CN106198249A - 测试医用tc4钛合金反弹性能的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及测试医用TC4钛合金反弹性能的方法及系统，属于万能试验机三点弯曲的测试方法及系统领域。本发明的方法包含S1通过三点弯曲试验获得试样的弯曲力‑挠度曲线；S2设置变形位移，通过自由分段控制三点弯曲试验测试试样的反弹性能；S3导出所述步骤S2所得的数据，处理所述数据，即得试样的反弹性能评价。本发明的有益效果为：对回弹性能测试试样的要求与三点弯曲试样的要求一致，试样制备容易。对试样回弹性能的测试可在万能试验机上进行，不需要其他专用设备，方法简便、易行。通过Origin作回弹曲线，然后根据回弹曲线计算回弹率评价TC4丝材的反弹性能，方法简单、可靠。

Description

测试医用TC4钛合金反弹性能的方法及系统
技术领域
本发明涉及万能试验机三点弯曲的测试方法及系统，特别是测试医用TC4钛合金棒材丝材反弹性能的方法及系统。
背景技术
医用TC4钛合金丝材加工成连接棒作为脊柱固定系统植入人体，在临床应用出现较大的反弹现象时给医护工作者带来不便，因此在连接棒应用到临床前，对医用TC4丝材的反弹性能进行评价是必要的，但是目前还没有关于反弹性能测试和评价的标准。
实验室和科研机构利用万能试验机三点弯曲试验主要测试铸铁、工具钢、硬质合金以及陶瓷材料等的强度性能，目前还没有通过三点弯曲试验来测试TC4钛合金棒材丝材反弹性能的报导。本专利在DNS100万能试验机中通过分段控制三点弯曲试验获得TC4丝材的回弹曲线，提供了一种利用回弹曲线计算回弹率评价反弹性能的方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，利用DNS100万能试验机自由分段控制三点弯曲试验，获得TC4丝材的加载/卸载回弹曲线，然后根据回弹曲线计算回弹率，简单有效评价医用TC4丝材的反弹性能。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：测试医用TC4钛合金反弹性能的方法，包含以下步骤:S1通过三点弯曲试验获得试样的弯曲力-挠度曲线；S2设置变形位移，通过自由分段控制三点弯曲试验测试试样的反弹性能；S3导出所述步骤S2所得的数据，处理所述数据，即得试样的反弹性能评价。
优选地，所述步骤S1中所述试样为直径6mm的医用TC4丝材。
优选地，所述试样的预处理步骤为：将所述丝材加工成跨距为30mm，全长为50mm的四段；将所述四段试样分别在730℃保温0h、0.5h、2h和10h。
优选地，所述步骤S2包含步骤：S2.1激活循环选项，起始段号和结束段号分别设置为1和2，循环次数设置为1，退出循环条件不设置；S2.2激活第一试验段，控制方式选择位移控制，速度设置为0.5mm/min，根据挠度曲线将目标值选择为3mm，保持时间为6min；S2.3激活第二试验段，控制方式仍选择位移控制，速度设置为0.5mm/min，目标值设置为0mm，保持时间设置为6min；S2.4激活数据采集，并采集数据。
优选地，所述步骤S2.4数据采集的条件为：常规采样频率设置为10HZ；保持采样频率设置为10HZ；位移通道变化量设置为0.01mm；力通道变化量设置为0.1N；变形1通道变化量设置为0.001mm。
本发明还保护测试医用TC4钛合金反弹性能的系统，包括：弯曲力-挠度曲线获取模块，用于获得试样的弯曲力-挠度曲线；反弹性能数据采集模块，用于采集数据测试试样的反弹性能；数据处理模块，用于导出并处理所述数据。
优选地，所述反弹性能数据采集模块包含:加载曲线获取模块，用于通过位移控制得到试样的加载曲线；卸载曲线获取模块，用于通过位移控制得到试样的卸载曲线；加载/卸载回弹曲线获取模块，用于通过分段控制得到试样的封闭加载/卸载回弹曲线。
优选地，所述数据处理模块包含：加载角度计算模块，用于计算试样弯曲到3mm时对应的角度；卸载角度计算模块，用于计算试样在弯曲卸载后所对应的角度；回弹率计算模块，用于计算试样在弯曲试验加载-卸载后的回弹率。
本发明的优点和积极效果是：(1)本发明对回弹性能测试试样的要求与三点弯曲试样的要求一致，试样跨距长度可根据GB/T 232-2010来确定，试样制备容易。(2)本发明对试样回弹性能的测试可在万能试验机上进行，不需要其他专用设备，方法简便、易行。(3)通过Origin作回弹曲线，然后根据回弹曲线计算回弹率评价TC4丝材的反弹性能，方法简单、可靠。
附图说明
图1为TC4丝材经弯曲试验加载后的变形示意图；
图2为TC4丝材经弯曲试验卸载后的变形示意图；
图3为实施例1中各试样进行三点弯曲试验的弯曲力-挠度曲线；
图4为实施例1中未进行热处理试样变形3mm后的回弹曲线；
图5为实施例1中730℃热处理0.5h的试样变形3mm后的回弹曲线；
图6为实施例1中730℃热处理2h的试样变形3mm后的回弹曲线；
图7为实施例1中730℃热处理10h的试样变形3mm后的回弹曲线；
图8为实施例1中热处理不同时间后各试样的回弹率曲线。
具体实施方式
下面结合附图、通过具体实施例对本发明作进一步详述。以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的范围。
本发明的试验材料为φ6mm医用TC4丝材，特别适用于生产医用连接棒，根据GB/T232-2010将丝材加工成跨距为30mm，全长为50mm的4段。将试样分别在730℃保温0h、0.5h、2h和10h，然后对各丝材按如下方案进行三点弯曲试验。
本发明的试验步骤为：
一、弯曲性能测试。根据GB/T 232-2010制备合适的三点弯曲试样、选择合适直径的压头，然后将试样和压头放在支座上，通过三点弯曲试验测试TC4丝材的弯曲力-挠度曲线，为反弹性能测试时变形位移的选择提供依据。
二、反弹性能测试。根据GB/T 232-2010制备合适的三点弯曲试样、选择合适直径的压头，然后将试样和压头放在支座上，通过自由分段控制弯曲试验，两阶段都为位移控制，变形位移根据弯曲结果选择。第一段位移控制的目的是为得到TC4丝材的加载曲线，第二段位移控制目的是为得到TC4丝材的卸载曲线，最后通过分段控制得到TC4丝材封闭的加载/卸载回弹曲线。
三、反弹性能的评价。本专利提供了一种通过回弹率评价反弹性能的方法。为了方便计算回弹率，TC4丝材经弯曲试验加载-卸载后的变形关系如示意图1所示，回弹率η可通过公式(1)定义：
η＝(θ-θ")/θ (1)
其中θ是试样弯曲到指定位移时对应的角度，θ″为弯曲卸载后所对应的角度，θ和θ″分别可通过如下公式(2)和(3)计算
θ＝2[π-2arctan(L/D)] (2)
θ"＝2[π-2arctan(L/D")] (3)
其中L为跨距的一半，D为弯曲加载过程中所达到的指定位移，D″为弯曲卸载后弯曲力为0MPa时的弯曲挠度，D和D″均可通过回弹曲线得到，利用Origin软件对加载/卸载数据进行处理可得到回弹曲线。最后将由回弹曲线得到的D和D″代入上述公式即可求得TC4丝材的回弹率，进而评价反弹性能。
实施例1
本发明中三点弯曲测试TC4丝材反弹性能的方法具体方案由以下实施例详细给出。
首先在DNS100万能试验机中通过三点弯曲试验获得试样的弯曲力-挠度曲线，如图2所示。
根据图2将反弹性能测试中的变形位移设置为3mm，然后通过自由分段控制三点弯曲试验测试丝材的反弹性能。首先激活循环选项，起始段号和结束段号分别设置为1和2，循环次数设置为1，退出循环条件不设置；其次激活第一试验段，控制方式选择位移控制，速度设置为0.5mm/min，根据挠度曲线将目标值选择为3mm，保持时间为6min；随后激活第二试验段，控制方式仍选择位移控制，速度设置为0.5mm/min，目标值设置为0mm，保持时间设置为6min。最后在采样设置窗口，激活数据采集，各采样条件分别如下：采样条件1：常规采样频率设置为10HZ；采样条件2：保持采样频率设置为10HZ；采样条件3：位移通道变化量设置为0.01mm；采样条件4：力通道变化量设置为0.1N；采样条件5：变形1通道变化量设置为0.001mm。各参数设置完成后，开始试验，在第一试验段结束后，通过单击“试验T”选择“进入下一试验段”进入第二阶段。
试验结束后导出数据，然后通过Origin软件重新处理数据，结果如图3-图6。将各曲线测得的D和D″代入公式(2)和(3)求得θ和θ″，最后根据公式(1)计算各试样的回弹率，结果如图7所示。试样未热处理时的回弹率约为37.63％，730℃热处理0.5h、2h和10h后的回弹率分别约为35.61％、33.87％和36.19％。

Claims (8)

1.测试医用TC4钛合金反弹性能的方法，其特征在于，包含以下步骤:
S1通过三点弯曲试验获得试样的弯曲力-挠度曲线；
S2设置变形位移，通过自由分段控制三点弯曲试验测试试样的反弹性能；
S3导出所述步骤S2所得的数据，处理所述数据，即得试样的反弹性能评价。
2.根据权利要求1所述的测试医用TC4钛合金反弹性能的方法，其特征在于，所述步骤S1中所述试样为直径6mm的医用TC4丝材。
3.根据权利要求2所述的测试医用TC4钛合金反弹性能的方法，其特征在于，所述试样的预处理步骤为：将所述丝材加工成跨距为30mm，全长为50mm的四段；将所述四段试样分别在730℃保温0h、0.5h、2h和10h。
4.根据权利要求1所述的测试医用TC4钛合金反弹性能的方法，其特征在于，所述步骤S2包含步骤：
S2.1激活循环选项，起始段号和结束段号分别设置为1和2，循环次数设置为1，退出循环条件不设置；
S2.2激活第一试验段，控制方式选择位移控制，速度设置为0.5mm/min，根据挠度曲线将目标值选择为3mm，保持时间为6min；
S2.3激活第二试验段，控制方式仍选择位移控制，速度设置为0.5mm/min，目标值设置为0mm，保持时间设置为6min；
S2.4激活数据采集，并采集数据。
5.根据权利要求4所述的测试医用TC4钛合金反弹性能的方法，其特征在于，所述步骤S2.4数据采集的条件为：
采样条件1：常规采样频率设置为10HZ；
采样条件2：保持采样频率设置为10HZ；
采样条件3：位移通道变化量设置为0.01mm；
采样条件4：力通道变化量设置为0.1N；
采样条件5：变形1通道变化量设置为0.001mm。
6.应用权利要求1-5中任一权利要求所述的方法测试医用TC4钛合金反弹性能的系统，其特征在于，包括：
弯曲力-挠度曲线获取模块，用于获得试样的弯曲力-挠度曲线；
反弹性能数据采集模块，用于采集数据测试试样的反弹性能；
数据处理模块，用于导出并处理所述数据。
7.根据权利要求6所述的测试医用TC4钛合金反弹性能的系统，其特征在于，所述反弹性能数据采集模块包含:
加载曲线获取模块，用于通过位移控制得到试样的加载曲线；
卸载曲线获取模块，用于通过位移控制得到试样的卸载曲线；
加载/卸载回弹曲线获取模块，用于通过分段控制得到试样的封闭加载/卸载回弹曲线。
8.根据权利要求6所述的测试医用TC4钛合金反弹性能的系统，其特征在于，所述数据处理模块包含：
加载角度计算模块，用于计算试样弯曲到3mm时对应的角度；
卸载角度计算模块，用于计算试样在弯曲卸载后所对应的角度；
回弹率计算模块，用于计算试样在弯曲试验加载-卸载后的回弹率。
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