孫曉冉１,孟延軍２,邢承亮１,白麗娟１,薛 峰１

(１．河鋼集團鋼研總院,石家莊 ０５００００;２．河北工業職業技術學院,石家莊 ０５００００)

    摘 要:研究了總厚度≤１０mm 的 Q３４５低合金鋼＋３０４不銹鋼復合薄板抗剪性能的壓剪測試方法,并將其與傳統拉測試方法進行了對比,同時分析了搭接長度對抗剪性能測試結果的影響.

結果表明:壓剪測試方法可以用于復合薄板抗剪強度的測試,試驗結果重復性偏差≤１０ MPa,無橫向剝離力的存在,避免了拉剪方式的弊端,測試結果能更真實地反映 Q３４５＋３０４復合薄板的抗剪性能;壓剪試樣界面搭接長度增加,測得的抗剪強度降低,因此在滿足標準要求的前提下,盡量使用搭接長度較小的試樣進行壓剪測試.

    關鍵詞:復合薄板;抗剪強度;壓剪試驗;拉剪試驗;搭接長度

中圖分類號:TG１４２．４１ 文獻標志碼:A 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０６Ｇ０３９８Ｇ０４

MeasurementofShearPerformanceofQ３４５＋３０４CompositeSheet

SUNXiaoran１,MENGYanjun２,XINGChengliang

１,BAILijuan１,XUEFeng１

(１．HBISGroupTechnologyResearchInstitute,Shijiazhuang０５００００,China;

２．HebeiCollegeofIndustryandTechnology,Shijiazhuang０５００００,China)

Abstract:ThecompressionＧsheartestmethodtomeasuretheshearperformanceofQ３４５lowalloysteel＋

３０４stainlesssteelcompositesheetwithtotalthicknesslessthanorequalto１０mm wasstudiedandcomparedwith

theconventionaltensileＧsheartestmethod．Theeffectofoverlaplengthonthetestresultsofshearstrengthwasalso

analyzed．TheresultsshowthattheshearstrengthofthecompositesheetcouldbemeasuredbythecompressionＧ

sheartestmethod,andtherepeatabilitydeviationwaslessthanorequalto１０MPa．DuringcompressionＧsheartest

whichcouldavoidtheshortcomingsofthetensileＧsheartestmethod,therewasnolateralpeelforce,sothetest

resultscouldtrulyreflecttheshearperformanceofQ３４５＋３０４compositesheet．Withtheincreaseofinterface

overlaplengthofcompressionＧshearspecimens,the measuredshearstrengthdecreased．Therefore,underthe

premiseofmeetingthestandardrequirements,specimenswithsmalloverlaplengthwerepreferredtocarryoutthe

compressionＧsheartest．

Keywords:compositesheet;shearstrength;compressionＧsheartest;tensileＧsheartest;overlaplength

    復合鋼板是兩種不同材料、不同性能的金屬板材,經某種合適加工工藝復合而成的一種鋼板,基材單面復合有覆材.復合鋼板可以克服組元金屬材料各自的缺點和使用局限,具有功能性和結構性兼備的特征[１Ｇ２].界面結合質量是評價復合鋼板性能的關鍵指標之一[３Ｇ４],其中抗剪強度指標最能說明金屬復合板界面結合強度的高低,同時由于試樣加工簡單,便于測試,因此使用頻次最高[５].隨著工程材料的應用發展和實際工況的需求,對復合鋼板的性能和尺寸要求越來越高.GB/T６３９６－２００８«復合鋼板力學及工藝性能試驗方法»中規定,對于總厚度≤１０ mm 的復合薄板,可以采用拉剪方式進行測試.但有文獻指出:拉剪方式測得的抗剪強度較壓剪方式測得的偏低[６],極易造成產品指標不合格而導致錯誤判斷.為此,筆者在滿足 GB/T６３９６－２００８的前提下,設計了壓剪測試方 法,對 總 厚 度 ≤１０ mm 的 Q３４５ 低 合 金

鋼＋３０４不銹鋼復合薄板(以下簡稱 Q３４５＋３０４復合薄板)進行了多批次試驗,首先驗證了該壓剪試驗系統的穩定性和可靠性,然后將壓剪試驗結果與傳統的拉剪試驗結果進行了對比,最后分析了壓剪試樣界面搭接長度對 Q３４５＋３０４復合薄板抗剪強度測試結果的影響.

１ 試樣制備與試驗方法

    采用由“爆炸復合制坯＋熱軋”工藝研究試制的Q３４５＋３０４復合薄板作為試驗用料[７Ｇ８],其中基板材料為 Q３４５低合金鋼,覆板材料為３０４不銹鋼.通過調整軋制參數,獲得總厚度６~１０mm 的復合薄板.試驗用樣形狀及尺寸如圖１所示,機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抗剪強度測試結果的影響,對１０mm 厚度的復合薄板分別機加工了３．０~７．５ mm 不同搭接長度的壓剪試樣.壓剪試驗在自主設計的復合薄板壓剪測試系統上完成,該 測 試 系 統 由 專 門 設 計 的 壓 剪 裝 具 和INSTRONＧKN１２００ＧJ４A 型電液伺 服 試 驗 機 構 成,壓剪速率為４MPa??s－１.拉剪試驗由 ZwickＧZ１００E型電子 拉 力 試 驗 機 完 成.采 用 ZEEISＧULTRA５５型掃描電子顯微鏡對剪切后的斷口形貌進行觀察.

２．１ 壓剪方式測試復合薄板抗剪強度的可靠性分析

    GB/T６３９６－２００８規定,剪切試驗室采用靜壓縮力或者靜拉伸力,通過相應的試驗裝置,使平行于試驗力方向的基板與覆板的結合面承受剪切力直至分離,以測定抗剪強度.圖２為壓剪方式測試示意圖,可以看出試驗過程中,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度,其計算公式為

式中:τ 為抗剪強度,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的技術要求,結圖３ 壓剪測試專用模具示意圖合試驗室現有的拉伸試驗機結構特點,研制了相適應的抗剪強度測試專用模具,如圖３所示.模具內壁表面粗糙度Ra≤０．８μm,模具１和模具２刃口處的硬度不低于６５ HRC.試驗時,在保證試樣基板中心線、模具中心軸線以及試驗機中心線完全重合的前提下,根 據 試 樣 基 板 的 尺 寸 調 整 模 具 １ 和 模具２ 的位置.該模具在設計上嚴格執行對稱、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機下夾具原有的螺栓孔連接,保證了模具與試驗機的對中度,從而保證了試驗力沿試驗機的中心軸作用在復合板基板的中心線上,使施加的試驗力全部轉化為結合面處的剪切力,無橫向力或者扭轉力.選取不同厚度的 Q３４５＋３０４復合薄板３組,每組１０個試樣,分別進行壓剪測試,結果如圖４所示,其中圖４b)中的１Ｇ１和１Ｇ２表示兩個厚度為６ mm的重復試樣.由圖４可以看出:該測試系統的試驗結 果 具 有 良 好 的 測 試 重 復 性,重 復 性 偏 差≤１０MPa;試驗曲線平滑連續,符合剪切過程特點;將測試結果與 GB/T８１６５Ｇ２００８«不銹鋼復合鋼板和鋼帶 »進 行 對 比,滿 足 標 準 中 界 面 抗 剪 強 度≥２１０MPa的要求;

    同時,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,先后出現塑性剪切區域和脆性斷裂區域,并且無水平方向上的擠壓、剮蹭等現象,界面形貌完好,說明施加的作用力p 已全部轉化為界面剪切力.上述測試結果說明,該壓剪方式測試復合薄板的抗剪性能具有可行性和可靠性.

２．２ 剪切方式對抗剪性能的影響

    選取６mm 厚度和１０mm 厚度 Q３４５＋３０４復合薄板,分別采用壓剪方式和拉剪方式進行抗剪強度測試.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生滑動摩擦力,因此選用不帶臺階的基體試樣進行預試驗,以測試壓剪過程基體材料向下運動時界面摩擦力的大小,測試時試樣與兩側模具緊密接觸,結果如表１所示.由表１可以看出,即使在試樣與兩側模具緊密接觸的狀態下,試樣在兩模具間向下運動時,產生的滑動摩擦力 ≤８５ N,正 常 試 驗 時 試 樣 與 兩 模 具 間 存 在≤０．１mm 的間隙,產生的滑動摩擦力則更小,因此對于由摩擦力引起的強度誤差可以忽略不計.

    壓剪方式和拉剪方式測試得到的抗剪強度結果對比如表２所示,可以看出采用壓剪方式測得的抗剪強度比采用拉剪方式測得的偏高.對試樣來說,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.在拉剪試驗過程中,試樣搭接界面處與試驗機軸心偏離,加載時存在載荷偏心的問題,使得搭接界面兩端存在剝離力,對于金屬復合板來說,剝離承受力通常比較低,因此在拉剪時搭 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,產生了混合型破壞,造成測得的抗剪強度偏低.而在壓剪試驗過程中,界面的剝離應力被模具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力,界面不存在內部其他損壞方式,施加的試驗力 p 全部轉 化 為 界 面 的 剪 切力,因此壓剪方式測得的抗剪強度更具有參考性.

２．３ 搭接長度對抗剪性能的影響

    對搭接長度為３．０~７．５mm、厚度為１０mm 的４組 Q３４５＋３０４復合薄板試樣進行了壓剪測試,每組試樣１０個,均具有相同的來源,對試樣結果統計后進行對比分析,結果如表３所示.

    對表３的數據結果進行分析可見,當采用壓剪方式測試抗剪強度時,隨著界面搭接長度的增加,界面處的抗剪強度呈現出遞減的趨勢.分析認為,剪切過程遵循基于力Ｇ位移關系的連續損傷機制,損傷優先從界面邊緣處產生,進而擴展至整個界面,全過程符合彈塑性力學原理.但當界面搭接長度增加時,試樣受力面積增大,隨著試驗力的增加,界面處材料變形嚴重,受力變得不均勻[６],受力狀態復雜化,損傷并非全部在界面處產生并擴展,界面內部也極有可能產生破壞,使得破壞速度加快,界面材料的承受能力下降,從而導致了抗剪強度的下降.因此,在進行壓剪測試時,試驗人員需充分考慮試樣搭接區域的長度,在滿足標準要求的前提下,盡量選擇搭接長度較小的試樣.

３ 結論

     (１)對總厚度 ≤１０ mm 的 Q３４５ 低合金鋼 ＋３０４不銹鋼復合薄板,采用自主設計的壓剪試驗系統,可以很好地實現抗剪強度的測試,測試結果重復性偏差≤１０ MPa,斷口形貌具有明顯的剪切特征,說明在保證試驗系統對中性的前提下,壓剪方式適用于復合薄板抗剪強度的測試.

     (２)壓剪方式測得的抗剪強度明顯高于拉剪方式測得的,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測試結果的影響,測試結果更能真實地反映復合薄板的界面剪切強度.

    (３)在進行 Q３４５低合金鋼＋３０４不銹鋼復合薄板抗剪強度測試時,試樣界面搭接長度增加,測得的抗剪強度會降低,因此在滿足標準要求的前提下,盡量使用搭接長度較小的試樣進行測試.

（文章來源：材料與測試網-理化檢驗-物理分冊）