CN107036902B - 一种用于带材退火实验的施力装置 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种用于带材退火实验的施力装置。技术方案是：连接杆(2)左端与左夹持器(1)螺纹连接，连接杆(2)右端活动地穿过右夹持器(4)，连接杆(2)右肩与右夹持器(4)间装有第一弹簧(3)，连接杆(2)右端端部装有螺母(6)，螺母(6)与右夹持器(4)间装有第二弹簧(5)。所述左夹持器(1)由两个夹紧块通过螺栓连接而成，两个夹紧块均为条形块。一个条形块的加紧面中间位置处设有凸台，另一个条形块的加紧面中间位置处设有与凸台相匹配的凹槽。凸台的中心处设有螺孔，螺孔两侧的平面对称地设有1~2个通孔。本发明结构简单、成本低和操作方便，适用于条带形状或将两端加工成条带形状的金属试样施加张力，金属试样的设定张力F与金属试样实际施加的张力相等。

Description

一种用于带材退火实验的施力装置
技术领域
本发明属于带材退火实验的辅助装置技术领域。具体是一种用于带材退火实验的施力装置。
背景技术
传统的退火处理是给形变金属施加一个温度场，使自身能量抬高的原子在温度场的作用下克服形变金属内部的弹性力场和静电场并通过扩散的方式重新回到能量最低的平衡位置，即回复再结晶。在回复再结晶过程中，施加温度场的同时施加其它外场如力场也会使材料内部的弹性力场和静电场发生改变，从而影响原子的扩散行为以及溶质原子与位错和晶界间的相互作用行为等，使再结晶组织发生显著改变，材料的力学性能也会相应发生显著改变。对于屈服强度很大的钢材而言，外加的张力远小于其屈服强度，所以张力对其回复再结晶的影响不大。但对于屈服强度较小的合金来说，例如铅合金，外加张力与其屈服强度比较接近，外加张力对铅合金回复再结晶的影响就不可忽略。
目前，Gleeble系列热模拟试验机可以给金属试样施加温度场的同时，施加张力，并获得温度、应力、应变曲线。但Gleeble系列热模拟试验机有三个缺点：一是Gleeble热模拟试验机成本昂贵，维护费和使用费高；二是Gleeble热模拟试验机在提供试样温度场的同时，由电流产生的磁场对试样也会产生影响；三是Gleeble热模拟试验机对试样形状要求严格，必须将试样加工成适合夹具的形状，才能进行模拟。
发明内容
本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种结构简单、成本低和操作方便的用于带材退火实验的施力装置，适用于条带状金属试样的夹持，该装置对金属试样的实际施加张力等于对金属试样的设定张力F。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：所述装置包括：左夹持器(1)、连接杆(2)、第一弹簧(3)、右夹持器(4)、第二弹簧(5)和螺母(6)。
连接杆(2)的左端与左夹持器(1)螺纹连接，连接杆(2)的右端活动地穿过右夹持器(4)，连接杆(2)的右肩与右夹持器(4)间装有第一弹簧(3)，连接杆(2)的右端端部装有螺母(6)，螺母(6)与右夹持器(4)间装有第二弹簧(5)。
所述左夹持器(1)由两个夹紧块通过螺栓连接而成，两个夹紧块均为条形块。一个条形块的加紧面中间位置处设有凸台，另一个条形块的加紧面中间位置处设有与凸台相匹配的凹槽，所述凸台的凸起面与所述凹槽的凹下面相吻合，凸台的中心处设有螺孔，螺孔中心线的所在平面与凸台两侧的平面为同一平面；两侧的平面对称地设有1~2个通孔。
所述凸台为梯形凸台、半圆形凸台和矩形凸台中的一种，所述凹槽为与梯形凸台、半圆形凸台和矩形凸台相匹配的梯形凹槽、半圆形凹槽和矩形凹槽。
所述右夹持器(4)除螺孔为通孔外，其余与左夹持器(1)相同。
所述连接杆(3)呈阶梯连接杆状，中间粗两端细，两端分别设有螺纹。
所述用于带材退火实验的施力装置的使用方法：
步骤一、取长度为15~27cm和宽度为12cm的原始金属带材，用维氏显微硬度计测量所述原始金属带材的硬度，原始金属带材的硬度记为H1。
步骤二、将所述原始金属带材进行轧制，用维氏显微硬度计测量轧制后金属带材的硬度，轧制后金属带材的硬度记为H2。
步骤三、将轧制后金属带材剪切为相同的n个试样，n个试样依次编号为N1、N2、……和Nn，对应地，试样N1、N2、……和Nn的设定张力依次为F1、F2、…和Fn；n为5~9的自然数。
步骤四、将试样N1固定在左夹持器(1)和右夹持器(4)上。
步骤五、根据试样N1的设定张力F1，计算出第一弹簧(3)和第二弹簧(5)的压缩量之差△X1
△X1=F1/K (1)
式(1)中：△X1为第一弹簧(3)和第二弹簧(5)的压缩量之差，mm；
F1为试样N1的设定张力，N；
K为第一弹簧(3)和第二弹簧(5)的倔强系数N/mm。
步骤六、旋转连接杆(2)，使第一弹簧(3)由自然状态开始压缩，压缩量为△X1+1mm；然后旋转螺母(6)，使第二弹簧(5)由自然状态开始压缩，并使其压缩量为1mm。
步骤七、将夹持试样N1的装置在-40℃~300℃的温度场中保温t分钟，保温时间t小于或等于试样N1完全退火所需的时间，得到退火后试样N1。
步骤八、用维氏显微硬度计测量退火后试样N1的硬度，退火后试样N1的硬度记为H31。
步骤九、用维氏硬度法计算退火后试样N1再结晶软化比XS1
XS1= (2)
式(2)中：XS1为退火后试样N1的再结晶软化比；
H1为原始金属带材的维氏硬度，MPa；
H2为轧制后金属带材的维氏硬度，MPa；
H31为退火后试样N1的维氏硬度，MPa。
根据式(2)，得到退火后试样N1的再结晶软化比XS1。
步骤十、同理，按照步骤四~步骤九所述方法，试样N2、N3、……和Nn在对应的设定张力F2、F3、……和Fn作用下，再结晶软化比依次为XS2、XS3、……和XSn。
步骤十一、根据再结晶软化比XS1、XS2、……和XSn，分析张力F1、F2、……和Fn对对应试样N1、N2、……和Nn回复再结晶的影响。
所述第一弹簧(3)和第二弹簧(5)相同。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
1.本发明装置结构简单，易于组装，成本低，可广泛运用于条带形状的金属试样或将两端加工成条带形状的金属试样施加张力的试验。
2.本发明采用的第一弹簧(3)和第二弹簧(5)为两根相同的弹簧，利用其压缩量之差给金属试样施加张力，消除了弹簧由于热胀冷缩对其所施加张力大小变化的影响，使该装置对金属试样的实际施加的张力等于对金属试样的设定张力F。
3.本发明设定的张力易于通过调节螺母(6)实现，操作方便。
因此，本发明结构简单，成本低和操作方便，适用于对条带形状或将两端加工成条带形状的金属试样施加张力的实验，对金属试样的设定张力F与本发明对金属试样的实际施加张力相等。
附图说明
图1是本发明的一种结构示意图；
图2是图1的左视示意图；
图3是本发明的使用示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制。
实施例1
一种用于带材退火实验的施力装置。所述装置包括：左夹持器(1)、连接杆(2)、第一弹簧(3)、右夹持器(4)、第二弹簧(5)和螺母(6)。
如图1所示，连接杆(2)的左端与左夹持器(1)螺纹连接，连接杆(2)的右端活动地穿过右夹持器(4)，连接杆(2)的右肩与右夹持器(4)间装有第一弹簧(3)，连接杆(2)的右端端部装有螺母(6)，螺母(6)与右夹持器(4)间装有第二弹簧(5)。
如图2所示，所述左夹持器(1)由两个夹紧块通过螺栓连接而成，两个夹紧块均为条形块。一个条形块的加紧面中间位置处设有凸台，另一个条形块的加紧面中间位置处设有与凸台相匹配的凹槽，所述凸台的凸起面与所述凹槽的凹下面相吻合，凸台的中心处设有螺孔，螺孔中心线的所在平面与凸台两侧的平面为同一平面；两侧的平面对称地设有1个通孔。
如图2所示，所述凸台为梯形凸台、半圆形凸台和矩形凸台中的一种，所述凹槽为与梯形凸台、半圆形凸台和矩形凸台相匹配的梯形凹槽、半圆形凹槽和矩形凹槽。
如图1所示，所述右夹持器(4)除螺孔为通孔外，其余与左夹持器(1)相同。
如图1所示，所述连接杆(3)呈阶梯连接杆状，中间粗两端细，两端分别设有螺纹。
所述第一弹簧(3)和第二弹簧(5)相同。
本实施例所述用于带材退火实验的施力装置的使用方法：
步骤一、取长度15cm和宽度12cm的Pb-0.06Ca-0.5Sn-0.02Al合金带材，用维氏显微硬度计测量所述Pb-0.06Ca-0.5Sn-0.02Al合金带材的硬度，所测量的Pb-0.06Ca-0.5Sn-0.02Al合金带材的硬度H1=8.6MPa。
步骤二、将所述Pb-0.06Ca-0.5Sn-0.02Al合金带材进行轧制，用维氏显微硬度计测量轧制后的Pb-0.06Ca-0.5Sn-0.02Al合金带材的硬度，轧制后的Pb-0.06Ca-0.5Sn-0.02Al合金带材的硬度H2=13.0MPa。
步骤三、将轧制后的Pb-0.06Ca-0.5Sn-0.02Al合金带材剪切为相同的5个试样，5个试样依次编号为N1、N2、N3、N4和N5，对应地，试样N1、N2、N3、N4和N5的设定张力依次为F1、F2、F3、F4和F5。
步骤四、如图3所示，将试样N1固定在左夹持器(1)和右夹持器(4)上。
步骤五、根据试样N1的设定张力F1，计算出第一弹簧(3)和第二弹簧(5)的压缩量之差△X1
△X1=2F1/K………………………………(1)
式(1)中：△X1为第一弹簧(3)和第二弹簧(5)的压缩量之差，mm；
F1为试样N1的设定张力，N；
K为第一弹簧(3)和第二弹簧(5)的倔强系数N/mm。
本实施例中：F1=13.29N，K=6.645N/mm；则△X1=2mm。
步骤六、如图3所示，旋转连接杆(2)，使第一弹簧(3)由自然状态开始压缩，压缩量为△X1+1mm=3mm；然后旋转螺母(6)，使第二弹簧(5)由自然状态开始压缩，并使其压缩量为1mm。
步骤七、将夹持试样N1的所述施力装置在270℃的温度场中保温6分钟，得到退火后试样N1。
步骤八：用维氏显微硬度计测量退火后试样N1的硬度，退火后试样N1的硬度记为H31=10.1MPa。
步骤九、用维氏硬度法计算退火后试样N1再结晶软化比XS1
XS1=………………………………(2)
式(2)中：XS1为退火后试样N1的再结晶软化比；
H1为Pb-0.06Ca-0.5Sn-0.02Al合金带材的维氏硬度，MPa；
H2为轧制后Pb-0.06Ca-0.5Sn-0.02Al合金带材的维氏硬度，MPa；
H31为退火后试样N1的维氏硬度，MPa。
将H1=8.6MPa、H2=13.0MPa和H31=10.1MPa代入式(2)，则XS1=0.670。
步骤十、同理，按照步骤四~步骤九所述方法，试样N2、N3、N4和N5在对应的设定张力F2=33.23N、F3=53.17N、F4=73.10N和F5=93.05作用下，再结晶软化比依次为XS2=0.545、XS3=0.500、XS4=0.432和XS5=0.409。
步骤十一、根据再结晶软化比XS1=0.670、XS2=0.545、XS3=0.500、XS4=0.432和XS5=0.409，分析张力F1=13.29N、F2=33.23N、F3=53.17N、F4=73.10N和F5=93.05对对应试样N1、N2、N3、N4和N5回复再结晶的影响：试样被施加的张力愈大时，试样再结晶软化XS比愈小，由此可以说明张力对再结晶行为有阻碍作用，因此对于低屈服强度的合金而言，外加张力对合金回复再结晶的影响不可忽略。
实施例2
一种用于带材退火实验的施力装置。所述装置除下述形状外，其余同实施例1：
所述两侧的平面对称地设有2个通孔；
所述凸台为半圆形凸台，所述凹槽为与半圆形凸台相匹配的半圆形凹槽；或所述凸台为矩形凸台，所述凹槽为与矩形凸台相匹配的矩形凹槽。
本实施例所述用于带材退火实验的施力装置的使用方法：
步骤一、取长度27cm和宽度12cm的Zn-1.0Cu-0.2Ti合金带材，用维氏显微硬度计测量所述Zn-1.0Cu-0.2Ti合金带材的硬度，Zn-1.0Cu-0.2Ti合金带材的硬度H1=61.3MPa。
步骤二、将所述Zn-1.0Cu-0.2Ti合金带材进行轧制，用维氏显微硬度计测量轧制后Zn-1.0Cu-0.2Ti合金带材的硬度，轧制后Zn-1.0Cu-0.2Ti合金带材的硬度H2=77.8MPa。
步骤三、将轧制后Zn-1.0Cu-0.2Ti合金带材剪切为相同的9个试样，9个试样依次编号为N1、N2、……和N9，对应地，试样N1、N2、……和N9的设定张力依次为F1、F2、……和F9。
步骤四、如图3所示，将试样N1固定在左夹持器(1)和右夹持器(4)上。
步骤五：根据试样N1的设定张力F1，计算出第一弹簧(3)和第二弹簧(5)的压缩量之差△X1
△X1=2F1/K………………………………(1)
式(1)中：△X1为第一弹簧(3)和第二弹簧(5)的压缩量之差，mm；
F1为试样N1的设定张力，N；
K为第一弹簧(3)和第二弹簧(5)的倔强系数N/mm。
本实施例中：F1=13.29N，K=6.645N/mm；则△X1=2mm。
步骤六、如图3所示，旋转连接杆(2)，使第一弹簧(3)由自然状态开始压缩，压缩量为△X1+1mm=3mm；然后旋转螺母(6)，使第二弹簧(5)由自然状态开始压缩，并使其压缩量为1mm。
步骤七、将夹持试样N1的装置在230℃的温度场中保温30分钟，得到退火后试样N1。
步骤八、用维氏显微硬度计测量退火后试样N1的硬度，退火后试样N1的硬度记为H31=68.0MPa。
步骤九、用维氏硬度法计算再结晶软化比XS1
XS1=………………………………(2)
式(2)中：XS1为退火后试样N1的再结晶软化比；
H1为Zn-1.0Cu-0.2Ti合金带材的维氏硬度，MPa；
H2为轧制后Zn-1.0Cu-0.2Ti合金带材轧制后的维氏硬度，MPa；
H31为退火后试样N1的维氏硬度，MPa。
将H1=61.3MPa、H2=77.8MPa和H31=68.0MPa代入式(2)，则XS1=0.593。
步骤十、同理，按照步骤四~步骤九所述方法，试样N2、N3、N4、N5、N6、N7、N8和N9在对应的设定张力F2=26.59N、F3=39.88N、F4=53.17N、F5=66.47N、F6=79.77N、F7=93.05N、F8=106.36N和F9=119.64N作用下，再结晶软化比依次为XS2=0.570、XS3=0.527、XS4=0.467、XS5=0.418、XS6=0.382、XS7=0.364、XS8=0.358和XS9=0.345。
步骤十一、根据再结晶软化比XS1=0.593、XS2=0.570、XS3=0.527、XS4=0.467、XS5=0.418、XS6=0.382、XS7=0.364、XS8=0.358和XS9=0.345，分析张力F1=13.29N、F2=26.59N、F3=39.88N、F4=53.17N、F5=66.47N、F6=79.77N、F7=93.05N、F8=106.36N和F9=119.64N对对应试样N1、N2、N3、N4、N5、N6、N7、N8和N9回复再结晶的影响：试样被施加的张力愈大时，试样再结晶软化比XS愈小，由此可以说明张力对再结晶行为有阻碍作用，因此对于低屈服强度的合金而言，外加张力对合金回复再结晶的影响不可忽略。
本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：
1.本具体实施方式装置结构简单，易于组装，成本低，可广泛运用于条带形状的金属试样或将两端加工成条带形状的金属试样施加张力的试验。
2.本具体实施方式采用的第一弹簧(3)和第二弹簧(5)为两根相同的弹簧，利用其压缩量之差给金属试样施加张力，消除了弹簧由于热胀冷缩对其所施加张力大小变化的影响，使该装置对金属试样的实际施加张力等于对金属试样的设定张力F。
3.本具体实施方式设定的张力易于通过调节螺母(6)实现，操作方便。
因此，本具体实施方式结构简单，成本低和操作方便，适用于对条带形状或将两端加工成条带形状的金属试样施加张力的实验，对金属试样的设定张力F与本具体实施方式对金属试样的实际施加张力相等。

Claims (2)

1.一种用于带材退火实验的施力装置，其特征在于所述装置包括：左夹持器(1)、连接杆(2)、第一弹簧(3)、右夹持器(4)、第二弹簧(5)和螺母(6)；
连接杆(2)的左端与左夹持器(1)螺纹连接，连接杆(2)的右端活动地穿过右夹持器(4)，连接杆(2)的右肩与右夹持器(4)间装有第一弹簧(3)，连接杆(2)的右端端部装有螺母(6)，螺母(6)与右夹持器(4)间装有第二弹簧(5)；
所述左夹持器(1)由两个夹紧块通过螺栓连接而成，两个夹紧块均为条形块；一个条形块的加紧面中间位置处设有凸台，另一个条形块的加紧面中间位置处设有与凸台相匹配的凹槽，所述凸台的凸起面与所述凹槽的凹下面相吻合，凸台的中心处设有螺孔，螺孔中心线的所在平面与凸台两侧的平面为同一平面；两侧的平面对称地设有1～2个通孔；
所述凸台为梯形凸台、半圆形凸台和矩形凸台中的一种，所述凹槽为与梯形凸台、半圆形凸台和矩形凸台相匹配的梯形凹槽、半圆形凹槽和矩形凹槽；
所述右夹持器(4)除螺孔为通孔外，其余与左夹持器(1)相同；
所述连接杆(2)呈阶梯连接杆状，中间粗两端细，两端分别设有螺纹；
所述用于带材退火实验的施力装置的使用方法是：
步骤一、取长度为15～27cm和宽度为12cm的原始金属带材，用维氏显微硬度计测量所述原始金属带材的硬度，原始金属带材的硬度记为H1；
步骤二、将所述原始金属带材进行轧制，用维氏显微硬度计测量轧制后金属带材的硬度，轧制后金属带材的硬度记为H2；
步骤三、将轧制后金属带材剪切为相同的n个试样，n个试样依次编号为N1、N2、……和Nn，对应地，试样N1、N2、……和Nn的设定张力依次为F1、F2、……和Fn；n为5～9的自然数；
步骤四、将试样N1固定在左夹持器(1)和右夹持器(4)上；
步骤五、根据试样N1的设定张力F1，计算出第一弹簧(3)和第二弹簧(5)的压缩量之差△X1
△X1＝F1/K………………………………(1)
式(1)中：△X1为第一弹簧(3)和第二弹簧(5)的压缩量之差，mm，
F1为试样N1的设定张力，N，
K为第一弹簧(3)和第二弹簧(5)的倔强系数N/mm；
步骤六、旋转连接杆(2)，使第一弹簧(3)由自然状态开始压缩，压缩量为△X1+1mm；然后旋转螺母(6)，使第二弹簧(5)由自然状态开始压缩，并使其压缩量为1mm；
步骤七、将夹持试样N1的装置在-40℃～300℃的温度场中保温t分钟，保温时间t小于或等于试样N1完全退火所需的时间，得到退火后试样N1；
步骤八、用维氏显微硬度计测量退火后试样N1的硬度，退火后试样N1的硬度记为H31；
步骤九、用维氏硬度法计算退火后试样N1再结晶软化比XS1
式(2)中：XS1为退火后试样N1的再结晶软化比，
H1为原始金属带材的维氏硬度，MPa，
H2为轧制后金属带材的维氏硬度，MPa，
H31为退火后试样N1的维氏硬度，MPa；
根据式(2)，得到退火后试样N1的再结晶软化比XS1；
步骤十、同理，按照步骤四～步骤九所述方法，试样N2、N3、……和Nn在对应的设定张力F2、F3、……和Fn作用下，再结晶软化比依次为XS2、XS3、……和XSn；
步骤十一、根据再结晶软化比XS1、XS2、……和XSn，分析张力F1、F2、……和Fn对对应试样N1、N2、……和Nn回复再结晶的影响。
2.根据权利要求1所述的用于带材退火实验的施力装置，其特征在于所述第一弹簧(3)和第二弹簧(5)相同。
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