CN107782608B - 一种材料孔挤压实验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种材料孔挤压实验方法。这种材料孔挤压实验方法涉及对材料内孔表面进行挤压形变处理以改善内孔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，本发明设计了一种材料实验方法，得到了直观和形象的塑性区范围和形态信息。这一方法就是用两块半圆形试样拼合在一起模仿一块整体试样，实验时使两块半圆形试样以足够大的力紧紧抵在一起，然后在两块半圆形试样的抵合缝隙处加工出一个圆形通孔，利用一个挤孔销对圆形通孔内壁进行孔挤压形变处理并造成挤压痕，撤掉抵紧力分开试样，在原抵紧面上就能够观察到弹起的塑性区。

Description

一种材料孔挤压实验方法
技术领域
本发明涉及一种材料孔挤压实验方法。这种材料孔挤压实验方法涉及对材料内孔表面进行挤压形变处理以改善内孔表层应力分布的研究。
技术背景
对材料内孔表面进行形变处理的技术早已经被广泛应用，实践中取得了良好的效果，例如：对飞机结构件内孔的挤压处理，显著地提高了飞机结构件的疲劳强度。
孔挤压方法其原理是通过使材料内孔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。
孔挤压处理、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，其中就包括孔挤压加工时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钻孔并进行孔挤压加工，随后在孔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常用方法是：利用有限元软件ANSYS建立材料孔挤压强化残余应力场的三维有限元模型，分别模拟分析不同孔径、过盈量、厚度和孔边距比下构件孔挤压强化的三维残余应力场分布。
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。
高玉魁等在《300M超高强度钢孔挤压强化残余应力场的三维模拟分析》一文中，利用ANSYS有限元软件模拟计算了300M超高强度钢构件的孔挤压强化残余应力，建立了材料不同厚度构件的孔挤压残余应力场三维有限元模型，分析研究了构件厚度对残余应力场的影响，确定了最大残余压应力出现的位置，比较了孔挤压入口、中部和出口处残余应力场的变化情况。
刘晓龙等在《孔挤压强化残余应力场的三维有限元模拟和实验研究》一文中，运用有限元软件ANSYS建立了孔挤压强化残余应力场的三维有限元模型，模拟计算了不同厚度7050-T7451铝合金构件孔挤压强化的三维残余应力场分布。
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孔挤压实验方法，并进行了大量的实验，得到了直观和形象的塑性区范围和形态信息。
这一方法就是用两块半圆形试样拼合在一起模仿一块整体试样，实验时使两块半圆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块半圆形试样抵合缝隙不会出现瞬时张开或错动的情况，然后，在两块半圆形试样的抵合缝隙处加工出一个圆形通孔，随后，利用一个挤孔销对圆形通孔内壁进行孔挤压形变处理并造成挤压痕，最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：
首先把待测试样材料加工成两块，每一块上有一个面进行平面精磨加工，以达到尽可能高的平面度和光洁度。
其次，在每块试样上分别加工出两个定位销孔、一个螺纹孔和一个阶梯孔，确保两块试样的两个光洁平面平整并相对配合。
用两个定位销、两个螺钉将两块试样连接成为一个两块试样结合体。
在车床上经一次装卡将两块试样结合体加出外圆柱面、内圆柱孔和两个端面，并确保圆柱中心线位于两块试样结合面上。
将加工完成的两块试样结合体置于开口楔形套内，利用收紧套、压紧套上相互配合的螺纹，旋紧压紧套，从而使楔形套楔入收紧套和两块试样结合体之间，使系统牢固结合为一个整体。
从压紧套的中心孔导入挤孔销，并持续压下挤孔销，挤孔销上的挤孔凸棱从两块试样结合体的中心孔挤过，对两块试样结合体中心孔带来挤压塑性变形。
打开两块试样结合体，每块试样上的挤压塑性变形区因外力撤销而弹起，弹起区包含的信息提供了材料孔挤压形变塑性区研究的新途径。
附图说明
附图1为一种材料孔挤压实验方法的实施过程示意图：1为施加于挤孔销上的压力；2为挤孔销；3为压紧套；4为收紧套；5为开口楔形套；6为右样块；7为左样块；8为右样块和左样块中间的内圆柱孔；9为支撑右样块和左样块结合体的支撑力；12为右样块和左样块结合体的抵合缝；14为挤孔销上的挤孔凸棱；d为右样块和左样块中间的内圆柱孔的直径；D为挤孔销上的挤孔凸棱的直径。
附图2为右样块和左样块结合体示意图：10为右样块和左样块结合体上呈对角线布置的两个螺钉；11为右样块和左样块结合体上呈对角线布置的两个定位销。
附图3为打开两块试样结合体，每块试样上的挤压塑性变形区因外力撤销而弹起的示意图：椭圆圈内13为打开两块试样结合体后弹起的塑性区。
实施方式
用两个螺钉10和两个定位销11把右样块6和左样块7安装组合成两块试样结合体。
两块试样结合体置于开口楔形套5内，利用收紧套4与压紧套3上相互配合的螺纹，旋紧压紧套3，从而使开口楔形套5楔入收紧套4和两块试样结合体之间，使系统牢固结合为一个整体。
在支撑右样块6和左样块7的结合体的支撑力9与施加于挤孔销2上的压力1的作用下，挤孔销2穿入右样块6和左样块7中间的内圆柱孔8，由于挤孔销2上的挤孔凸棱14直径D大于右样块6和左样块7中间的内圆柱孔8的直径d，挤孔销2上的挤孔凸棱14通过右样块6和左样块7中间的内圆柱孔8的过程中，导致右样块6和左样块7中间的内圆柱孔8内壁一定范围内顺序地发生了塑性变形，由于发生的为挤压塑性变形，右样块6和左样块7结合体的抵合缝12在实验过程中不会张开和错动。
随后，打开右样块6和左样块7结合体，每块试样上的挤压塑性变形区因外力撤销而弹起，得到弹起的塑性区13。
利用激光共聚焦显微分析等手段对弹起的塑性区痕迹13进行测量、分析，就能够得到塑性区范围、面积和弹起高度等信息，依据这些信息能够分析孔挤压形变对材料内部应力场变化的影响。

Claims (3)

1.一种材料孔挤压实验方法，其特征是：用两块半圆形试样拼合在一起模仿一块整体试样，实验时使两块半圆形试样以保证实验过程中两块半圆形试样抵合缝隙不会出现瞬时张开或错动的抵紧力紧紧抵在一起，然后，在两块半圆形试样的抵合缝隙处加工出一个圆形通孔，随后，利用一个挤孔销对圆形通孔内壁进行孔挤压形变处理并造成挤压痕，最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，在支撑右样块（6）和左样块（7）的结合体的支撑力（9）与施加于挤孔销（2）上的压力（1）的作用下，挤孔销（2）穿入右样块（6）和左样块（7）中间的内圆柱孔（8），由于挤孔销（2）上的挤孔凸棱（14）直径（D）大于右样块（6）和左样块（7）中间的内圆柱孔（8）的直径（d），挤孔销（2）上的挤孔凸棱（14）通过右样块（6）和左样块（7）中间的内圆柱孔（8）的过程中，导致右样块（6）和左样块（7）中间的内圆柱孔（8）内壁一定范围内顺序地发生了塑性变形，随后，打开右样块（6）和左样块（7）结合体，每块试样上的挤压塑性变形区因外力撤销而弹起，得到弹起的塑性区（13）。
2.按权利要求1所述的一种材料孔挤压实验方法，其特征是：利用激光共聚焦显微分析手段对弹起的塑性区痕迹（13）进行测量、分析，能够得到塑性区范围、面积和弹起高度信息，依据这些信息能够分析孔挤压形变对材料内部应力场变化的影响。
3.按权利要求1所述的一种材料孔挤压实验方法，其特征是：用两个螺钉（10）和两个定位销（11）把右样块（6）和左样块（7）安装组合成两块试样结合体，两块试样结合体置于开口楔形套（5）内，利用收紧套（4）与压紧套（3）上相互配合的螺纹，旋紧压紧套（3），从而使开口楔形套（5）楔入收紧套（4）和两块试样结合体之间，使系统牢固结合为一个整体，保证了右样块（6）和左样块（7）结合体的抵合缝（12）在实验过程中不会张开和错动。
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