CN103335894B - 基于v型热弯曲的钛合金应力松弛测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

基于V型热弯曲的钛合金应力松弛测试装置及方法，属于金属热加工领域；本发明的目的在于提供一种基于V型弯曲的载荷松弛测试装置及测试方法；在电子试验机中进行的V型弯曲加载试验能实现应力的松弛；应用横梁（10）提供的位移来实现对放置在弯曲凸模（5）和弯曲凹模（6）之间的试样的弯曲载荷加载，载荷传感器持续记录弯曲载荷及校形过程载荷随时间的变化；在不同校形持续时间情况下，得到不同的试样弯曲回弹角；本发明能实现热校形时弯曲载荷随时间变化的测试，能确定钛合金试样在弯曲载荷时不同校形持续时间下载荷随时间的松弛规律，并且推导出了载荷与试样应力的线性关系，可广泛用于金属热加工领域。

Description

基于V型热弯曲的钛合金应力松弛测试装置及方法

技术领域

本发明涉及板材热校形中应力松弛试验方法，具体是基于V型热弯曲的钛合金应力松弛测试装置及方法，属于金属热加工领域。

背景技术

钛合金由于具有良好的耐热性和耐腐蚀性及高的比强度等优点，广泛应用在航空航天及民用领域，但是钛合金室温成形性差而且回弹严重，增加了生产理想合格形状工件的难度。钛合金的热成形是减少板材成形后回弹的有效途径之一，主要原理包括两个：第一，高温下钛合金的屈服强度与弹性模量比值减低，回弹相对于室温成形减少；第二，热校形过程成形件内部应力随时间不断减小，弹性应变不断向非弹性应变转变，此阶段即应力松弛阶段。应力松弛指的是总位移或总应变保持不变的情况下，应力随时间不断减小的过程，它通常和蠕变联系在一起，这是因为应力松弛过程中弹性应变(可恢复应变)不断向塑性应变(不可恢复应变)转变，该转变过程称为蠕变，蠕变速率与应力松弛速率呈线性关系：  $\frac{\mathrm{d\ϵ}}{\mathrm{dt}}=-\frac{1}{E}\frac{\mathrm{d\σ}}{\mathrm{dt}}.$

研究钛合金热校形中应力松弛行为，对掌握热校形工艺及控制成形件的精度具有重要的指导意义。拉伸试验是常见研究载荷应力松弛的方法，通常需要闭环系统保持应力松弛过程中应变的恒定，对设备要求较高，而且单向拉伸试验难以反映板材复杂的成形过程，如弯曲和拉伸等。国内外标准弯曲试验均设计了一些装置以限制试样形状，根据应力松弛后测得的回弹量(回弹距离、回弹半径)计算出残余应力，并不能直接测得应力或载荷数据。

发明内容

为了能直接测得弯曲角，获得应力和载荷数据，本发明提供一种基于V型弯曲的载荷松弛测试装置及测试方法。

本发明的测试装置主要包括：包括有载荷传感器1、位移传感器9、上压头2、下压头8、弯曲凸模5、弯曲凹模6、上背紧螺母4、下背紧螺母7、三段式对开电阻炉3、横梁10；上压头2及下压头8均开有内螺纹孔，弯曲凸模5和弯曲凹模6均带有螺栓，将弯曲凸模5一端的螺栓旋入上压头，将弯曲凹模6一端螺栓旋入下压头；利用上背紧螺母4可将弯曲凸模5固定，利用下背紧螺母7将弯曲凹模6固定；弯曲凹模6带有的螺栓与弯曲凸模5带有的螺栓同轴，如图1所示。

本发明的测试方法包含以下步骤：

步骤1：试样准备；选定用来研究应力松弛的钛合金材料为Ti6Al4V合金加工出适合弯曲凸模5和弯曲凹模6的尺寸的矩形试样，在试样表面喷涂玻璃润滑剂；

步骤2：对所述测试装置的进行安装调试及试验准备；

步骤2.1：将载荷传感器1固定到电子试验机的上机架，将上压头2连接到载荷传感器1，将下压头8固定到横梁10；

步骤2.2：控制与位移传感器9连接的横梁10上行，使弯曲凸模5与弯曲凹模6紧密接触，使弯曲凸模5与弯曲凹模6沿螺栓轴线对中；

步骤2.3：移动三段式对开电阻炉3支架，调整上下位置，使弯曲凸模5及弯曲凹模6处于炉膛中段；

步骤2.4：在电子试验机配备的测试软件中编制控制程序，即以位移控制方式加载，第一段为加载阶段，以速度方式加载到目标位移，第二阶段保持位移不变，设定位移保持时间；

步骤2.5：闭合所述三段式对开电阻炉3炉门，加热弯曲凸模5及弯曲凹模6至规定温度； 

步骤2.6：到达规定温度后，迅速打开三段式对开电阻炉3炉门，将试样放置于弯曲凹模6，调整试样位置使其长度方向与凹模长度方向平行；闭合炉门，保温5分钟；

步骤2.7：保温时间到后，启动控制程序；

步骤3：试验数据的采集及曲线绘制；

步骤3.1利用拍照方法在位移保持阶段得出试样校形初始弯曲角；

步骤3.2：试验结束后，控制横梁（10）下移卸载，打开三段式对开电阻炉（3）炉门取出试样后空冷，利用三维坐标测量仪测量试样冷却后弯曲角，与步骤3.1对比得到试样校形后的回弹角；

步骤3.3：利用作图软件对机器采集的数据进行处理，获得载荷-位移-时间双坐标轴关系曲线；

步骤4：校形中内外弯矩公式及弯曲载荷与弯曲层平均内应力的公式推导。相对于单向拉伸变形，弯曲变形区的应力分布复杂，内层主要处于切向压应力而外层处于切向拉应力状态，假设弯曲应力中性层及应变中性层位置重合，热校形时试样横向对称面处的弯曲载荷P和内层(或外层)的平均内应力σ_avg可由内外弯矩平衡求得：

$M_1=\frac{[L-(r_d+\frac{h}{2})\sin \frac{{\mathrm{\θ}}_0}{2}]P}{{2\cos }^2\frac{{\mathrm{\θ}}_0}{2}}---\left(1\right)$

$M_2=2{\∫}_0^{\frac{h}{2}}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{avg}}\mathrm{ybdy}---\left(2\right)$

式中，M₁和M₂分别为试样横向对称面处的外加弯矩和内弯矩，P为载荷松弛阶段力传感器测得的回弹力(弯曲载荷)，b、h分别为试样的宽度及厚度，y为弯曲变形区任意层到中性层的距离，r_d为凹模圆弧倒角半径，L为凹模圆弧中心距离，θ₀为试样校形中的弯曲角，见图7。由M₁=M₂，联立(1)式和(2)式，可得：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{avg}}=\frac{2[L-(r_d+\frac{h}{2})\sin \frac{{\mathrm{\θ}}_0}{2}]}{{\mathrm{bh}}^2{\cos }^2\frac{{\mathrm{\θ}}_2}{2}}P---\left(3\right)$

本发明利用电子试验机载荷及位移传感器记录热校形时弯曲载荷随时间的变化，并推导出了校形过程中弯曲区横向对称面处平均内应力与载荷的线性关系式，能确定不同弯曲程度下校形时载荷或平均内应力随时间的松弛规律。

附图说明

图1为测量设备简易装配图；

图2为弯曲凸模示意图；

图3为弯曲凹模示意图；

图4为背紧螺母示意图；

图5为650℃弯曲及校形过程位移及载荷随时间变化曲线；

图6为650℃塑性变形及载荷随时间变化曲线；

图7为弯曲校形示意图。

具体实施方式

结合图1-7详细说明载荷松弛的测试方法。本发明的弯曲凸模5、弯曲凹模6及上背紧螺母4和下背紧螺母7的材料均选用4Cr5MoSiV；首先分别将上背紧螺母4旋入弯曲凸模5一侧的螺栓，将下背紧螺母7旋入弯曲凹模6的螺栓；利用弯曲凸模5的螺栓旋进上压头2内一定深度，利用弯曲凹模6的螺栓旋进下压头8内一定深度位置，通过位移传感器9控制横梁10缓慢上行使弯曲凹模6与弯曲凸模5略微对正接触，旋转弯曲凸模5与弯曲凹模6使二者沿竖直方向对中，再次控制横梁10上行使弯曲凹模6与弯曲凸模5紧密接触，分别拧紧上背紧螺母4和下背紧螺母7，保证弯曲及应力松弛过程中弯曲凸模5与弯曲凹模6不发生松动；控制横梁10下移约10mm以方便搁置试样。

本发明选用钛合金试样的弯曲扰度为6mm，弯曲校形温度为650℃。首先设置电子试验机的控制程序，具体的设置过程包括两个阶段：加载阶段和位移保持阶段。由于较大速 度移动的横梁在停止时会产生较大的惯性位移误差，该误差会导致校形(应力松弛)阶段初始载荷有较大的跳跃。鉴于此，加载和位移保持阶段根据电子试验机自带软件Bluehill编制程序，加载阶段为两段式加载以降低惯性位移误差，即位移为0-5.5mm内设定横梁10的速度9mm/min，然后在位移5.5-6mm段内设置横梁10的速度为0.5mm/min，使横梁10的位移达到6mm(即试样的弯曲扰度为6mm)；在位移保持阶段，设定校形持续时间15min，数据采集频率设置为200ms。

程序设置完毕后，移动三段式对开电阻炉3的支架，利用三段式对开电阻炉3对弯曲凸模5和弯曲凹模6加热，调节所述支架位置使弯曲凸模5和弯曲凹模6处于电阻炉膛中段，闭合炉门，设定温度控制仪的目标温度650℃，并开启电阻炉3。

到温后，打开炉门，放置试样于弯曲凹模6上表面，调整试样位置使其长度方向平行于弯曲凹模的长度方向，迅速关闭炉门。在计算机的程序控制界面重置载荷清零，手动控制横梁10缓慢上升，直至试样表面与弯曲凸模5接触(以观察到载荷传感器1有载荷增加为准)，然后重置横梁10位移清零，继续保温5min使试样温度均匀化。保温时间到后启动设置好的控制程序，载荷传感器1和位移传感器9分别持续记录载荷和横梁位移的变化，在位移保持阶段对试样持续监测以测量其弯曲角度。

试验结束后，打开炉门，手动控制横梁10下移卸载，迅速取出试样空冷，冷却10min。利用三维坐标测量仪测量试样弯曲角。通过数据处理软件绘制出载荷及位移对时间的关系曲线，如图5所示。

经测量，L=23.2mm，r_d=4mm，h=0.8，b=10，θ₀=71°，代入公式（3）计算得σ_avg=7.925P。

利用上述方法，保持加载位移和温度不变，分别进行校形持续时间为0、0.15、1及5min的试验，试验步骤与上述相同即分别进行4次不同的校形试验。试验后，利用三维坐标测量仪测量弯曲角，每次弯曲校形试验后的试样弯曲角和校形初始及终了载荷如表1所示。由表1中看到每次校形阶段的初始载荷接近，因此取平均值54N。根据表1能获得回弹角及载荷随校形时间的变化关系，如图6所示。

表1650℃不同校形时间的试验数据

如图7所示，弯曲凹模圆角半径中心距离L=23.2mm，圆角半径r_d=4mm；弯曲凸摸顶部半径ρ₀=4mm，试样宽度b=10，厚度h=0.8mm，θ₀=71°。

如图6，获得蠕变与载荷随校形持续时间的变化关系。

Claims (1)

1.一种利用基于V型热弯曲的钛合金应力松弛测试装置的测试方法，所述的基于V型热弯曲的钛合金应力松弛测试装置包括有载荷传感器(1)、位移传感器(9)、上压头(2)、下压头(8)、弯曲凸模(5)、弯曲凹模(6)、上背紧螺母(4)、下背紧螺母(7)、三段式对开电阻炉(3)、横梁(10)；上压头(2)及下压头(8)均开有内螺纹孔，弯曲凸模(5)和弯曲凹模(6)均带有螺栓，将弯曲凸模(5)一端的螺栓旋入上压头(2)，将弯曲凹模(6)一端螺栓旋入下压头(8)；利用上背紧螺母(4)将弯曲凸模(5)固定，利用下背紧螺母(7)将弯曲凹模(6)固定；弯曲凹模(6)带有的螺栓与弯曲凸模(5)带有的螺栓同轴；

其特征在于一种利用基于V型热弯曲的钛合金应力松弛测试装置的测试方法包含以下步骤：

步骤1：试样准备；选定用来测试应力松弛的钛合金试样的材料为Ti6Al4V合金，加工出适合弯曲凸模(5)和弯曲凹模(6)的尺寸的矩形试样，在试样表面喷涂玻璃润滑剂；

步骤2：对所述测试装置进行安装调试及试验准备；

步骤2.1：将载荷传感器(1)固定到电子试验机的上机架，将上压头(2)连接到载荷传感器(1)，将下压头(8)固定到横梁(10)；

步骤2.2：移动横梁(10)上行，使弯曲凸模(5)与弯曲凹模(6)紧密接触，并使弯曲凸模(5)与弯曲凹模(6)沿螺栓轴线对中；

步骤2.3：移动三段式对开电阻炉(3)支架，调整上下位置，使弯曲凸模(5)及弯曲凹模(6)处于炉膛中段；

步骤2.4：在电子试验机配备的测试软件中编制控制程序，即以位移控制方式加载，第一段为加载阶段，以速度方式加载到目标位移，第二阶段保持目标位移不变，设定目标位移的保持时间；

步骤2.5：闭合所述三段式对开电阻炉(3)炉门，加热弯曲凸模(5)及弯曲凹模(6)至规定温度；

步骤2.6：到达规定温度后，迅速打开三段式对开电阻炉(3)炉门，将试样放置于弯曲凹模(6)，调整试样位置使其长度方向与凹模长度方向平行；闭合炉门，保温五分钟；

步骤2.7：保温时间到后，启动控制程序；

步骤3：试验数据的采集及曲线绘制；

步骤3.1由目标位移保持阶段利用拍照方法得出试样校形初始弯曲角；

步骤3.2：试验结束后，控制横梁(10)下移卸载，打开三段式对开电阻炉(3)炉门取出试样后空冷，利用三维坐标测量仪测量试样冷却后的弯曲角，与步骤3.1对比得到试样校形后的回弹角；

步骤3.3：利用作图软件对采集的数据进行处理，获得载荷-位移-时间双坐标轴关系曲线；

步骤4：校形中内外弯矩公式及弯曲载荷与弯曲层平均内应力的公式推导；设弯曲应力中性层及应变中性层位置重合，热校形时试样横向对称面处的弯曲载荷P和内层或外层的平均内应力σ_avg能由内外弯矩平衡求得：

$M_1=\frac{[L-(r_d+\frac{h}{2})\sin \frac{{\mathrm{\θ}}_0}{2}]P}{2{\cos }^2\frac{{\mathrm{\θ}}_0}{2}}---\left(a\right)$

$M_2=2{\∫}_0^{\frac{h}{2}}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{avg}}\mathrm{ybdy}---\left(b\right)$

式中，M₁和M₂分别为试样横向对称面处的外加弯矩和内弯矩，P为载荷松弛阶段载荷传感器(1)测得的弯曲载荷，b、h分别为试样的宽度及厚度，y为弯曲变形区任意层到中性层的距离，r_d为弯曲凹模(6)圆弧倒角半径，L为弯曲凹模(6)圆弧倒角中心距离，θ₀为试样校形中的弯曲角；由M₁＝M₂，联立(a)式和(b)式，能得：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{avg}}=\frac{2[L-(r_d+\frac{h}{2})\sin \frac{{\mathrm{\θ}}_0}{2}]}{{\mathrm{bh}}^2{\cos }^2\frac{{\mathrm{\θ}}_0}{2}}P---\left(c\right).$