基于數字散斑相關方法的VCM 深沖鋼板力學性能評價

張志城，從一博，郭照燦，張德海

（1.江蘇師范大學中俄學院，江蘇 徐州 221116；2.河南大學民生學院，河南 開封 475001；3.鄭州輕工業大學 機電工程學院，鄭州 450002）

我國的材料制備及性能評價技術與發達國家存在一定的差距，其評價技術手段直接影響了我國先進材料的研究、開發、應用和產業化進程，并影響到傳統材料產業和高新技術材料產業的技術進步和機械科學的發展，因此，發展具有自主知識產權的材料性能評價技術是我國工程領域亟待解決的問題。VCM 深沖鋼板屬于雙金屬復層板，是將鋼材進行表面處理后，涂敷（輥涂）或粘結有機薄膜并加熱烘烤而成的產品，廣泛應用在白色家電尤其是冰箱門體的外觀面板上。

由于VCM 深沖鋼板各組分材料在變形過程中很難達到屈服和破壞的同步，材料很容易在附加應力的作用下沿薄弱方向產生失效乃至斷裂。如何判斷在外加及內在因素影響下材料的變形機理和變形過程顯得尤為迫切和重要[1—4]。國內外學者對VCM 深沖鋼板的研究較少涉足，而應變模型的計算和檢測是影響其性能的關鍵因素之一。現有的單層材料線彈性和彈塑性理論模型并不能很好地解釋復層材料工程應用中的問題，限制了復層材料的進一步應用，因此，采用新的應變評價方法勢在必行[5—9]。

數字散斑相關方法（Digital Speckle Correlation Method，DSCM）屬于非接觸的光測力學實驗方法，具有試驗準備簡單、可測試件尺寸范圍大、環境適應性強、全場非接觸測量等優點，因而被引入材料、機械、電子等各行業用于工件的變形測量，并快速發展成為實驗力學領域的一種主要的光學檢測方法。何向前等[10]通過散斑測量方法對試樣的初始應力進行了測量，實現了無接觸測量。李耿等[11]通過三維攝影技術測量了鋁合金的焊接變形。張德海等[12]進一步對數字圖像相關法在跨學科的力學、材料、機械、機器視覺等方面進行了進展研究，并提出了下一步的研究熱點。王懷文等[13]應用數字散斑相關技術研究薄膜材料斷裂問題，張喆[14]采用DSCM 技術研究木材斷裂問題，王曉光等[15]采用DSCM 技術用來測量地震振動臺實驗過程中的位移變化，上述研究均未涉及VCM深沖鋼板的應變檢測研究，因此采用非接觸光學測量方法來獲取VCM 深沖鋼板的應變幾何信息并進行評價將是一種新的積極的研究方法。

1 VCM 鋼板力學性能評價

VCM 深沖鋼板來自于河南新飛電器有限公司的冰箱門外殼，其結構組成見圖1，基板為SPCE 深沖鋼板，來自于韓國浦項公司，VCM 覆膜生產廠商是深圳市美達思裝飾材料有限公司。VCM 是一種氯乙烯薄膜聚合物。

圖1 VCM 深沖鋼板的組成Fig.1 Composition of VCM deep-impact steel plate

選擇5 個力學參數（抗拉強度、彈性模量、上屈服強度、最大力下總伸長率和斷后伸長率）進行測量并評價。材料分別為VCM 深沖（SPCE）鋼板、SPCE深沖基板和VCM 薄膜，在軋制方向0°，45°，90°位置方向各選擇5 個試樣作為一組。利用數字相關方法對其進行測量。兩相機拍攝中心區域的中線相交于測量區域的中部，投影形成360 mm×270 mm 的重疊視場，拉伸過程總時間為150 s，取樣頻率為2 幀/s。其力學參數取加權平均值，見表1。

表1 3 種材料的主要力學參數Tab.1 The main mechanical parameters of three materials

基于復合材料混合定律，測定VCM 薄膜和SPCE深沖鋼板基板的數值并計算，從而獲得VCM 深沖鋼板的主要力學參數，VCM 深沖鋼板的計算得到的抗拉強度、彈性模量、上屈服強度、最大力下總伸長率、斷后伸長率分別為301.586 MPa，15 206.845 MPa，242.777 MPa，30.889%，44.074%。

1.1 偏離系數

綜上所述，最大力下總伸長率和斷后伸長率較好的吻合復合材料混合定律，抗拉強度基本吻合復合材料混合定律，但是彈性模量和上屈服強度不符合復合材料混合定律。

圖2 VCM 深沖鋼板的偏離系數Fig.2 The deviation coefficient of VCM deep-impact steel plate

1.2 影響系數

為計算深沖鋼板基板和VCM 覆膜對VCM 深沖鋼板性能的影響大小，引入兩個影響系數，Pjb為深沖鋼板基板影響系數，Pbm為VCM 薄膜影響系數。

式中：Ijb為深沖鋼板基板的力學參數；Icom為VCM 鋼板的力學參數。

式中：Ibm為VCM 薄膜的力學參數。

深沖鋼板基板影響系數以及VCM 薄膜影響系數可以用于評價鋼板的力學性能，并且能夠顯示深沖鋼板基板和VCM 薄膜在復層板中各自的決定作用以及影響程度，這兩種影響系數數值越大，表示該組分對于復合鋼板的總體影響程度越大，反之則影響程度越小。

1.3 梯度系數

由于組成VCM 復合鋼板的深沖基板和VCM 覆膜的力學性能數值兩者相差較大，為了更好地進行比較，進一步引入梯度影響系數Δ進行研究，計算見式（4）。

深沖基板的影響程度中，彈性模量、抗拉強度、上屈服強度、梯度系數這些值和基板的影響程度呈正比關系。對于VCM 薄膜，其中斷后伸長率和最大力下總伸長率，梯度系數和薄膜的影響呈反比關系。綜合式（3—5）和深沖VCM 鋼板的各項偏離系數，得到表2。

表2 深沖VCM 鋼板的影響系數和梯度系數Tab.2 The influence coefficient and gradient coefficient of deep-impact VCM steel plate

由表2 可以看出，影響系數中深沖基板對VCM鋼板影響最大的是彈性模量，其值可達到2.582；影響最小的是最大力下總伸長率，其值為0.806；影響再大一些的是斷后伸長率，影響系數為0.859。僅有這兩個參數值小于1，也說明深沖鋼板基板對VCM深沖鋼板力學性能的影響參數中，彈性模量、抗拉強度、上屈服強度的影響遠遠大于斷后伸長率和最大力下總伸長率的影響；VCM 薄膜對VCM 鋼板的影響中，影響系數最小的是彈性模量，為0，所以不需要考慮復層材料中VCM 薄膜對其彈性模量的影響；影響系數中最大的是最大力下總伸長率為1.141，其次是斷后伸長率為0.954，說明在烘烤覆膜VCM 薄膜之后，在延伸性能方面，VCM 復層板得到一定的加強，并且對于抗拉強度和上屈服強度方面有一定影響，但其影響系數都小于0.3，說明影響程度較小。通過梯度系數的分析，發現抗拉強度小于上屈服強度，上屈服強度小于彈性模量，這樣更加說明了對VCM復層板力學性能的影響中，對于深沖基板，影響數值大小主要貢獻來自彈性模量、上屈服強度和抗拉強度；對于VCM 薄膜的梯度影響系數上，最大力下總伸長率大于斷裂強度，說明薄膜對于VCM 深沖鋼板的最大力下總伸長率的影響大于斷后伸長率的影響。

圖3 深沖VCM 深沖鋼板的影響系數和梯度系數Fig.3 The influence coefficient and gradient coefficient of deep-impact VCM deep-impact steel plate

2 基于數字散斑相關方法的VCM 鋼板力學性能評價

采用了XJTUDIC 系統用于數字散斑相關方法的計算處理，該系統能夠很好地探測出試樣的三維輪廓，并且能夠直觀地展示出工件的應力場、應變場和成形極限圖（FLD），并且，對于需要重點測量的位置可以定點測量追蹤，以便于能夠重點地在動態測量中測量出任意時刻、任意位移的應變狀態，并且該系統還可以應用到各種不同條件下的力學測量情況。

選取深沖基板、深沖VCM 鋼板、VCM 薄膜3種材料，并取其45°方向的試樣進行實驗對比分析，運用XJTUDIC 系統，在試樣的x軸和y軸方向上各取一對種子點，在試樣拉伸過程中對變形前后的散斑圖像進行對比分析，獲得試件表面上種子點的運動，以及XJTUDIC 系統中的散斑計算，再經過三維重建，計算得到種子點所在區域的三維位移場，并在此基礎上得到物體的三維應變場，以及各種變形場的所有數據。

如圖4 為數字散斑測量系統對VCM 薄膜45° 方向試樣在三維方向位移的變化情況，本次實驗只選用拉伸試驗中最終將要拉斷時刻的應變云圖，并以此來評定材料的力學性能，從該實驗中獲得3 種材料的x軸和y軸方向的應變和最大主應變。

圖4 45°方向的VCM 薄膜的最大位移云圖及散斑處理圖像Fig.4 The maximum displacement cloud graph and speckle treatment image of VCM film along the 45° direction

圖5 VCM 薄膜試樣45°方向的x 軸方向檢測獲得的應變Fig.5 The strain measured along the x axis direction of VCM film sample along the 45° direction

以VCM 薄膜為例，測得在x軸方向的應變上，深沖VCM 鋼板大于對應的深沖基板，由于材料的拉伸方向是x軸方向，這就說明了在增加VCM 薄膜材料之后，對于VCM 深沖鋼板的最大應變值提高了，其中VCM 薄膜最大應變值為91.632%，而深沖基板最大應變值為40.068%，對于復合材料的VCM 深沖鋼板最大應變值為41.632%，這些數據說明在x軸方向上VCM 深沖鋼板的力學性能有所提高，處于深沖基板和VCM 薄膜的力學性能之間。對于y軸方向和最大主應變獲得的數值如表3 所示。

表3 3 種材料采用數字散斑方法測得的應變數值Tab.3 Strain values of three materials measured by digital speckle method

由表3 可推出圖6，可得，在VCM 深沖鋼板的x方向和y方向上的應變值均大于其相同方向深沖基板的應變值，說明在深沖基板上耦合VCM 薄膜之后，整體提高了深沖基板的應變能力，VCM 深沖鋼板的綜合性能相較于深沖基板有了一定的提升，其力學性能介于深沖基板和VCM 薄膜之間。

圖6 3 種材料應變數值對比Fig.6 The comparison of strain values of the three materials

3 結論

1）綜合考慮VCM 鋼板以及各種組分材料的影響系數和梯度系數，發現對于VCM 薄膜的影響系數中，斷后伸長率和最大力下總伸長率影響最大，但是對于材料的上屈服強度和抗拉強度影響較小，影響最小的是彈性模量，說明VCM 薄膜對VCM 深沖鋼板的塑性和延展性的影響較大，但是對強度和剛度方面的影響較小。對于深沖基板的影響系數，發現其中彈性模量影響系數最大，其次為上屈服強度和抗拉強度，對斷后伸長率和最大力下總伸長率影響較大，說明深沖基板是決定VCM 鋼板強度和剛度方面性能的主要因素，相反深沖鋼板基板對VCM 深沖鋼板塑性性能的影響較小。對于梯度系數而言，對深沖基板彈性模量的影響最大的是深沖鋼板基板，其次為上屈服強度和抗拉強度，而VCM 薄膜覆板對斷后伸長率的影響大于對最大力下總伸長率的影響。

2）在VCM 深沖鋼板的x方向和y方向上的應變值都大于其相同方向的深沖基板的應變值，這也說明了在深沖基板上覆膜VCM 薄膜之后，提高了深沖基板的應變能力，也說明了相應的力學性能方面，VCM深沖鋼板相較于深沖基板有一定的提升，這些力學性能的提升正好也處于深沖基板以及VCM 薄膜兩者的力學性能之間。