尽量减少两个方向拉伸载荷的相互影响，保证中心区两个主方向应力、应变的均匀性和一致性，提高试验数据的可靠性，对于该问题，经常采用在十字臂上开出均匀分布的缝隙来达到目的；另一方面由于十字形试样容易在两臂交接的尖角处产生应力集中，使此处过早破裂而使试验中断，造成中心区应变量小,应力-应变关系曲线不完整，因此设计试样时应使中心区得到尽可能大的应变量，以得到完整的应力-应变关系数据。对于该问题，最常用的解决办法是优化两臂交接处的过渡区形状，以及对中心区进行減薄处理。

多采用有限元模拟和试验的方法对试样形状进行优化，如日本专家KUWABARA等[10]在研究低碳钢十字拉伸试验时的设计试样，采用的是臂上开缝的方法，没有对中心区域进行加工。为增加中心区的变形量，可采用中心区域减薄方法，可以两边都减薄，或仅对一边减薄，MAKINDE等[11]和MERKLEIN等[12]对减薄的方式分别进行过讨论。另外北京航空航天大学吴向东等[13]也对该问题进行过研究。

试样的基本形状为十字形，图1所示为双向拉伸试验国际标准ISO 16842:2014所推荐的一种试样。试验时两个垂直方向十字臂受到拉伸，载荷传至中心区，测量中心区的变形量得到应变数据。

图1 ISO标准推荐的十字形拉伸试样示意图Fig.1 Schematic diagram of cruciform tensile specimen recommended by ISO standard

此外，有时为了某些特殊的试验目的还会设计一些形状特别的试样。余海燕[14]列出了一些有代表性的十字形试样,如图2所示。

2.2 试验设备

2.2.1 单拉机加辅助装置

图2 有代表性的十字形拉伸试样示意图Fig.2 Schematic diagram of representative cruciform tensile specimens:a) Kreibig specimen; b) Muller specimen; c) Makinde specimen; d) Kuwabara specimen; e) Gozzi specimen; f) Ferron specimen; g) Ding specimen; h) Wu specimen; i) Welsh specimen

十字形试样试验设备的设计有两种基本方案，其中一种是利用拉伸试验机，配以连杆机构的专用装置，将拉伸机的单项运动转化为平面内的双向拉伸运动。美国和德国的试验机厂家均有该装置产品，我国也有研究者进行过开发。该装置的典型结构如图3所示。该装置与专用十字形试样双向拉伸试验机相比，具有制作简单和成本较低的优点，但同时存在如下缺点：①两个拉伸方向加载比例不同的试验不易实现；②空间狭小，装夹和调整试样以及实时光学测量困难；③由于连杆机构的特性，加载过程中变形速率不易保持恒定；④不能实现载荷控制加载。

2.2.2 专用双向拉伸机

专用的十字形试样双向拉伸试验机的开发已经有超过50 a(年)的历史，其间虽然在控制方式、辅助装置、测量技术和提高精度等方面有长足的进步，本体结构上也有卧式和立式等区别，但基本原理都是在平面内互相垂直的两个方向对试样施加相同方向同步、互相垂直的两个方向保持一定比例的拉伸载荷。图4是几种典型的双向拉伸试验设备。

2.3 与单向拉伸等普通试验方法特点的比较

日本KUWABARA等[15]在2002年对采用双向拉伸和单向拉伸试验方法得到的材料应力-应变关系的区别进行了深入研究,发现采用单向拉伸的试验方法可以得到碳钢的屈服轨迹线，并将其与双向拉伸的试验点进行对比，从而可以确定适用于碳钢的屈服准则。

另外，基于这项试验技术和理论，在判定了某种碳钢的屈服准则后，可以判断材料本身加工精度的优劣。通过单向拉伸试验得到的劣质材料的屈服轨迹线与之前为确定屈服准则对优质材料进行的双向拉伸的试验点不吻合。

图3 利用单拉机进行双向拉伸试验的装置Fig.3 Biaxial tensile testing devices based on uniaxial tensile equipments:a) chuck designed by American MTS company; b) the chuck mounted on a uniaxial tensile testing machine; c) domestic equipment;d) German Zwick testing machine; e) schematic diagram of early Zwick testing machine

图4 专用双向拉伸试验机外观Fig.4 Appearance of special biaxial tensile testing devices:a) Tokyo Institute of Technology, in the 1950s; b) German Zwick, in the early 2000s; c) French Cashan, in the early 2000s;d) Japanese International Survey, in the early 2000s; e) Beihang University, in the 1980s; f) Hunan University, in the early 2000s

3 RSL-10A型多用途板材双轴加载试验机

北京航空航天大学板料成形研究中心多年来致力于十字形试样双向拉伸试验技术的研究，所开发的多用途板材双轴加载试验机目前已是第三代产品，如图5a)所示，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、成形性能试验和成形工艺模拟试验，图5b)和图5c)是成形极限试验和散斑应变测量形貌。该试验机具有以下特点。

图5 北航RSL-10A型热环境多用途板材双轴加载试验机Fig.5 Beihang University RSL-10A type thermal environment multipurpose sheet biaxial loading testing machine:a) testing machine with a temperature box; b) forming limit test; c) data processing of speckle strain measurement

(1) 水平方向可实现x,y两个方向的轴向拉伸运动，每个轴向运动由两个互相独立的液压缸组成，可分别动作。独特的机械同步保持装置保证了相对方向拉伸位移和拉伸速率的高精度同步要求。

(2) 垂直方向可选择增加上横梁和底座液压缸，实现垂直于板面z方向上下加载的要求。

(3) 试验机的动力系统采用液压伺服系统，位移采用精密光栅尺采集，具有很高的位移和速率伺服精度。载荷的获取采用高精度拉压力传感器，可分别采集各个方向的工作载荷。

(4) 试验机控制系统采用上位微机加可编程逻辑控制器(PCL)形式。主控制系统通过输入/输出(I/O)接口与传感器相连，能在工作过程中对位移、速率和载荷实现实时信号采集、闭环控制和显示。

(5) 应变测量采用数字散斑光学应变测量技术，能获取不同温度下的全场应变和全时测量数据，且测量精度高。

(6) 专门为高温双向拉伸试验设计的封闭式电阻加热炉，采用多点温度采集和智能分区控制加热，与此类试验通常采用的开放式电涡流加热方式相比，能大幅提高试验温度控制的准确性和炉内温度分布的均匀性，并减小温度波动。

4 结束语

金属板料在成形过程中通常都是承受复杂载荷，十字形试样双向拉伸试验与传统的单向拉伸试验相比，能更加真实地反映加载和变形情况，因其所获得的材料性能参数更为准确可信。近年来板料成形技术的发展对材料性能研究的要求日益提高，在此需求下十字形试样双向拉伸试验的国际标准应运而生，我国的国家标准也正在积极制定中，已有研究者在前者的基础上就我国目前的发展状况和现实要求提出了不同的建议[16]。相信在此推动下，这种先进的试验方法在近期内会有一个高速的发展。

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Biaxial Tensile Testing of Cruciform Specimens

XIAO Rui1, LI Xiaoxing2, LI Rongfeng3, CHEN Yangkai2, GE Yulong2, YANG Yanfeng2

(1. Beijing Hangxing Technology Development Company, Beijing 100084, China; 2. School of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University, Beijing 100191, China; 3. Design & Research Institute of Wuhan Iron & Steel Group, Wuhan 430080, China)

The focus of this work was to present a comprehensive review of the history and current situation of the biaxial tensile test technology and to prospect its development tendency by introducing the different cruciform specimen design proposal, biaxial tensile testing equipments and related theories. By illustrating the research achievements, the advantages of the test method were summarized: mechanical properties of metal sheets under complicated loading conditions could be evaluated more precisely, and more effective theoretical basis for plastic materials processing could be provided.

cruciform specimen; biaxial tensile testing; metal sheet; complicated loading condition

10.11973/lhjy-wl201708002

2016-08-03

国防973项目资助项目(613152)

肖 瑞(1985-)，男，博士研究生，主要从事航空宇航制造研究

李晓星(1953-)，男，教授，主要从事先进制造研究，li.xiaoxing@buaa.edu.cn

TG301; TG115.5

A

1001-4012(2017)08-0538-06