CN105158083A - 一种异种材料结合过程中结合强度的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明介绍一种异种材料热态结合过程中结合强度的测试方法，该方法通过仿真软件对异种材料结合过程进行力学分析，提取有效结合参数并做相应简化；将实验相关数据输入试验机，通过设定“时间-应力”的实验测试变化曲线，同时设定拉伸速度输入测试设备作为反应参数；按照Gleeble？3500实验操作要求进行试样装卡，实验参数通过输入试验机参数完成；通过对比实验过程界面应力应变参数与实际反应过程界面状态参数，对于界面强度实际强度参数进行测试，得到界面的结合强度参数。通过对异种材料界面进行结合实验并对结合强度进行检测，可以准确的判断在不同条件下界面结合情况以及强度数值，为生产提供准确数据。

Description

一种异种材料结合过程中结合强度的测试方法

技术领域

本发明涉及材料强度检测技术，特别是针对异种材料结合过程测试结合强度的方法。

背景技术

异种材料热结合过程主要通过热轧制方法和扩散焊接方法，以得到强度较大，结合率较高的稳定结合界面。在目前的实验研究以及测试研究中，界面结合强度研究以及强度测量方法局限于结合反应完成后，界面组织温度回归常温，界面两侧金属扩散充分后，检测界面冷态强度以及结合效果。这就使得异种材料在结合过程中的界面强度无法获悉，只能通过简单公式预测或进行递推。本发明是对于异种材料结合过程，界面热态结合强度进行准确检测。

热轧制过程以及扩散焊接过程中，界面结合强度以及结合率直接影响到成品复合材料结合界面的强度，特别是对于复合板热复合轧制，组坯真空度、加热温度、轧制制度以及热处理过程都对于界面的结合有直接影响。目前有学者利用热模拟实验机设计扩散焊接的热模拟实验，没有对于复合轧制过程进行实验，没有针对复合界面热态下强度进行实验设计。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种方法简单、数据精确的异种材料结合过程中结合强度的测试方法。

本发明的技术方案：一种异种材料结合过程中结合强度的测试方法，该方法通过仿真软件对异种材料结合过程进行分析，提取有效结合参数并做相应简化；将仿真相关数据输入试验机，设定“时间-应力”的实验测试曲线，同时设定拉伸速度输入测试设备作为反应参数；

按照Gleeble3500实验设备操作要求进行试样装卡，实验参数通过输入试验机参数完成；通过对比实验过程界面受应力应变参数与实际反应过程界面状态参数，对于界面实际强度参数进行测试，得到界面的结合强度参数，该方法具体包括以下步骤：

步骤1.建立模型:

利用有限元软件，按照实际轧制过程，轧板以及轧辊实际尺寸建立仿真模型，

输入测试金属材料参数，包括：密度、弹性参数、塑性参数、热膨胀系数、热传导系数,

按照实际轧制过程，装配，设定轧制温度、轧辊温度、板坯和轧辊速度,

按照软件要求操作，读取仿真结果中轧制稳定区域异种材料界面间节点应力S22和S12随时间变化的曲线；

步骤2简化：定义垂直界面方向为Y方向，轧制方向为X方向，与X,Y正交方向为Z方向。复合轧制过程以及扩散焊接过程，由于复合材料宽度远大于厚度，故忽略Z方向的受力情况，简化为二维受力分析，分别读取界面应力σ_y和τ_xy

σ_y即S22，表示垂直界面的正应力，τ_xy即S12，表示压下方向以及轧制方向平面的剪应力数值最大值，若σ_y＞5τ_xy，则可忽略剪应力作用，认为界面合力与界面垂直，界面应力大小取σ_y；若σ_y≤5τ_xy，则需要对于界面受力σ_y和τ_xy进行力的合成，方法是得到的应力值为计算合力与界面夹角为

对于应力随时间变化的曲线进行简化，以便输入试验机进行热模拟测试。简化原则有：

(1)界面应力与时间的曲线简化为直线，且须保持界面应力极值保持不变，

(2)简化前后，界面应力与时间的积分相等；

步骤3：试样准备

将异种材料的金属分别切割加工成小圆柱，尺寸为Φ10X55mm，端部长度10mm套螺纹，根据步骤2得到界面夹角为β，用砂纸将端面与圆柱轴线的角度打磨至界面夹角β；

步骤4.试验参数

4.1试样连接方式：使用固定式卡头，将步骤3得到的圆柱试样进行紧固连接，采用螺旋旋口的方式进行连接，螺丝旋紧，安装在测试装置内，压头对试样施加1MPa预应力，抽真空至0.1～1Pa，进行等速加热，加热速率为＜10℃/s，加热至900～1200℃；

4.2保持此时位移不变，进行下压，下压采用“时间-应力”方式下压；

4.3下压完成后，保持此时位移不变，改应力控制，施加预应力为1-5MPa，保持30s；

4.4保持此时位置不变，改为应变控制，设定拉伸速度0.001～0.01/s，进行拉伸，直到拉断；

步骤5.数据读取：读取拉伸载荷与拉伸应变的曲线，定义为曲线1，代表结合界面在此温度以及此种受力作用下的界面结合强度数值。对基体材料在此拉伸速度下进行测试，得到基体材料的应力应变曲线，定义为曲线2；读取曲线1最大应力值σ1以及所对应的应变ε₁，在曲线2中读出应变ε₂所对应的应力值σ2，界面的结合率为 $\mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{\σ}}_1}{{\mathrm{\σ}}_2}.$

本发明的有益效果是：由于采用上述技术方案，该方法具有以下特点，

1利用仿真软件可以精确地获悉异种材料结合界面在轧制过程中的真实应力应变过程，可以实现对不同温度、轧制速度、压下率、不同金属材料以及金属层厚度比条件下界面结合情况。

2将界面应力与时间的参数曲线输入GLEEBLE3500热模拟试验机，可以准确地模拟界面受力状态，并通过对于界面拉伸得到界面结合强度的应力应变曲线。

3拉伸过程中测量得到的强度为应力应变曲线，通过对比结合强度曲线与基体材料界面拉伸强度曲线进行分析比较，可以准确预测界面结合率以及界面结合强度。

4利用此方法可以快速准确的预测结合界面热态强度，从而判断界面的结合状态。

附图说明

图1为界面应力与应变的关系曲线示意图。

图2为基体金属应力与应变关系曲线示意图。

图3为界面节点S22随时间变化关系图。

图4为界面节点S12随时间变化关系图。

图5为界面应力简化示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

如1-5所示，本发明是一种异种材料结合过程中结合强度的测试方法，具体包括以下步骤：

步骤1.建立模型:

利用有限元软件，按照实际轧制过程，轧板以及轧辊实际尺寸建立仿真模型；

输入测试金属材料参数，包括：密度、弹性参数、塑性参数、热膨胀系数、热传导系数,

按照实际轧制过程，装配，设定轧制温度、轧辊温度、板坯和轧辊速度，

按照软件要求操作，读取仿真结果中轧制稳定区域异种材料界面间节点应力S22和S12随时间变化的曲线；

步骤2简化：定义垂直界面方向为Y方向，轧制方向为X方向，正交方向为Z方向，对于轧制过程以及扩散焊接过程，由于复合材料宽度远大于厚度，故忽略Z方向的受力情况，简化为二维受力分析，分别读取界面义σ_y和τ_xy

σ_y即S22，表示垂直界面的正应力，τ_xy即S12，表示压下方向以及轧制方向平面的剪应力数值最大值，若σ_y＞5τ_xy，则可忽略剪应力作用，认为界面合力与界面垂直，界面应力大小取σ_y；若σ_y≤5τ_xy，则需要对于界面受力σ_y和τ_xy进行力的合成，根据以下公式求出合应力，计算合力与界面夹角为将界面应力与时间的曲线进行简化，以输入试验机进行实验，简化原则为：

(1)保持界面最大应力值不变

(2)简化前后应力与时间的积分差异小于5％

步骤3：试样准备

将异种材料的金属分别切割加工成小圆柱，尺寸为Φ10X55mm，端部长度10mm套螺纹，根据步骤2得到界面夹角为β，用砂纸将端面与圆柱轴线的角度打磨至界面夹角β；

步骤4.试验参数

4.1试样连接方式：使用固定式卡头，将步骤3得到的圆柱试样进行紧固连接，采用螺旋旋口的方式进行连接，螺丝旋紧，安装在测试装置内，压头对试样施加1MPa预应力，抽真空至0.1～1Pa，进行等速加热，加热速率为＜10℃/s，加热至900～1200℃；

4.2保持此时位移不变，进行下压，下压采用“时间-应力”方式下压，参照图5简化曲线所示，通过输入曲线每一个折点所对应的时间点以及应力值(S22)，输入试验机，以此控制拉头载荷曲线，从而可以控制拉头载荷随时间的关系；

4.3下压完成后，保持此时位移不变，改应力控制，施加预应力为1-5MPa，保持30s；

4.4保持此时位置不变，改为应变控制，设定拉伸速度0.001～0.01/s，进行拉伸，直到拉断；

4.5数据读取：系统读取实验数据时，结果输出有测试的温度、真空度、应力、应变数据，其中将拉伸过程中的拉伸应力-应变曲线作为界面结合强度的测试结果。

实施例1：模拟碳钢、不锈钢复合板轧制过程中界面结合强度：

尺寸：板坯长度2000mm，厚度分别为10mm(复层)和90mm(基层)，轧辊直径750mm。边条宽度200mm，复层板与边条缝隙5mm，

温度：板坯温度1200℃，轧辊温度300℃，环境温度20℃，

速度：板坯速度800mm/s，轧辊线速度850mm/s，

材料：输入不锈钢、碳钢材料参数，包括：密度、弹性参数、塑性参数、热膨胀系数、热传导系数，

设定应变为10％，工序时间为3s，进行仿真，仿真结束后，选取界面稳定区，选取界面应力S22和S12随时间变化的曲线图，如图所示：读取界面处最大应力值，读出数据为：界面最大正压应力50MPa，最大剪应力9MPa，通过比较50>5*9，剪应力省略，合力为压应力 $\mathrm{\σ}=\sqrt{{\mathrm{\σ}}_y^2+{\mathrm{\τ}}_{xy}^2},$ 计算合力与界面夹角为 $\mathrm{\β}=arctan\frac{{\mathrm{\τ}}_{xy}}{{\mathrm{\σ}}_y}$

应力简化：将剪应力值S12省略，只保留S22应力值，保持最大压应力值不变，进行线性简化，对于S22曲线进行简化，得到界面应力简化曲线。

3试样：将试样按照此尺寸加工，并对端面进行打磨，从600#砂纸打磨到2000#砂纸，打磨至表面粗糙度为Ra0.6～Ra6.3；

4实验过程：设定实验真空度1Pa，温度1200℃，加热速度10℃/s，加热到1200℃后保温1min，按照简化曲线(如图5所示)输入施加载荷与时间参数以控制拉头载荷与时间关系。载荷结束后保持10s，拉伸试样，拉伸速度0.01/s；

5读取拉伸载荷与拉伸应变的曲线，定义为曲线1，代表结合界面在此温度以及此种受力作用下的界面结合强度数值。对基体材料在此拉伸速度下进行测试，得到基体材料的应力应变曲线(如图1所示)，定义为曲线2(如图2所示)；读取曲线1最大应力值σ1以及所对应的应变ε₁，在曲线2中读出应变ε₂所对应的应力值σ2，界面的结合率为

通过曲线1为1100℃条件下工程应变为0.1时，结合界面应力与应变的关系曲线。从中可以看到界面应力最大值为18MPa，对应应变为0.06.通过曲线2，读取应变在0.06时的应力值为30MPa，则可以分析出此加工条件下复合界面结合率为

Claims (4)

1.一种异种材料结合过程中结合强度的测试方法，其特征在于，该方法通过仿真软件对异种材料结合过程进行分析，提取有效结合参数，有效结合参数是指垂直界面方向主应力以及结合界面剪应力，并做相应简化；将仿真相关数据输入试验机，设定“时间-应力”的实验测试曲线，同时设定拉伸速度输入测试设备作为反应参数；

按照Gleeble3500实验设备操作要求进行试样装卡，实验参数通过输入试验机参数完成；通过对比实验过程界面应力应变参数与实际反应过程界面状态参数，对于界面强度实际强度参数进行测试，得到界面的结合强度参数。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

步骤1：利用有限元软件建立模型进行仿真分析，得到仿真结果中轧制稳定区域异种材料界面间节点应力S22和S12随时间变化的曲线；

步骤2对于应力随时间变化的曲线进行简化，以便输入试验机进行热模拟测试，简化原则有：

(1)界面应力与时间的曲线简化为直线，且须保持界面应力极值保持不变

(2)简化前后，界面应力与时间的积分相等；

步骤3：试样准备

将异种材料的金属分别切割加工成小圆柱，尺寸为Φ10X55mm，端部长度10mm套螺纹，根据步骤2得到界面夹角为β，用砂纸将端面与圆柱轴线的角度打磨至界面夹角β；

步骤4.试验参数

4.1试样连接方式：使用固定式卡头，将步骤3得到的圆柱试样进行紧固连接，采用螺旋旋口的方式进行连接，螺丝旋紧，安装在测试装置内，压头对试样施加1MPa预应力，抽真空至0.1～1Pa，进行等速加热，加热速率为＜10℃/s，加热至900～1200℃；

4.2保持此时位移不变，进行下压，下压采用“时间-应力”控制设定每一时间段界面应力的数值进行控制；

4.3下压完成后，保持此时位移不变，改应力控制，施加预应力为1-5MPa，保持30s；

4.4保持此时位置不变，改为应变控制，设定拉伸速度0.01～0.1/s，进行拉伸，直到拉断；

步骤5.数据读取：读取拉伸载荷与拉伸应变数值，并通过计算得到界面应力与应变的关系曲线，通过定义为曲线1，代表结合界面在此温度以及此种受力条件下的界面结合强度数值，对基体材料在此拉伸速度下进行测试，得到基体材料的应力应变曲线，定义为曲线2；读取曲线1最大应力值σ₁以及所对应的应变ε₁，在曲线2中读出应变ε₂所对应的应力值σ₂，界面的结合率为

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤1的具体步骤如下：

1.1利用有限元软件，按照实际轧制过程，轧板以及轧辊实际尺寸建立仿真模型，

1.2输入测试金属材料参数，包括：密度、弹性参数、塑性参数、热膨胀系数、热传导系数,

1.3按照实际轧制过程，设定轧制温度、轧辊温度、板坯和轧辊速度，

1.4按照软件要求操作，读取仿真结果中轧制稳定区域异种材料界面间节点应力S22和S12随时间变化的曲线。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述简化步骤如下：定义垂直界面方向为Y方向，轧制方向为X方向，正交方向为Z方向，对于轧制过程以及扩散焊接过程，简化为二维受力分析，分别读取界面义σ_y和τ_xy，σ_y即S22，σ_y为垂直界面的正应力，τ_xy即S12代表压下方向以及轧制方向平面的剪应力数值最大值，若σ_y＞5τ_xy，则可认为界面合力与界面垂直，界面应力大小取σ_y；若σ_y≤5τ_xy，则需要对于界面受力σ_y和τ_xy进行力的合成，合应力σ，并计算界面应力与界面夹角β，