基于数字散斑相关方法的VCM 深冲钢板力学性能评价

张志城，从一博，郭照灿，张德海

（1.江苏师范大学中俄学院，江苏 徐州 221116；2.河南大学民生学院，河南 开封 475001；3.郑州轻工业大学 机电工程学院，郑州 450002）

我国的材料制备及性能评价技术与发达国家存在一定的差距，其评价技术手段直接影响了我国先进材料的研究、开发、应用和产业化进程，并影响到传统材料产业和高新技术材料产业的技术进步和机械科学的发展，因此，发展具有自主知识产权的材料性能评价技术是我国工程领域亟待解决的问题。VCM 深冲钢板属于双金属复层板，是将钢材进行表面处理后，涂敷（辊涂）或粘结有机薄膜并加热烘烤而成的产品，广泛应用在白色家电尤其是冰箱门体的外观面板上。

由于VCM 深冲钢板各组分材料在变形过程中很难达到屈服和破坏的同步，材料很容易在附加应力的作用下沿薄弱方向产生失效乃至断裂。如何判断在外加及内在因素影响下材料的变形机理和变形过程显得尤为迫切和重要[1—4]。国内外学者对VCM 深冲钢板的研究较少涉足，而应变模型的计算和检测是影响其性能的关键因素之一。现有的单层材料线弹性和弹塑性理论模型并不能很好地解释复层材料工程应用中的问题，限制了复层材料的进一步应用，因此，采用新的应变评价方法势在必行[5—9]。

数字散斑相关方法（Digital Speckle Correlation Method，DSCM）属于非接触的光测力学实验方法，具有试验准备简单、可测试件尺寸范围大、环境适应性强、全场非接触测量等优点，因而被引入材料、机械、电子等各行业用于工件的变形测量，并快速发展成为实验力学领域的一种主要的光学检测方法。何向前等[10]通过散斑测量方法对试样的初始应力进行了测量，实现了无接触测量。李耿等[11]通过三维摄影技术测量了铝合金的焊接变形。张德海等[12]进一步对数字图像相关法在跨学科的力学、材料、机械、机器视觉等方面进行了进展研究，并提出了下一步的研究热点。王怀文等[13]应用数字散斑相关技术研究薄膜材料断裂问题，张喆[14]采用DSCM 技术研究木材断裂问题，王晓光等[15]采用DSCM 技术用来测量地震振动台实验过程中的位移变化，上述研究均未涉及VCM深冲钢板的应变检测研究，因此采用非接触光学测量方法来获取VCM 深冲钢板的应变几何信息并进行评价将是一种新的积极的研究方法。

1 VCM 钢板力学性能评价

VCM 深冲钢板来自于河南新飞电器有限公司的冰箱门外壳，其结构组成见图1，基板为SPCE 深冲钢板，来自于韩国浦项公司，VCM 覆膜生产厂商是深圳市美达思装饰材料有限公司。VCM 是一种氯乙烯薄膜聚合物。

图1 VCM 深冲钢板的组成Fig.1 Composition of VCM deep-impact steel plate

选择5 个力学参数（抗拉强度、弹性模量、上屈服强度、最大力下总伸长率和断后伸长率）进行测量并评价。材料分别为VCM 深冲（SPCE）钢板、SPCE深冲基板和VCM 薄膜，在轧制方向0°，45°，90°位置方向各选择5 个试样作为一组。利用数字相关方法对其进行测量。两相机拍摄中心区域的中线相交于测量区域的中部，投影形成360 mm×270 mm 的重叠视场，拉伸过程总时间为150 s，取样频率为2 帧/s。其力学参数取加权平均值，见表1。

表1 3 种材料的主要力学参数Tab.1 The main mechanical parameters of three materials

基于复合材料混合定律，测定VCM 薄膜和SPCE深冲钢板基板的数值并计算，从而获得VCM 深冲钢板的主要力学参数，VCM 深冲钢板的计算得到的抗拉强度、弹性模量、上屈服强度、最大力下总伸长率、断后伸长率分别为301.586 MPa，15 206.845 MPa，242.777 MPa，30.889%，44.074%。

1.1 偏离系数

综上所述，最大力下总伸长率和断后伸长率较好的吻合复合材料混合定律，抗拉强度基本吻合复合材料混合定律，但是弹性模量和上屈服强度不符合复合材料混合定律。

图2 VCM 深冲钢板的偏离系数Fig.2 The deviation coefficient of VCM deep-impact steel plate

1.2 影响系数

为计算深冲钢板基板和VCM 覆膜对VCM 深冲钢板性能的影响大小，引入两个影响系数，Pjb为深冲钢板基板影响系数，Pbm为VCM 薄膜影响系数。

式中：Ijb为深冲钢板基板的力学参数；Icom为VCM 钢板的力学参数。

式中：Ibm为VCM 薄膜的力学参数。

深冲钢板基板影响系数以及VCM 薄膜影响系数可以用于评价钢板的力学性能，并且能够显示深冲钢板基板和VCM 薄膜在复层板中各自的决定作用以及影响程度，这两种影响系数数值越大，表示该组分对于复合钢板的总体影响程度越大，反之则影响程度越小。

1.3 梯度系数

由于组成VCM 复合钢板的深冲基板和VCM 覆膜的力学性能数值两者相差较大，为了更好地进行比较，进一步引入梯度影响系数Δ进行研究，计算见式（4）。

深冲基板的影响程度中，弹性模量、抗拉强度、上屈服强度、梯度系数这些值和基板的影响程度呈正比关系。对于VCM 薄膜，其中断后伸长率和最大力下总伸长率，梯度系数和薄膜的影响呈反比关系。综合式（3—5）和深冲VCM 钢板的各项偏离系数，得到表2。

表2 深冲VCM 钢板的影响系数和梯度系数Tab.2 The influence coefficient and gradient coefficient of deep-impact VCM steel plate

由表2 可以看出，影响系数中深冲基板对VCM钢板影响最大的是弹性模量，其值可达到2.582；影响最小的是最大力下总伸长率，其值为0.806；影响再大一些的是断后伸长率，影响系数为0.859。仅有这两个参数值小于1，也说明深冲钢板基板对VCM深冲钢板力学性能的影响参数中，弹性模量、抗拉强度、上屈服强度的影响远远大于断后伸长率和最大力下总伸长率的影响；VCM 薄膜对VCM 钢板的影响中，影响系数最小的是弹性模量，为0，所以不需要考虑复层材料中VCM 薄膜对其弹性模量的影响；影响系数中最大的是最大力下总伸长率为1.141，其次是断后伸长率为0.954，说明在烘烤覆膜VCM 薄膜之后，在延伸性能方面，VCM 复层板得到一定的加强，并且对于抗拉强度和上屈服强度方面有一定影响，但其影响系数都小于0.3，说明影响程度较小。通过梯度系数的分析，发现抗拉强度小于上屈服强度，上屈服强度小于弹性模量，这样更加说明了对VCM复层板力学性能的影响中，对于深冲基板，影响数值大小主要贡献来自弹性模量、上屈服强度和抗拉强度；对于VCM 薄膜的梯度影响系数上，最大力下总伸长率大于断裂强度，说明薄膜对于VCM 深冲钢板的最大力下总伸长率的影响大于断后伸长率的影响。

图3 深冲VCM 深冲钢板的影响系数和梯度系数Fig.3 The influence coefficient and gradient coefficient of deep-impact VCM deep-impact steel plate

2 基于数字散斑相关方法的VCM 钢板力学性能评价

采用了XJTUDIC 系统用于数字散斑相关方法的计算处理，该系统能够很好地探测出试样的三维轮廓，并且能够直观地展示出工件的应力场、应变场和成形极限图（FLD），并且，对于需要重点测量的位置可以定点测量追踪，以便于能够重点地在动态测量中测量出任意时刻、任意位移的应变状态，并且该系统还可以应用到各种不同条件下的力学测量情况。

选取深冲基板、深冲VCM 钢板、VCM 薄膜3种材料，并取其45°方向的试样进行实验对比分析，运用XJTUDIC 系统，在试样的x轴和y轴方向上各取一对种子点，在试样拉伸过程中对变形前后的散斑图像进行对比分析，获得试件表面上种子点的运动，以及XJTUDIC 系统中的散斑计算，再经过三维重建，计算得到种子点所在区域的三维位移场，并在此基础上得到物体的三维应变场，以及各种变形场的所有数据。

如图4 为数字散斑测量系统对VCM 薄膜45° 方向试样在三维方向位移的变化情况，本次实验只选用拉伸试验中最终将要拉断时刻的应变云图，并以此来评定材料的力学性能，从该实验中获得3 种材料的x轴和y轴方向的应变和最大主应变。

图4 45°方向的VCM 薄膜的最大位移云图及散斑处理图像Fig.4 The maximum displacement cloud graph and speckle treatment image of VCM film along the 45° direction

图5 VCM 薄膜试样45°方向的x 轴方向检测获得的应变Fig.5 The strain measured along the x axis direction of VCM film sample along the 45° direction

以VCM 薄膜为例，测得在x轴方向的应变上，深冲VCM 钢板大于对应的深冲基板，由于材料的拉伸方向是x轴方向，这就说明了在增加VCM 薄膜材料之后，对于VCM 深冲钢板的最大应变值提高了，其中VCM 薄膜最大应变值为91.632%，而深冲基板最大应变值为40.068%，对于复合材料的VCM 深冲钢板最大应变值为41.632%，这些数据说明在x轴方向上VCM 深冲钢板的力学性能有所提高，处于深冲基板和VCM 薄膜的力学性能之间。对于y轴方向和最大主应变获得的数值如表3 所示。

表3 3 种材料采用数字散斑方法测得的应变数值Tab.3 Strain values of three materials measured by digital speckle method

由表3 可推出图6，可得，在VCM 深冲钢板的x方向和y方向上的应变值均大于其相同方向深冲基板的应变值，说明在深冲基板上耦合VCM 薄膜之后，整体提高了深冲基板的应变能力，VCM 深冲钢板的综合性能相较于深冲基板有了一定的提升，其力学性能介于深冲基板和VCM 薄膜之间。

图6 3 种材料应变数值对比Fig.6 The comparison of strain values of the three materials

3 结论

1）综合考虑VCM 钢板以及各种组分材料的影响系数和梯度系数，发现对于VCM 薄膜的影响系数中，断后伸长率和最大力下总伸长率影响最大，但是对于材料的上屈服强度和抗拉强度影响较小，影响最小的是弹性模量，说明VCM 薄膜对VCM 深冲钢板的塑性和延展性的影响较大，但是对强度和刚度方面的影响较小。对于深冲基板的影响系数，发现其中弹性模量影响系数最大，其次为上屈服强度和抗拉强度，对断后伸长率和最大力下总伸长率影响较大，说明深冲基板是决定VCM 钢板强度和刚度方面性能的主要因素，相反深冲钢板基板对VCM 深冲钢板塑性性能的影响较小。对于梯度系数而言，对深冲基板弹性模量的影响最大的是深冲钢板基板，其次为上屈服强度和抗拉强度，而VCM 薄膜覆板对断后伸长率的影响大于对最大力下总伸长率的影响。

2）在VCM 深冲钢板的x方向和y方向上的应变值都大于其相同方向的深冲基板的应变值，这也说明了在深冲基板上覆膜VCM 薄膜之后，提高了深冲基板的应变能力，也说明了相应的力学性能方面，VCM深冲钢板相较于深冲基板有一定的提升，这些力学性能的提升正好也处于深冲基板以及VCM 薄膜两者的力学性能之间。