CN107727566B - 一种材料滚压实验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种材料滚压实验方法，这种材料滚压实验方法涉及对材料表面进行形变处理以改善材料表层应力分布的研究，为了解决已有的利用有限元分析方法分析塑性区的间接性问题，本发明用两条长方形试样拼合在一起模仿一块整体试样，实验时使两条长方形试样以足够大的力紧紧抵在一起，这个抵紧力保证实验过程中两条试样抵合缝隙不会出现任何的瞬时张开或错动的情况，然后，对两条试样的组合体进行滚压形变处理并造成环形压痕，随后撤掉抵紧力分开试样，这时，在原抵紧面上就能够观察到弹起的塑性区。

Description

一种材料滚压实验方法
技术领域
本发明涉及一种材料滚压实验方法。这种材料滚压实验方法涉及对材料表面进行形变处理以改善材料表层应力分布的研究。
技术背景
对材料表面进行形变处理的技术早已经被广泛应用，形成了包括喷丸处理、滚压处理和锤击处理等几类，实践中取得了良好的效果。
已有的几种方法其原理都是通过使材料表面顺序地发生局部塑形形变，最后使材料表面产生了设计预期的预压应力层，从而大大提高了零件的静强度和疲劳强度。
US3661655A介绍了一种对弹性元件进行动态加载后，立即喷丸硬化被冷冻弹簧的至少一个表面，以使其表面产生残余压应力。
随着生产的发展，一方面要求材料的性能越来越高，另一方面又要求材料的成本越来越低，仅仅依靠新材料的研发显然难以满足这种相互矛盾的需求，对表面进行形变处理的技术能够在较少增加材料成本的前提下，显著提高材料性能，因而能够较好地解决这一矛盾。
喷丸处理、滚压处理和锤击处理等方法各有优势，又各有局限性，为了加深认识，对材料表面形变的微观机理的研究，显然极为迫切，其中就包括对外力作用下材料内部塑性形变区(以下简称塑性区)的研究。
一种设想是首先在整体试样上造成压痕或冲击痕，然后在压痕或冲击痕的中心附近垂直向下切开试样，然后，对切开面的塑性区进行观察研究，但由于垂直向下切开试样的过程中应力的持续释放，使得瞬时弹起的塑性区痕迹完全被切开加工抹除，切开后无法观察到塑性区的痕迹。
目前对塑性区的研究采用的方法是：在材料表面预先设定锤击点，与锤击点不同距离上粘贴数个应变传感器，利用锤击实验中应变传感器采集的数据结合有限元分析等手段，分析塑性区的范围和空间形状。
这一方法优点是数据提取过程塑性区的应力状态不受干扰。
缺点是所取得的应变数据为表面数据，而塑性区的变化发生在材料的内部，塑性区的情况只能通过有限元分析的方法间接取得，该方法需要设定一系列的边界条件，这些边界条件的设定依据往往并不充分，导致最终分析得到的塑性区并不完全符合真实情况，对实际科研和生产的指导意义有限。
于哲夫等在《冲击压痕测量残余应力的方法》一文中利用有限元分析法分析了塑性区的形貌。
陈军在《大深度比下金属结构材料力学性能球压评价方法》一文中利用球压法和有限元分析法分析了塑性区的形貌。
发明内容
为了解决已有的利用有限元分析方法分析塑性区的间接性问题，发明人设计了一种材料滚压实验方法，能够得到直观和形象的塑性区范围和形态信息。
这一方法就是用两条长方形试样拼合在一起模仿一块整体试样，实验时使两条长条试样以足够大的力紧紧抵在一起形成一个组合体，这个抵紧力保证实验过程中两条试样抵合缝隙不会出现张开或错动的情况，这个组合体外形呈回转体，利用压辊对回转状态的组合体进行滚压形变处理并造成压痕，随后撤掉抵紧力分开试样，这时，在原抵紧面上就能够观察到弹起的塑性区。具体做法如下：
首先把待测材料制成两个长条形试样，至少需要把每条试样的一个平面精磨加工，以达到尽可能高的平面度和光洁度。
其次，把两个试样的光洁平面相对并压紧，以螺钉和定位销联结成为一个组合体，并把组合体加工成一个回转体。
使组合体绕自身轴线回转，压辊按着预定的载荷加载，获得滚压形变压痕。
撤掉抵紧力并分开试样，在原抵紧面上出现因抵紧力撤除而弹起的塑性区，能够利用激光共聚焦显微镜等手段对塑性区开展研究，获得塑性区的形态、位置、范围等信息。
附图说明
附图1为一种材料滚压实验方法实施过程剖面示意图：1为压辊；2为左样条；3为右样条；4为试样组合体回转方向。
附图2为滚压后的试样组合体剖面示意图：5为定位销；6为螺钉。
附图3为沿轴向观察到的试样组合体打开后，滚压形变塑性区弹起状态剖面示意图：椭圆圈内7为弹起的塑性区。
附图4为沿径向观察到的试样组合体打开后，滚压形变塑性区弹起状态剖面示意图：椭圆圈内7为弹起的塑性区。
实施方式
把条形试样2和条形试样3平行排列，以定位销5定位，用螺钉6连接紧固，使条形试样2和条形试样3形成试样组合体，定位销5和螺钉6带来的定位和紧固作用保证了实验过程中条形试样2和条形试样3之间的接触面不发生张开和错动的情况，压辊1的轴线与试样组合体轴线平行并以设定的力压紧试样组合体，此时，试样组合体沿着旋转方向4转动，试样组合体上得到环形压痕。
旋出压紧螺栓5，打开试样组合体，条形试样2和条形试样3的一个侧面能够观察到抵紧力撤除后弹起的塑性区痕迹7。
利用激光共聚焦显微分析等手段对撤掉后弹起的塑性区痕迹7进行测量、分析，能够得到塑性区范围、面积和弹起高度等信息。

Claims (1)

1.一种材料滚压实验方法其特征是：用两条长方形试样拼合在一起模仿一块整体试样，实验时使两条长条试样以足够大的力紧紧抵在一起形成一个组合体，这个组合体外形呈回转体，利用压辊对回转状态的组合体进行滚压形变处理并造成压痕，随后撤掉抵紧力分开试样，这时，在原抵紧面上就能够观察到弹起的塑性区，把条形试样(2)和条形试样(3)平行排列，以定位销(5)定位，用螺钉(6)连接紧固，形成试样组合体，压辊(1)的轴线与试样组合体轴线平行并以设定的力压紧试样组合体，此时，试样组合体沿着旋转方向(4)转动，试样组合体上得到环形压痕，打开试样组合体，条形试样(2)和条形试样(3)的一个侧面能够观察到抵紧力撤除后弹起的塑性区痕迹(7)。
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