CN106908317B - 一种基于热模拟试验机的热压复合试验方法 - Google Patents

一种基于热模拟试验机的热压复合试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于热模拟试验机的热压复合试验方法，包括以下步骤：S1：准备待复合材料试件：将两种待复合材料加工成圆柱形试件，并去除待复合材料复合面的氧化层并清洗干净；S2：装夹试件：将两种待复合试件分别装夹在热模拟试验机的夹持装置上，并移动夹持装置使两种待复合试件的待复合面相互接触；S3：对两种待复合试件加热并保温；S4：中断加热电流，并将两种待复合试件拉开；S5：压缩两种待复合试件，得到复合试件。本发明的试验方法用于做热压复合试验简单易行，能够排除热模拟试验机在对试件加热及保温过程中因脉冲电流发生的电阻焊接和扩散焊接对试件的最终复合性能造成影响。

Description

一种基于热模拟试验机的热压复合试验方法
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种基于热模拟试验机的热压复合试验方法。
背景技术
复合材料对现代科学技术的发展，有着十分重要的作用。复合材料的研究深度和应用广度及其生产发展的速度和规模，已成为衡量一个国家科学技术先进水平的重要标志之一。
实际生产复合材料的方法有多种，例如：爆炸复合法、爆炸+轧制复合法和轧制复合法等。其中，轧制复合法具有产品质量稳定、生产成本低和生产效率高等优点，是未来生产复合材料的发展趋势。为了给实际轧制生产复合板提供参考依据，研究不同轧制条件下得到的复合材料的性能是众多研究人员首要的研究内容，其中，温度、变形量和变形速率对材料的复合性能具有重要影响。为了得到不同温度、不同变形量和不同变形速率工艺下得到的复合材料的性能，往往需要进行大量的模拟试验，为降低试验强度及试验成本，需要找到一种简单易行的模拟试验方法。
热模拟试验机采用计算机编程控制技术及液压动力控制技术，可以准确的控制加热温度、变形量和变形速率，而且试件容易制作，可以很方便地对大量的工艺参数组合进行试验，是比较理想的热压试验机。但将热模拟试验机用于做热压复合试验时，由于其是通过脉冲电流使试件产生电阻热来实现对试件的加热及保温，而在脉冲电流的作用下会使相互接触的两个试件的接触面发生电阻焊接，同时，接触面在一定的温度和压力的作用下会发生扩散焊接，由此会对得到的复合试件的最终复合性能造成影响。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于热模拟试验机的热压复合试验方法，该方法简单易行，能够排除热模拟试验机在对试件加热及保温过程中因脉冲电流发生电阻焊接和扩散焊接对试件的最终复合性能造成影响。
本发明是这样实现的：
一种基于热模拟试验机的热压复合试验方法，包括以下步骤：
S1：准备待复合材料试件：所述待复合材料试件包括第一待复合材料试件和第二待复合材料试件，所述第一待复合材料试件和第二待复合材料试件均分别包括一体成型的第一圆柱和第二圆柱，所述第二圆柱的直径小于所述第一圆柱的直径，所述第一待复合材料试件的第二圆柱的高度与所述第二待复合材料试件的第二圆柱的高度之间的比例与实际轧制复合两种材料的厚度比例一致；
S2：装夹待复合材料试件：将所述第一待复合材料试件和第二待复合材料试件分别装夹在热模拟试验机的夹持装置上，并移动夹持装置使所述第一待复合材料试件的第二圆柱和第二待复合材料试件的第二圆柱相互抵靠，关闭热模拟试验机工作箱体，对箱体内抽真空至指定的真空度；
S3：对待复合试件加热至指定温度并保温；
S4：通过设定热模拟试验机的温度阈值中断试件的加热电流，并通过夹持装置将所述第一待复合材料试件和第二待复合材料试件快速拉开；
S5：在一定的移动速率下夹持装置将所述第一待复合材料试件和第二待复合材料试件快速恢复接触，并按照一定的压下量和压缩速率对所述第一待复合材料试件的第二圆柱和第二待复合材料试件的第二圆柱进行压缩，压缩完成后得到复合试件。
优选地，S1中还包括去除所述第一待复合材料试件和第二待复合材料试件的待复合面的氧化层步骤。
优选地，S4中热模拟试验机的温度阈值为0℃。
优选地，S1中使用酒精和丙酮对所述第一待复合材料试件和第二待复合材料试件的待复合面进行清洗。
优选地，S4中夹持装置以不低于1s-1的移动速率将所述第一待复合材料试件和第二待复合材料试件拉开。
优选地，S5中所述压缩速率与实际轧制复合板压缩速率相同。
优选地，S2中箱体抽真空后至8～10×10-4Torr后冲入氩气，并在氩气充满后再抽一次真空至8～10×10-4Torr。
优选地，S5中所述移动速率与所述压缩速率相等。
与现有技术相比，本发明的优点如下所述：
①本发明基于热模拟试验机做热压复合试验，在对试件加热及保温后，将两种待复合试件拉开再进行压缩试验，由此排除了热模拟试验机在对试件加热及保温过程中因脉冲电流发生电阻焊接和扩散焊接对试件的最终复合性能造成的影响。
②本发明的实验时间短，在一天内能够获取几十个甚至上百个复合后试件，能够尽可能的排出影响复合后试件性能的其他因素，获取更真实的数据，应用于实际轧制复合中。
③本发明提出了可行的Gleeble3800热模拟试验机进行热压复合的实验方案，并在此平台上进行了304不锈钢和碳钢热压复合实验，得到了不同温度和压下量下的的复合强度曲线，可以应用于实际轧制中。
附图说明
图1是本发明中的实施例的试件夹持方式示意图；
图2为试件压缩示意图；
图3为实施例中不同温度和压下量下的抗拉强度示意图。
附图中的标记如下：
1-不锈钢试件，2-碳钢试件，3-夹持装置，4-压头。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面，以及本发明的工艺步骤。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的部件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
对于本领域的技术人员而言，应当清楚本申请中提及的“前、后、上、下、左、右”等方向用词仅是为了能够更直观地解释本发明，因此在文中的上述的方向用词并不构成对本发明的保护范围的限制。
如图1所示，以不锈钢和碳钢为例，两种试件分别夹持在夹持装置3的左右两端。如不锈钢试件1夹持在夹持装置3的左端，碳钢试件2夹持在夹持装置3的右端。
本发明是这样实现的：
一种基于热模拟试验机的热压复合试验方法，包括以下步骤：
S1：准备待复合材料试件：将不锈钢和碳钢两种待复合材料先分别加工成圆柱形试件，去除两种待复合试件的待复合面的氧化层，使用酒精和丙酮对两种待复合试件的待复合面进行清洗。所述圆柱形试件包括第一圆柱以及第二圆柱，所述第二圆柱的直径小于第一圆柱的直径，所述第一种待复合材料的第二圆柱的高度与所述第二种待复合材料的第二圆柱的高度之间的比例与实际轧制复合两种材料的厚度比例一致。
S2：装夹试件：将两种待复合试件分别装夹在热模拟试验机的夹持装置上，并移动夹持装置使两个待复合试件的第二圆柱体的顶面相互接触，关闭热模拟试验机工作箱体，对箱体内抽真空至8～10×10-4Torr后冲入氩气，并在氩气充满后再抽一次真空至8～10×10-4Torr。
S3：对两个待复合试件加热至指定温度并保温；
S4：设定热模拟试验机的温度阈值低于试件的实际温度，由此中断试件的加热电流，并通过夹持装置将两个待复合试件快速拉开。
S5：在一定的移动速率下夹持装置将两个待复合试件恢复接触，并按照一定的压下量和压缩速率对两种待复合试件的第二圆柱进行压缩，得到复合试件，所述移动速率与所述压缩速率相等。
要保证试验中温度变化较小的方法是尽量加快试验过程，使得压缩尽量在短时间内完成，将变形速率确定在一个合理的范围内可以有效减小温降，本试验采用的变形速率是5s-1，即可以使压缩过程在0.2s内完成，则其温降将小于6℃，温度误差可以接受。实际轧制生产中轧机的轧制速度如表1所示，可见选取5s-1的应变速率是基本合理的。
表1 各类轧机的平均变形速度
轧机类型 粗轧机 大型轧机 中轧机 线材轧机 中厚板轧机 热轧宽带材
变形速率/s<sup>-1</sup> 0.8～3 1～5 10～25 75～1000 8～15 70～100
通过分析得知Gleeble3800热模拟压缩试验的工艺必须要保证试验温度的相对稳定，并且还要排除电流加热对试验结果的影响。相互接触的试件经过加热和保温之后，因脉冲电流发生的电阻焊接和扩散焊接已经使其有一定的结合强度，所以先将两个试件拉开，再以与压缩时相同的变形速率将试件恢复原位，最后进行压缩，实现不锈钢和碳钢试件的压缩结合。
试件变形区的长度L＝12mm，变形区试件的半径为8mm。加热保温段采取力控制；在停止加热压缩阶段采用位移控制。压下量为50％的试验为例，试件压缩的距离0.5×12＝6mm，
其所花费的时间t0等于压缩产生的应变除以给定的应变速率5s-1。在Gleeble3800中应变应用真应变来计算，计算公式为式1。
式中，Δh为试件压缩的距离，h为试件变形区的长度；
所以t0＝ln(1-0.5)/5。而变形区的长度为6mm，压头的移动速度v0＝6/t0，应保证试件在拉开后以相同的速度v0回到原位开始压缩。程序的第一部分采用力控制，这是因为试件之间有一定的作用力才会压紧，试件之间的平稳压紧的状态才能使得试件以比较稳定的功率进行加热。第二部分采用位移控制，将拟压缩的应变量写入程序，注意拉开试件之后，试件回复原位的速率应该与压缩速率相同。
但该方法在实际应用时并不限于不锈钢和碳钢试件，只要试件是金属材料即可。
实施例1：
进行1000℃、20％压下量和5s-1变形速率的不锈钢/碳钢复合试验：
S1：取φ10mm的不锈钢和碳钢圆柱形试件，将两试件待复合的一端分别加工成φ8mm×2.4mm和φ8mm×9.6mm的阶梯状，由此可以使压缩变形集中在φ8mm处；用砂纸对不锈钢试件1和碳钢试件2待复合面进行打磨，去待复合面的氧化层，并用酒精和丙酮将待复合面清洗干净；
S2：如图1及图2所示，将不锈钢试件1和碳钢试件2分别装夹在夹持装置3上，移动夹持装置3使不锈钢试件1和碳钢试件2的待复合面相互接触；
S3：将试件加热至1000℃，加热速度为10℃/s,保温时间为180s；
S4：在控制程序中设置试件温度为0℃，由此中断对试件的加热电流，并使夹持装置3以5s-1的移动速率将两试件拉开2mm；
S5：使夹持装置3以5s-1的移动速率和4.4mm的移动距离使两试件接触并压缩，得到复合试件，压头4的移动方向如箭头所示。
本实施例在Gleeble3800热模拟试验机上进行，得到的复合试件复合界面的抗拉强度为221.0MPa。
实施例2：
进行1100℃、40％压下量和5s-1变形速率的不锈钢/碳钢复合试验：
S1：取φ10mm的不锈钢和碳钢圆柱形试件，将两试件待复合的一端分别加工成φ8mm×2.4mm和φ8mm×9.6mm的阶梯状，由此可以使压缩变形集中在φ8mm处；用砂纸对不锈钢试件和碳钢试件待复合面进行打磨，去待复合面的氧化层，并用酒精和丙酮将待复合面清洗干净；
S2：将不锈钢试件和碳钢试件分别装夹在夹持装置上，移动夹持装置使不锈钢试件和碳钢试件的待复合面相互接触；
S3：将试件加热至1100℃，加热速度为10℃/s,保温时间为180s；
S4：在控制程序中设置试件温度为0℃，由此中断对试件的加热电流，并使夹持装置以5s-1的移动速率将两试件拉开2mm；
S5：使夹持装置以5s-1的移动速率和6.8mm的移动距离使两试件接触并压缩，得到复合试件。
本实施例在Gleeble3800热模拟试验机上进行，得到的复合试件复合界面的抗拉强度为394.4MPa。
实施例3：
进行1200℃、60％压下量和5s-1变形速率的不锈钢/碳钢复合试验：
S1：取φ10mm的不锈钢和碳钢圆柱形试件，将两试件待复合的一端分别加工成φ8mm×2.4mm和φ8mm×9.6mm的阶梯状，由此可以使压缩变形集中在φ8mm处；用砂纸对不锈钢试件和碳钢试件待复合面进行打磨，去待复合面的氧化层，并用酒精和丙酮将待复合面清洗干净；
S2：将不锈钢试件和碳钢试件分别装夹在夹持装置上，移动夹持装置使不锈钢试件和碳钢试件的待复合面相互接触；
S3：将试件加热至1200℃，加热速度为10℃/s,保温时间为180s；
S4：在控制程序中设置试件温度为0℃，由此中断对试件的加热电流，并使夹持装置以5s-1的移动速率将两试件拉开2mm；
S5：使夹持装置以5s-1的移动速率和9.2mm的移动距离使两试件接触并压缩，得到复合试件。
本实施例在Gleeble3800热模拟试验机上进行，得到的复合试件复合界面的抗拉强度为523.1MPa。
完成热压缩实验后，对已经实现结合的试件做进一步的加工，以满足拉伸实验的要求。将试件装夹完好后开始拉伸，设置拉伸速度为1mm/min，待试件拉断后即可知道结合面的抗拉强度，用本发明的技术方案得到的多组不同温度和不同压下量下不锈钢和碳钢抗拉强度结果如图3所示。
对于不锈钢/碳钢复合板的结合强度国家标准是以剪切强度作为衡量依据。其规定复合界面的剪切强度应该达到210MPa。
对于本实验，考虑到拉伸实验更加便于操作，本实验测量的是不锈钢/碳钢的抗拉强度，需要将界面的抗剪强度转化为抗拉强度。对于处于应力状态的棒料，某一点进入塑性状态的形变能为：
对于处于剪切状态的棒料：
对于处于拉伸状态的棒料：
对于同一试件不论是受剪破坏还是受拉破坏其形变能应该是一样的，所以有W1＝W2。于是可以得到如果棒料结合面承受剪应力τ而破坏，那么棒料在拉伸状态下可以承受的拉应力σ应为1.732τ，即τ＝0.577σ。若将不锈钢/碳钢复合试件选取0.577作为换算系数，则结合面的抗拉强度根据国标应为363.72MPa。
总的来说，试件的结合强度随着温度的升高和压下量的增加而上升。当压下量到达一定程度时，温度对试件抗拉结合强度的提升作用减弱。
当温度和压下量到达一个比较高的水平，不锈钢/碳钢试件结合面的结合强度呈现出较平稳的变化，彼此数值比较接近。在温度为1000℃、压下量在50％以上时，其结合强度即可达到国家标准；在温度为1100℃、压下量在40％以上时，其结合强度即可达到国家标准；在温度为1200℃、压下量在20％以上，其结合强度即可达到国家标准。
同样使用Gleeble3800热模拟试验机对只完成1200℃加热和保温而不进行压缩复合试验得到的不锈钢/碳钢复合试件进行拉伸试验，测得复合界面的抗拉强度为177.9MPa，说明在对试件进行压缩之前，不锈钢和碳钢试件已经发生了结合，由此说明排除试件在加热和保温过程中因电阻焊接和扩散焊接对复合强度的影响很有必要。
与现有技术相比，本发明基于热模拟试验机做热压复合试验，在对试件加热及保温后，将两种待复合试件拉开再进行压缩试验，由此排除了热模拟试验机在对试件加热及保温过程中因脉冲电流发生电阻焊接和扩散焊接对试件的最终复合性能造成的影响。
本发明提出了可行的Gleeble3800热模拟试验机进行热压复合的实验方案，并在此平台上进行了304不锈钢和碳钢热压复合实验，得到了不同温度和压下量下的的复合强度。
304不锈钢/碳钢复合强度随着温度的升高和压下量的增加而上升，当温度和压下量到达一个比较高的水平时，试件的结合强度其实呈现出较平稳的变化，彼此数值比较接近。
在1000℃，50％的压下量和1100℃，30％的压下量以及1200℃，20％的压下量以上304不锈钢和Q235的结合强度可以满足国标要求。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种基于热模拟试验机的热压复合试验方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：准备待复合材料试件：所述待复合材料试件包括第一待复合材料试件和第二待复合材料试件，所述第一待复合材料试件和第二待复合材料试件均分别包括一体成型的第一圆柱和第二圆柱，所述第二圆柱的直径小于所述第一圆柱的直径，所述第一待复合材料试件的第二圆柱的高度与所述第二待复合材料试件的第二圆柱的高度之间的比例与实际轧制复合两种材料的厚度比例一致；
S2：装夹待复合材料试件：将所述第一待复合材料试件和第二待复合材料试件分别装夹在热模拟试验机的夹持装置上，并移动夹持装置使所述第一待复合材料试件的第二圆柱和第二待复合材料试件的第二圆柱相互抵靠，关闭热模拟试验机工作箱体，对箱体内抽真空至指定的真空度；
S3：对待复合试件加热至指定温度并保温；
S4：通过设定热模拟试验机的温度阈值中断试件的加热电流，并通过夹持装置将所述第一待复合材料试件和第二待复合材料试件快速拉开；
S5：在一定的移动速率下夹持装置将所述第一待复合材料试件和第二待复合材料试件快速恢复接触，并按照一定的压下量和压缩速率对所述第一待复合材料试件的第二圆柱和第二待复合材料试件的第二圆柱进行压缩，压缩完成后得到复合试件。
2.根据权利要求1所述的基于热模拟试验机的热压复合试验方法，其特征在于：S1中还包括去除所述第一待复合材料试件和第二待复合材料试件的待复合面的氧化层步骤。
3.根据权利要求1所述的基于热模拟试验机的热压复合试验方法，其特征在于：S4中热模拟试验机的温度阈值为0℃。
4.根据权利要求1所述的基于热模拟试验机的热压复合试验方法，其特征在于：S1中使用酒精和丙酮对所述第一待复合材料试件和第二待复合材料试件的待复合面进行清洗。
5.根据权利要求1所述的基于热模拟试验机的热压复合试验方法，其特征在于：S4中夹持装置以不低于1s-1的移动速率将所述第一待复合材料试件和第二待复合材料试件拉开。
6.根据权利要求5所述的基于热模拟试验机的热压复合试验方法，其特征在于：S5中所述压缩速率与实际轧制复合板压缩速率相同。
7.根据权利要求1所述的基于热模拟试验机的热压复合试验方法，其特征在于：S2中箱体抽真空后至8～10×10-4Torr后充 入氩气，并在氩气充满后再抽一次真空至8～10×10- 4Torr。
8.根据权利要求1所述的基于热模拟试验机的热压复合试验方法，其特征在于：S5中所述移动速率与所述压缩速率相等。
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