孙晓冉１,孟延军２,邢承亮１,白丽娟１,薛 峰１

(１．河钢集团钢研总院,石家庄 ０５００００;２．河北工业职业技术学院,石家庄 ０５００００)

    摘 要:研究了总厚度≤１０mm 的 Q３４５低合金钢＋３０４不锈钢复合薄板抗剪性能的压剪测试方法,并将其与传统拉测试方法进行了对比,同时分析了搭接长度对抗剪性能测试结果的影响.

结果表明:压剪测试方法可以用于复合薄板抗剪强度的测试,试验结果重复性偏差≤１０ MPa,无横向剥离力的存在,避免了拉剪方式的弊端,测试结果能更真实地反映 Q３４５＋３０４复合薄板的抗剪性能;压剪试样界面搭接长度增加,测得的抗剪强度降低,因此在满足标准要求的前提下,尽量使用搭接长度较小的试样进行压剪测试.

    关键词:复合薄板;抗剪强度;压剪试验;拉剪试验;搭接长度

中图分类号:TG１４２．４１ 文献标志码:A 文章编号: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

    复合钢板是两种不同材料、不同性能的金属板材,经某种合适加工工艺复合而成的一种钢板,基材单面复合有覆材.复合钢板可以克服组元金属材料各自的缺点和使用局限,具有功能性和结构性兼备的特征[１Ｇ２].界面结合质量是评价复合钢板性能的关键指标之一[３Ｇ４],其中抗剪强度指标最能说明金属复合板界面结合强度的高低,同时由于试样加工简单,便于测试,因此使用频次最高[５].随着工程材料的应用发展和实际工况的需求,对复合钢板的性能和尺寸要求越来越高.GB/T６３９６－２００８«复合钢板力学及工艺性能试验方法»中规定,对于总厚度≤１０ mm 的复合薄板,可以采用拉剪方式进行测试.但有文献指出:拉剪方式测得的抗剪强度较压剪方式测得的偏低[６],极易造成产品指标不合格而导致错误判断.为此,笔者在满足 GB/T６３９６－２００８的前提下,设计了压剪测试方 法,对 总 厚 度 ≤１０ mm 的 Q３４５ 低 合 金

钢＋３０４不锈钢复合薄板(以下简称 Q３４５＋３０４复合薄板)进行了多批次试验,首先验证了该压剪试验系统的稳定性和可靠性,然后将压剪试验结果与传统的拉剪试验结果进行了对比,最后分析了压剪试样界面搭接长度对 Q３４５＋３０４复合薄板抗剪强度测试结果的影响.

１ 试样制备与试验方法

    采用由“爆炸复合制坯＋热轧”工艺研究试制的Q３４５＋３０４复合薄板作为试验用料[７Ｇ８],其中基板材料为 Q３４５低合金钢,覆板材料为３０４不锈钢.通过调整轧制参数,获得总厚度６~１０mm 的复合薄板.试验用样形状及尺寸如图１所示,机加工制备了总厚度为６,８,１０mm 的３种试样,每种厚度试样分别加工压剪试样和拉剪试样.为分析界面搭接长度对抗剪强度测试结果的影响,对１０mm 厚度的复合薄板分别机加工了３．０~７．５ mm 不同搭接长度的压剪试样.压剪试验在自主设计的复合薄板压剪测试系统上完成,该 测 试 系 统 由 专 门 设 计 的 压 剪 装 具 和INSTRONＧKN１２００ＧJ４A 型电液伺 服 试 验 机 构 成,压剪速率为４MPa??s－１.拉剪试验由 ZwickＧZ１００E型电子 拉 力 试 验 机 完 成.采 用 ZEEISＧULTRA５５型扫描电子显微镜对剪切后的断口形貌进行观察.

２．１ 压剪方式测试复合薄板抗剪强度的可靠性分析

    GB/T６３９６－２００８规定,剪切试验室采用静压缩力或者静拉伸力,通过相应的试验装置,使平行于试验力方向的基板与覆板的结合面承受剪切力直至分离,以测定抗剪强度.图２为压剪方式测试示意图,可以看出试验过程中,采集试样所受最大剪切力除以界面处的搭接面积即可得到抗剪强度,其计算公式为

式中:τ 为抗剪强度,MPa;p 为最大剪切力,N;A为试样基板与覆板的搭接面积,mm２;b 为试样宽度,mm;c为试样搭接高度,mm.

    首先,参考 GB/T６３９６－２００８的技术要求,结图３ 压剪测试专用模具示意图合试验室现有的拉伸试验机结构特点,研制了相适应的抗剪强度测试专用模具,如图３所示.模具内壁表面粗糙度Ra≤０．８μm,模具１和模具２刃口处的硬度不低于６５ HRC.试验时,在保证试样基板中心线、模具中心轴线以及试验机中心线完全重合的前提下,根 据 试 样 基 板 的 尺 寸 调 整 模 具 １ 和 模具２ 的位置.该模具在设计上严格执行对称、紧密连接的概念,试样与两模具间间隙≤０．１ mm,底座通过螺栓与试验机下夹具原有的螺栓孔连接,保证了模具与试验机的对中度,从而保证了试验力沿试验机的中心轴作用在复合板基板的中心线上,使施加的试验力全部转化为结合面处的剪切力,无横向力或者扭转力.选取不同厚度的 Q３４５＋３０４复合薄板３组,每组１０个试样,分别进行压剪测试,结果如图４所示,其中图４b)中的１Ｇ１和１Ｇ２表示两个厚度为６ mm的重复试样.由图４可以看出:该测试系统的试验结 果 具 有 良 好 的 测 试 重 复 性,重 复 性 偏 差≤１０MPa;试验曲线平滑连续,符合剪切过程特点;将测试结果与 GB/T８１６５Ｇ２００８«不锈钢复合钢板和钢带 »进 行 对 比,满 足 标 准 中 界 面 抗 剪 强 度≥２１０MPa的要求;

    同时,从剪切后的断面 SEM形貌来看,剪切断面上存在两种完全不同的相貌特征,沿作用力p 施加方向,先后出现塑性剪切区域和脆性断裂区域,并且无水平方向上的挤压、剐蹭等现象,界面形貌完好,说明施加的作用力p 已全部转化为界面剪切力.上述测试结果说明,该压剪方式测试复合薄板的抗剪性能具有可行性和可靠性.

２．２ 剪切方式对抗剪性能的影响

    选取６mm 厚度和１０mm 厚度 Q３４５＋３０４复合薄板,分别采用压剪方式和拉剪方式进行抗剪强度测试.考虑到压剪过程中,试样可能与模具１和模具２之间存在界面接触并产生滑动摩擦力,因此选用不带台阶的基体试样进行预试验,以测试压剪过程基体材料向下运动时界面摩擦力的大小,测试时试样与两侧模具紧密接触,结果如表１所示.由表１可以看出,即使在试样与两侧模具紧密接触的状态下,试样在两模具间向下运动时,产生的滑动摩擦力 ≤８５ N,正 常 试 验 时 试 样 与 两 模 具 间 存 在≤０．１mm 的间隙,产生的滑动摩擦力则更小,因此对于由摩擦力引起的强度误差可以忽略不计.

    压剪方式和拉剪方式测试得到的抗剪强度结果对比如表２所示,可以看出采用压剪方式测得的抗剪强度比采用拉剪方式测得的偏高.对试样来说,拉剪方式无横向约束力,压剪方式因有模具１和模具２的夹持,故存在横向约束力.在拉剪试验过程中,试样搭接界面处与试验机轴心偏离,加载时存在载荷偏心的问题,使得搭接界面两端存在剥离力,对于金属复合板来说,剥离承受力通常比较低,因此在拉剪时搭 接界面在轴向拉伸、横向剥离以及无横向束缚的多重作用力下,产生了混合型破坏,造成测得的抗剪强度偏低.而在压剪试验过程中,界面的剥离应力被模具１和模具２的横向约束力抵消,试样只承受沿界面方向的垂直试验力,界面不存在内部其他损坏方式,施加的试验力 p 全部转 化 为 界 面 的 剪 切力,因此压剪方式测得的抗剪强度更具有参考性.

２．３ 搭接长度对抗剪性能的影响

    对搭接长度为３．０~７．５mm、厚度为１０mm 的４组 Q３４５＋３０４复合薄板试样进行了压剪测试,每组试样１０个,均具有相同的来源,对试样结果统计后进行对比分析,结果如表３所示.

    对表３的数据结果进行分析可见,当采用压剪方式测试抗剪强度时,随着界面搭接长度的增加,界面处的抗剪强度呈现出递减的趋势.分析认为,剪切过程遵循基于力Ｇ位移关系的连续损伤机制,损伤优先从界面边缘处产生,进而扩展至整个界面,全过程符合弹塑性力学原理.但当界面搭接长度增加时,试样受力面积增大,随着试验力的增加,界面处材料变形严重,受力变得不均匀[６],受力状态复杂化,损伤并非全部在界面处产生并扩展,界面内部也极有可能产生破坏,使得破坏速度加快,界面材料的承受能力下降,从而导致了抗剪强度的下降.因此,在进行压剪测试时,试验人员需充分考虑试样搭接区域的长度,在满足标准要求的前提下,尽量选择搭接长度较小的试样.

３ 结论

     (１)对总厚度 ≤１０ mm 的 Q３４５ 低合金钢 ＋３０４不锈钢复合薄板,采用自主设计的压剪试验系统,可以很好地实现抗剪强度的测试,测试结果重复性偏差≤１０ MPa,断口形貌具有明显的剪切特征,说明在保证试验系统对中性的前提下,压剪方式适用于复合薄板抗剪强度的测试.

     (２)压剪方式测得的抗剪强度明显高于拉剪方式测得的,因压剪方式无横向剥离力的存在,避免了其他方向上的作用力对测试结果的影响,测试结果更能真实地反映复合薄板的界面剪切强度.

    (３)在进行 Q３４５低合金钢＋３０４不锈钢复合薄板抗剪强度测试时,试样界面搭接长度增加,测得的抗剪强度会降低,因此在满足标准要求的前提下,尽量使用搭接长度较小的试样进行测试.

（文章来源：材料与测试网-理化检验-物理分册）