CN110926940B - 材料表面极限接触强度的测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种材料表面极限接触强度的测试方法，其包括以下步骤：步骤S1、安装待测试件和连接数据采集系统，进行测试装置和所述待测试件的调试工作；步骤S2、通过所述测试装置向所述待测试件施加向下载荷力；步骤S3、对待测试件分级增加载荷，每级5KN‑10KN，加载速率为100‑500N/s；步骤S4、通过测量并计算获取所述待测试件的极限接触压强PG。本发明材料表面极限接触强度的测试方法通过研究对材料表面极限接触强度的测试，能够较正确地测定材料表面极限接触强度，通过不断的验证，这种方法更符合实际情况。
Description
技术领域
本发明涉及材料性能测试领域，特别涉及一种材料表面极限接触强度的测试方法。
背景技术
在汽车领域中，紧固件设计在必须满足汽车接头设计性能和功能性要求的同时，尽可能采用最小最安全的紧固件来降低重量，以提高汽车的安全性和驾驶的舒适性。在紧固件安装工艺设计中，必须考虑由紧固件拧紧过程中产生被连接件材料表面压溃而使拧紧扭矩损失，导致紧固件连接失效这一问题。这也是众多连接失效中关键的一环，但是如何能够正确的获得材料表面的极限接触强度，至今为止国内还没有一家专业机构或高校对这一材料特性有研究。
材料表面极限接触强度是材料的一个物理量，也是一个非常重要的性能参数。但是这个量在材料应用中非常的少，因此钢厂、高校院所对这个量的研究基本没有。虽然在紧固件设计标准中有一些材料的表面接触强度的参数，但对于目前高强度钢和轻量化铝合金、镁合金以及复合材料的不断应用，标准中的数据已经无法满足实际需要。
目前，我们设计中往往采用与标准中相同类型材料进行等比例换算的方式进行理论设计所用，但在实际装车试验或在实验室进行试验，发现按照现有的方法来考虑表面压溃引起加紧力失效的方式存在很大的差异，往往导致我们设计工艺参数与实际情况不符的现象。
有鉴于此，本领域技术人员亟待改进材料表面极限接触强度的测试方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中材料表面极限接触强度的参数无法满足实际需求的缺陷，提供一种材料表面极限接触强度的测试方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
一种材料表面极限接触强度的测试方法，其特点在于，所述测试方法包括以下步骤：
步骤S1、安装待测试件和连接数据采集系统，进行测试装置和所述待测试件的调试工作；
步骤S2、通过所述测试装置向所述待测试件施加向下载荷力；
步骤S3、对待测试件分级增加载荷，每级5KN-10KN，加载速率为100-500N/s；
步骤S4、通过测量并计算获取所述待测试件的表面极限接触强度PG。
根据本发明的一个实施例，所述测试方法采用的测试装置包括千分表、拉伸螺栓和环式压力传感器，所述待测试件放置在所述环式压力传感器上，通过所述环式压力传感器测量施加的外载荷；
所述拉伸螺栓穿过所述待测试件和所述环式压力传感器，所述千分表设置在所述拉伸螺栓的上部，用于测量加载过程中所述拉伸螺栓的位移。
根据本发明的一个实施例，所述步骤S2中还包括：所述拉伸螺栓对所述待测试件施加向下载荷力，从零连续增加，直至所述千分表开始检测到所述拉伸螺栓的位移时，所述待测试件达到屈服极限，处于预紧状态，由所述环式压力传感器记录Fvmax值，Fvmax为最大预紧力。
根据本发明的一个实施例，所述步骤S3中还包括：所述拉伸螺栓加载到预设载荷保持时间15s-120s，所述千分表测量所述拉伸螺栓的位移。
根据本发明的一个实施例，所述步骤S3中还包括：当这15s-120s的保持时间内发生的2um-2.5um的塑性形变或累计已发生了100um-150um的压深时，则认为所述拉伸螺栓发生了明显的短期松弛效应，此时对应的接触压强即为极限接触压强，通过所述环式压力传感器记录FSAmax值，FSAmax为最大附加拧紧力。
根据本发明的一个实施例，所述步骤S4中还包括：通过测量并计算所述待测试件与所述拉伸螺栓的最小投影面积Apmin值，Apmin为最小投影面积。
根据本发明的一个实施例，所述测试方法为常温下的材料试验，所以△Fvth取值为0，△Fvth为热负载下的预紧力。
根据本发明的一个实施例，将Fvmax值、FSAmax值、△Fvth和Apmin带入公式：
根据本发明的一个实施例，所述测试方法的安全系数验证为：
根据本发明的一个实施例，所述拉伸螺栓包括螺栓和螺杆。
本发明的积极进步效果在于：
本发明材料表面极限接触强度的测试方法通过研究对材料表面极限接触强度的测试，能够较正确地测定材料表面极限接触强度，通过不断的验证，这种方法更符合实际情况。
附图说明
本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：
图1为本发明材料表面极限接触强度的测试方法采用的测试装置的结构示意图。
图2为图1中A部分的放大图。
图3为本发明材料表面极限接触强度的测试方法采用的测试装置中拉伸螺栓的主视图。
图4为本发明材料表面极限接触强度的测试方法采用的测试装置中拉伸螺栓的左视图。
图5为本发明材料表面极限接触强度的测试方法采用的测试装置中待测试件的主视图。
图6为本发明材料表面极限接触强度的测试方法采用的测试装置中待测试件的俯视图。
【附图标记】
千分表 10
拉伸螺栓 20
环式压力传感器 30
待测试件 40
螺栓 21
螺杆 22
具体实施方式
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
现在将详细参考附图描述本发明的实施例。现在将详细参考本发明的优选实施例，其示例在附图中示出。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。
此外，尽管本发明中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本发明说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。
此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本发明。
图1为本发明材料表面极限接触强度的测试方法采用的测试装置的结构示意图。图2为图1中A部分的放大图。图3为本发明材料表面极限接触强度的测试方法采用的测试装置中拉伸螺栓的主视图。图4为本发明材料表面极限接触强度的测试方法采用的测试装置中拉伸螺栓的左视图。图5为本发明材料表面极限接触强度的测试方法采用的测试装置中待测试件的主视图。图6为本发明材料表面极限接触强度的测试方法采用的测试装置中待测试件的俯视图。
如图1至图6所示，本发明公开了一种材料表面极限接触强度的测试方法，其依次通过逐步加载找到能够保证预紧力精度的支承面的极限接触强度。在被连接件屈服强度以下，通常塑性变形是不会发生，短期松弛效应对预紧力精度几乎没有影响。因此本申请中以屈服强度为起点对被连接件继续逐步加载。
所述测试方法采用的测试装置包括千分表10、拉伸螺栓20和环式压力传感器30，将待测试件40放置在环式压力传感器30上，通过环式压力传感器30测量施加的外载荷。拉伸螺栓20穿过待测试件40和环式压力传感器30，千分表10设置在拉伸螺栓20的上部，用于测量加载过程中拉伸螺栓20的位移。
拉伸螺栓20优选地包括螺栓21和螺杆22。螺杆22依次穿过待测试件40和环式压力传感器30的中心孔，螺杆22向下施加拉伸力，使用环式压力传感器30测量所施加的外载荷，千分表10置于螺栓21端头正上方，测量加载过程中螺栓21的位移。其中，当在螺杆22上施加拉伸力时，待测试件40的上表面和螺栓21的端面充分接触并使待测试件40上产生一定的压力。此时随着载荷的不断增加，待测试件40压缩一定的位移量，而千分表10纪录了在压力作用下待测试件40被压缩产生的位移量，而放置在待测试件40下面的圆环压力传感器30纪录了螺杆22施加的力值大小。
本发明材料表面极限接触强度的测试方法具体包括以下步骤：
步骤S1、安装待测试件40和连接数据采集系统，进行测试装置和待测试件40的调试工作。
步骤S2、通过所述测试装置向待测试件40施加向下载荷力。
拉伸螺栓20对待测试件40施加向下载荷力，从零连续增加，直至千分表10开始检测到拉伸螺栓20的位移时，待测试件40达到屈服极限，处于预紧状态，由环式压力传感器30记录Fvmax值，Fvmax为最大预紧力。
步骤S3、对待测试件40分级增加载荷，每级5KN-10KN，加载速率为100-500N/s。
拉伸螺栓20加载到预设载荷保持时间15s-120s，千分表10测量拉伸螺栓20的位移。当这15s-120s的保持时间内发生的2um-2.5um的塑性形变或累计已发生了100um-150um的压深时，则认为拉伸螺栓20发生了明显的短期松弛效应，此时对应的接触压强即为极限接触压强，通过环式压力传感器30记录FSAmax值，FSAmax为最大附加拧紧力。
步骤S4、通过测量并计算获取待测试件40的表面极限接触强度PG。
通过测量并计算待测试件40与拉伸螺栓20的最小投影面积Apmin值，Apmin为最小投影面积。所述测试方法为常温下的材料试验，所以△Fvth取值为0，△Fvth为热负载下的预紧力。
将Fvmax值、FSAmax值、△Fvth和Apmin带入公式(1)：
优选地，所述测试方法的安全系数验证满足公式(2)：
根据上述描述可知，本发明材料表面极限接触强度的测试方法的原理为：在螺栓的拧紧过程中，由于紧固件的回转运动以及周向运动，通过相互接触作用形成了紧固效果。本发明中的加载方式，不考虑螺栓头与被连接件结合面之间的摩擦因素，通过拉伸螺杆部分完成预紧。
当完成预紧后，支承面由于预紧力的作用会承受一个接触压强，其大小随着接触面积的减小而增大，并且通常能够达到被连接件的屈服极限，但很少能达到螺栓屈服极限。在超过抗拉屈服极限之后，被连接件就会发生塑性变形，由于塑性变形发生较为缓慢。因此在完成预紧后，被连接件也有可能发生较大的塑形变形，是连接处的预紧力损失，发生短期松弛效应。
在极端情况下起作用的附加拧紧力的增加将会导致连接处的失效。所以在设计螺栓拧紧工艺的时候，必须校核螺栓在外载荷作用下的表面压力不能超过被连接件材料的表面极限接触强度的要求。
实际工作状况下出现的应力可以由预紧力的大小、附加拧紧力以及热负载确定。前两种因素在螺纹连接中起到主要因素，而第三种热负载因素主要在有轻质金属合金(导热系数不一样)与螺栓的螺纹连接中起作用。很多现有文献中的材料没有针对新型材料的实验，导致很多新材料(例如蠕虫状石墨的铸造材料)不能够使用。
不管怎样的被连接件材料属性，紧固件设计中必须满足上述公式(1)的最基本要求，设计时安全系数必须达到上述公式(2)的最低要求，否则紧固件夹紧力的设计无法保证接头性能的可靠性。
本发明材料表面极限接触强度的测试方法的试验如下，此处仅为举例，并不受其具体试验局限：
试验一：
本发明材料表面极限接触强度的测试方法中以材料Q235B为例进行试验，试验中采用M10×10-12.9级六角头高强度螺杆为试验用拉伸螺栓20。
试验中被试件选用φ40/φ10.5*×20mm的高垫片，垫片上没有进行倒角处理仅去除毛刺。当待测试件40预紧后，分级增加载荷，每级5KN，在每一个加载等级下保持120s，并且测量塑形变形的痕迹。
当载荷保持时间内塑形变形的单次痕迹超过2um或凹痕的总压深深度超过100um时，试验被视为结束。此时判定为被连接件发生了较为明显的短期松弛效应，其对应的接触强度即为极限接触强度。此时极限接触强度是极限接触压力与有效接触面积的比值。此处表1记录了上述试验在100N/s和500N/s不同加载速率下的试验数据。
表1：同种材料在不同加载速率下的极限接触压强
本试验数据和国际通用的高强度螺栓连接系统计算标准VDI2230中的Q235进行了比较，数据如下表2所示：
| 数据来源 | 屈服强度MPa | 抗拉强度MPa | 极限接触压强MPa |
| VDI2230 | 230 | 340 | 490 |
| 实验结果 | 252 | 330 | 433 |
通过和VDI2230标准中的试验数据进行比较发现，实测数据和对比数据之间存在一定的偏差，偏差原因由于国外材料和国内材料本身存在一定的差异，其次被连接件的表面状态也有所差别导致的，但数据差异在10％左右，说明该试验方法测量极限接触强度的有效性。
试验二：
减震器顶部支承(mount)上下片材料有SAPH370/SAPH440/SPHC三种材料，在没有本测试方法之前，只能按照VDI2230标准中S235 JRG1材料的接触压强数值等比例换算(线性插值法)出三种材料的特性，其结果如下表3所示：
| 材料 | 抗拉极限MPa | 极限接触压强MPa |
| S235 JRG1 | 340 | 490 |
| SAPH370 | 370 | 533 |
| SAPH440 | 440 | 634 |
| SPHC | 270 | 389 |
整个减震器铰链的作用是：上端与副车架或车上固定链接，下端与车轿或固定干连接。其主要有以下几个任务和性能：一、补偿车桥的制造公差；二、可以有万向的角度柔度，以使反力距尽可能的小；三、在整体的车桥运动学范围内具备弹性运动学性能；四、可以隔绝频率大于30Hz的噪声。
通过该数值设计出的减震器进行台架试验和道路试验时，发现减震器在完成台架试验20％-80％寿命，或道路试验跑完20％-80％的公里数就发生异响。分析其原因，基本都是由于螺栓扭矩衰减引起的。这种采用等比例换算(线性插值法)求得的材料表面极限接触强度进行的螺栓扭矩的校核，理论上不会发生压溃而使扭矩衰减，但实际试验中产生了由于扭矩衰减而异响的问题，不应出现表面压溃的发生了压溃，这种理论推算并不可行。
采用本测试方法对减震器mount上下片材料进行了试验，其测试数据如下
表4所示：
| 材料 | 极限接触压力N | 极限接触压强MPa |
| SAPH370 | 33050.80 | 403.11 |
| SAPH440 | 38423.90 | 470.46 |
| SPHC | 32938.20 | 402.58 |
将上述测试数据对原设计中的数据进行了对换，发现原设计不应出现表面压溃的发生了压溃，即PG≤PBmax，和台架试验和道路试验保持一致性，从而作证了试验得出的数据更加符合实际台架试验和路试试验的实际工况，因此，本发明中的试验方法普遍用于材料的表面极限接触强度的测试是可行的，数据是有效的。
综上所述，本发明材料表面极限接触强度的测试方法通过研究对材料表面极限接触强度的测试，能够较正确地测定材料表面极限接触强度，通过不断的验证，这种方法更符合实际情况。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种材料表面极限接触强度的测试方法，其特征在于，所述测试方法包括以下步骤：
步骤S1、安装待测试件和连接数据采集系统，进行测试装置和所述待测试件的调试工作；
步骤S2、通过所述测试装置向所述待测试件施加向下载荷力；
步骤S3、对待测试件分级增加载荷，每级5KN-10KN，加载速率为100-500N/s；
步骤S4、通过测量并计算获取所述待测试件的表面极限接触强度PG；
所述测试方法采用的测试装置包括千分表、拉伸螺栓和环式压力传感器，所述待测试件放置在所述环式压力传感器上，通过所述环式压力传感器测量施加的外载荷；
所述拉伸螺栓穿过所述待测试件和所述环式压力传感器，所述千分表设置在所述拉伸螺栓的上部，用于测量加载过程中所述拉伸螺栓的位移；
所述步骤S2中还包括：所述拉伸螺栓对所述待测试件施加向下载荷力，从零连续增加，直至所述千分表开始检测到所述拉伸螺栓的位移时，所述待测试件达到屈服极限，处于预紧状态，由所述环式压力传感器记录Fvmax值，Fvmax为最大预紧力；
所述步骤S3中还包括：所述拉伸螺栓加载到预设载荷保持时间15s-120s，所述千分表测量所述拉伸螺栓的位移；
所述步骤S3中还包括：当这15s-120s的保持时间内发生的2um-2.5um的塑性形变或累计已发生了100um-150um的压深时，则认为所述拉伸螺栓发生了明显的短期松弛效应，此时对应的接触压强即为表面极限接触强度 ，通过所述环式压力传感器记录FSAmax值，FSAmax为最大附加拧紧力；
所述步骤S4中还包括：通过测量并计算所述待测试件与所述拉伸螺栓的最小投影面积Apmin值，Apmin为最小投影面积；
所述测试方法为常温下的材料试验，所以△Fvth取值为0，△Fvth为热负载下的预紧力；
将Fvmax值、FSAmax值、△Fvth和Apmin带入公式：
2.如权利要求1所述的材料表面极限接触强度的测试方法，其特征在于，所述测试方法的安全系数验证为：
3.如权利要求1或2任意一项所述的材料表面极限接触强度的测试方法，其特征在于，所述拉伸螺栓包括螺栓和螺杆。
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| CN110926940A (zh) | 2020-03-27 |
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