CN104568543A - 一种用于大直径薄壁管压缩性能的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于材料成形力学性能测试领域，具体涉及一种用于大直径薄壁管压缩性能的测试方法。通过将薄壁管材上切取的弧形片状试样加工成块状试样的方法，解决了采用传统压缩测试方法易出现失稳、起皱、变形量小及无法进行高温压缩性能测试等问题。首先从待测管材上切取弧形片状试样；接着对试样进行磨制、酸洗而获得质量较高的片状试样；然后使用激光焊对片状试样进行初步固定后，设计扩散焊模具实现对块状试样的扩散焊焊接；再对扩散焊焊后的试样进行打磨抛光等后处理，获得适用于大直径薄壁管压缩性能测试的块状试样；最后将处理后的压缩试样直接置于压缩试验机上进行压缩试验，从而获得大直径薄壁管的压缩力学性能。

Description

一种用于大直径薄壁管压缩性能的测试方法

一、技术领域

本发明属于材料成形力学性能测试领域，具体是一种用于大直径薄壁管压缩性能的测试方法。

二、背景技术

航空、航天等高端领域装备的发展，迫切要求发展具备高性能、轻量化、高功效的关键零部件及其精确成形技术。大直径薄壁管件作为一类量大面广的“血管”类关键构件，由于其能够从材料和结构两个方面同时满足当前高端装备制造业对产品高性能、轻量化、高强韧及低耗能的要求，越来越广泛地应用于航空、航天、汽车和能源等诸多重大战略性产业。然而，这一类管材往往要经过复杂的后续加工成形过程，如数控弯曲、液压胀形、端口加工等，在这些成形过程中，管材往往需要承受复杂的整体或局部拉、压应力，其在很大程度上影响着材料成形性能和零件成形质量。因此，迫切需要获得能够反映大直径薄壁管复杂拉、压应力状态的变形性能。然而，不同于薄壁平板，管材由于其几何形状和结构尺寸的限制，如何通过材料性能测试准确获得其拉、压应力状态下的力学性能至今仍是一个棘手问题。

目前，已有国家标准和相关专利对管材拉、压性能提出了相应的测试方法。对于拉应力状态下的力学性能可以通过弧形试样或整管试样拉伸获得。如专利《一种用于管材试样的拉伸试验夹具》(公告号：CN 101776550A)，利用凹凸模具固定管材试样，避免了管材试样两端被夹平带来的性能变化，可以获得管材准确的拉伸性能。专利《一种用于薄壁管高温拉伸试验的试样及夹具》(公告号：CN 102323140A)改进了弧形试样与夹具，通过销轴将试样、凹凸模具和两滑块定位连接，从而获得了薄壁管在高温下的拉伸性能参数。专利《用来测试复杂应力状态下管材性能参数的试验及测试方法》(公告号：CN 102410957B)利用带椭圆孔的弧形拉伸试样通过反算法获得了管材在双向拉应力状态下的性能参数。该专利还提出了利用环形试样轴向压缩、侧向压缩试验通过反算来获得管材的压缩性能，该方法仅局限于小直径厚壁管材，当管直径较大、壁厚较薄时，会发生失稳起皱，且变形过程中不是单一的轴向压应力状态，应力状态很不均匀，测试误差较大，所以该方法不适用于大直径薄壁管材压缩性能的测试。对于管材压应力状态下的力学性能测试方法，除上述提到的环形试样压缩法，还有体单元试样压缩法，该方法类似于圆柱试样镦粗试验，但是对于薄壁类管材取样困难，即使成功取样，也存在压缩稳定性较差的问题。近年来，有文献提出了用固体平板作为防弯约束再进行压缩的薄壁平板压缩试验方法，但由于试样与模具间的摩擦无法避免且所获得的应变范围较小(室温下通常为0.08以内)，导致很难获得精确的压缩本构关系。另外，文献(F.Yoshida，T.Uemori，K.Fujiwara.Elastic-plastic behavior of steel sheets under in-plane cyclic tension-compression at large strain.Int.J.of Plast.2002，18：633～659)提出了一种堆叠试样压缩法来获得平板的压缩本构关系，该方法可以有效解决薄壁平板压缩失稳，但各叠片之间采用丙烯酸粘结剂粘接，试样之间在粘接时存在间隙，粘结不适会使叠片分离，影响试验的继续进行，对于带弧度的管材更容易出现以上问题，且该方法无法满足高温压缩性能的测试，极 大地限制了其使用范围。专利《测定板料单向压缩状态下真实应力-应变曲线的试验装置》(专利公告号：CN 102539253B)所发明的试验装置工装模具复杂，成本高，且试样与模具间存在较大的摩擦力，试验结果的准确性难以保证。因此以上针对平板的压缩性能测试方法不适用于大直径薄壁管。基于上述存在问题，为了准确获得大直径薄壁管在压应力状态下的力学性能，迫切需要设计一种用于大直径薄壁管在不同温度下压缩性能的测试方法。

三、发明内容

为了获得大直径薄壁管的压缩性能，本发明提出了一种适用于大直径薄壁管压缩性能的测试方法，该方法不但能有效解决薄壁管在压缩过程中失稳起皱等问题，可以实现较大的变形量，而且可以进行不同温度下的压缩性能测试。

本发明的具体步骤如下：

步骤1、切取弧形片状试样：

取待测管材一段，采用线切割的方法，在管材上切取若干弧形片状试样，弧形片状试样形状如图2所示；注意保证切割过程操作稳定，切取的试样上不能出现明显的缺口，保证试样内外弧面和各棱边的整齐度；弧形片状试样的尺寸确定原则为，轴向长度和周向长度约等于管材厚度的十倍；

步骤2、磨制试样： 

将所获的弧形试样进行磨制，去除表面氧化皮，获得表面光洁、没有明显划痕的试样，具体操作步骤如下：将试样润湿，先后用润湿的粗砂纸和细砂纸进行磨制，直至试样表面没有划痕并且直边、弧边没有切割时产生的锯齿缺口为止，使用电吹风吹干试样，并用密封袋密封保存；

步骤3、酸洗试样： 

将磨制好的试样用Keller试剂酸洗去除表面的氧化层，再用酒精清洁；清洁后，使用电吹风吹干，并用密封袋密封保存，如果酸洗后试样存在表面不够光滑、有毛刺、酸洗过度等缺陷，则返回步骤1重新制样；

步骤4、激光焊初步固定试样：

本发明在后续操作中需要实现将片状试样组成块状试样，因此使用激光焊的方法对片状试样进行初步固定，具体方法为：将酸洗后的弧形片状试样若干(10片左右，保证最后所获块状试样周向长度、轴向长度和径向厚度接近)沿半径方向叠放到一起，固定好相对位置，形成块状试样，如图3所示；在块状试样的上下两个轴向端面各用激光焊的方法焊接出一条焊缝，实现对片状试样的初步固定，如图4所示；

步骤5、扩散焊模具设计：

激光焊后，为了消除片状试样间的微小间隙，防止在做压缩试验时试样失稳，本发明使用扩散焊对片状试样实现进一步的焊接，而扩散焊的加压方向是试样的半径方向，因此需要设计扩散焊模具实现对试样的扩散焊焊接；

所述扩散焊模具由凸模和凹模组成，其中，凸模为长方体结构，其中一面是外凸弧面，外凸弧面的圆弧半径与弧形片状试样的内弧面圆弧半径相同，如图5所示；凹模为其中一面 为下凹弧面的长方体结构，下凹弧面的圆弧半径与片状试样的外弧面圆弧半径相同，下凹弧面两侧有余量平台，如图6所示；凹凸模借助各自弧面将试样夹紧，从而实现对试样的扩散焊焊接；

步骤6、对试样进行扩散焊：

将凹模放在扩散焊设备内，取1个激光焊后的块状试样，将外弧面向下，置于凹模的下凹弧面内，将凸模的外凸弧面压住试样的内弧面，以此固定试样，扩散焊模具与试样装配关系如图7所示；为了防止进行扩散焊时焊接设备的偏载，实际焊接时需要多个块状试样放入扩散焊设备，同时进行扩散焊；根据所选管材的材料型号设定扩散焊参数，如：扩散焊温度、压力、压下量、保温时间等，对试样进行扩散焊焊接，将若干片状试样焊接组成一个块状试样；

步骤7、扩散焊焊后处理：

将扩散焊焊后的试样进行磨制，磨制方法与步骤2相同，并用抛光机对试样进行抛光，保证两个轴向端面平整光滑，得到最后的压缩试样，如图8所示；

步骤8、压缩性能测试：

将最后得到的压缩试样在普通或带保温箱的压缩试验机上直接进行轴向压缩试验。

四、附图说明

图1是一种用于大直径薄壁管压缩性能的测试方法流程图；

图2是本发明切取获得的弧形片状试样；

图3是本发明弧形片状试样叠放示意图；

图4是本发明激光焊后块状试样示意图；

图5是本发明扩散焊凸模示意图；

图6是本发明扩散焊凹模示意图；

图7是本发明扩散焊焊接装配示意图；

图8是本发明所获块状试样示意图；

图9是本发明实施例中凸模尺寸示意图；

图10是本发明实施例中凹模尺寸示意图；

图11是本发明实施例中所获塑性段的真应力-应变关系图；

其中：1.外弧面  2.内弧面  3.轴向端面  4.激光焊焊缝  5.外凸弧面  6.下凹弧面7.余量平台

本发明通过将若干弧形片状试样由扩散焊焊接成块状试样的方法，解决了大直径薄壁管压缩性能测试问题。与传统方法相比，本测试方法具有稳定性强、不易发生失稳现象、变形量大、测试精度高以及能进行高温压缩性能测试等优点。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步的描述。

五、具体实施方式

本发明是一种用于大直径薄壁管压缩性能的测试方法。现以规格为Φ76.2×t1.07mm(外径Φ×壁厚t)的CP-3纯钛管为对象，采用本方法进行压缩性能测试，其具体步骤如下：

步骤1、切取弧形片状试样：

取待测钛管一段，采用线切割的方法，在钛管上切取约70块弧形片状试样；选择切取的试样上无明显的缺口，且试样内外弧面和各棱边的整齐度较高的试样约60片；按照弧形片状试样的尺寸确定原则，轴向长度13mm，周向长度11mm；

步骤2、磨制试样： 

将弧形片状试样润湿，先用润湿的400#粗砂纸进行打磨，将试样表面及棱边处由于线切割产生的缺口、划痕等磨平；用润湿的1500#细砂纸进行打磨，直至试样表面没有划痕并且各棱边光滑、没有毛刺，使用电吹风吹干试样，并用密封袋密封保存；

步骤3、酸洗试样： 

从磨制好的弧形片状试样中选择约50片打磨质量较高的试样，将其用Keller试剂酸洗30秒左右去除表面的氧化层，再用酒精清洁。清洁后，迅速使用电吹风吹干，并用密封袋密封保存；

步骤4、激光焊初步固定试样：

从酸洗后的弧形片状试样选择40片试样，将每10片沿半径方向叠放到一起，固定好相对位置，形成4个块状试样；在每个块状试样的上下轴向端面各用激光焊的方法焊接得到一条焊缝，实现对片状试样的固定；

步骤5、扩散焊模具设计：

根据扩散焊条件及所选CP-3纯钛管的相关材料性能参数，扩散焊模具材料采用高速钢；根据所获弧形片状试样尺寸，设计扩散焊所用的凸模和凹模；其中，凸模为(长15mm×宽14mm×高5mm)的长方体，下面为与长方体相接的外凸弧面，半径为37.0mm；凹模为(长20mm×宽15mm×高6mm)的长方体，上面为下凹弧面和余量平台，半径为38.1mm，两侧的余量平台各为3mm，其他详细尺寸如图9、图10所示；

步骤6、对试样进行扩散焊：

将凹模放在扩散焊设备内，取1个激光焊后的块状试样，将外弧面向下，置于凹模的下凹弧面内，将凸模的外凸弧面压住试样的内弧面，以此固定试样；根据所选CP-3纯钛管的相关材料性能参数，设定扩散焊参数分别为：扩散焊温度为860℃，压力为10MPa，压下量为4mm，保温时间1h；实际焊接时，将4个激光焊后的块状试样和4套模具均匀放入扩散焊设备，防止设备加压时产生偏载，对试样进行扩散焊焊接，将10片弧形片状试样焊接组成一个块状试样；

步骤7、扩散焊焊后处理：

将扩散焊焊后的试样进行磨制，磨制方法与步骤2相同，并用抛光机对试样进行抛光，保证两个轴向端面平整光滑，得到最后的压缩试样；

步骤8、压缩性能测试

将最后得到的压缩试样置于热模拟压缩试验机上直接进行轴向压缩试验。

经过上述操作，所获CP-3纯钛管塑性段的真应力-应变关系如图11所示。

Claims (2)

1.一种用于大直径薄壁管压缩性能的测试方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1、切取弧形片状试样：

取待测管材一段，采用线切割的方法，在管材上切取若干弧形片状试样；注意保证切割过程操作稳定，切取的试样上不能出现明显的缺口，保证试样内外弧面和各棱边的整齐度；弧形片状试样的尺寸确定原则为，轴向长度和周向长度约等于管材厚度的十倍；

步骤2、磨制试样：

将所获的弧形片状试样进行磨制，去除表面氧化皮，获得表面光洁、没有明显划痕的试样，具体操作步骤如下：将试样润湿，先后用润湿的粗砂纸和细砂纸进行磨制，直至试样表面没有划痕并且直边、弧边没有切割时产生的锯齿缺口为止，使用电吹风吹干试样，并用密封袋密封保存；

步骤3、酸洗试样：

将磨制好的试样用Keller试剂酸洗去除表面的氧化层，再用酒精清洁；清洁后，使用电吹风吹干，如果存在表面不够光滑、酸洗过度等缺陷，则返回步骤1重新制样；

步骤4、激光焊初步固定试样：

使用激光焊方法对片状试样进行初步固定，具体方法为：将酸洗后的弧形片状试样若干(10片左右，保证最后所获块状试样周向长度、轴向长度和径向厚度接近)沿半径方向叠放到一起，固定好相对位置，形成块状试样；在块状试样的上下轴向端面各用激光焊的方法焊接出一条焊缝，实现对片状试样的初步固定；

步骤5、扩散焊模具设计：

经过激光焊后，为了能够实现对试样的扩散焊焊接，首先根据所得弧形片状试样的形状尺寸设计扩散焊模具，扩散焊模具包括凸模和凹模；

步骤6、对试样进行扩散焊：

将凹模放在扩散焊设备内，取1个点焊后的块状试样，将外弧面向下，置于凹模的下凹弧面内，将凸模的外凸弧面压住试样的内弧面，以此固定试样；为了防止扩散焊时焊接设备的偏载，实际焊接时需要多个块状试样同时进行扩散焊；根据所选管材的材料型号设定扩散焊参数，如：扩散焊温度、压力、压下量、保温时间等，对试样进行扩散焊焊接，将若干片状试样焊接组成一个块状试样；

步骤7、扩散焊焊后处理：

将扩散焊焊后的试样进行磨制，磨制方法与步骤2相同，并用抛光机对试样进行抛光，保证两个轴向端面平整光滑，得到最后的压缩试样；

步骤8、压缩性能测试：

将最后得到的压缩试样在普通或带保温箱的压缩试验机上直接进行轴向压缩试验。

2.如权利要求1所述一种用于大直径薄壁管压缩性能的测试方法，其特征为，步骤5所述扩散焊模具由凸模和凹模组成，凸模为长方体结构，其中一面是外凸弧面；凹模为其中一面为下凹弧面的长方体结构，下凹弧面两侧有余量平台；凹凸模借助各自弧面将试样夹紧，实现对试样的扩散焊焊接。