CN108489891A - 一种微型轧制变形模拟同步辐射试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属材料变形模拟技术领域，提供了一种微型轧制变形模拟同步辐射试验装置，结合X射线成像、衍射、小角散射等技术在线研究加载过程中材料内部的相变，晶粒取向及显微组织形貌；该装置将实际工业生产中的轧制、锻造等变形过程的共通点进行凝炼，在此基础上结合X射线测试原理，设计了能够配合同步辐射使用的模块化微型力学加载机；为保证材料高温性能测试过程中的X射线透射要求，装置加载系统中采用透光元件对样品进行加载；并将气体保护装置、微型加热元件、隔热保温装置引入试验装置，在模拟工业轧制条件的同时防止样品在高温加载条件下氧化；可很好地在同步辐射试验条件下模拟材料的轧制、锻造变形，完成相关科学问题研究。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料变形模拟技术领域，具体涉及一种微型轧制变形模拟同步辐射试验装置。
背景技术
金属材料力学行为的研究是提高先进结构材料服役性能的基础。一般说来，材料宏观和介观力学行为由材料的化学成分、晶体结构和微观组织（晶粒尺寸、晶粒取向、相构成、相分布、微应力等）决定，通过调节加工工艺来控制晶体结构和组织来实现材料性能优化。深入研究金属加工形变过程中组织结构演变规律一直是材料领域研究的重中之重。
由于传统实验手段的限制，轧制过程中发生的金属材料流动及微观组织变化主要通过轧后材料的截面分析研究材料的相变及微观组织变化过程，这些结果只能近似得到材料轧制大变形过程中的信息，而且对过程中的材料内部应力与材料的形变及微观组织变化过程均为“黑匣子”。同步辐射光源具有高准直性，高亮度等优良特点，利用先进同步辐射光源在加工过程以及在接近使用条件下对金属材料的微观/宏观组织结构演变已成为深入研究金属材料组织结构演变和最终性能之间关系的必由之路。
针对工业上应用最为广泛的轧制变形，理想的状态是搭建一台与真实加工工况完全相符的加工模拟装置。然而，受样品尺寸，测试原理以及线站实际空间的限制。
发明内容
本发明的目的就是克服现有技术的不足，提供了一种微型轧制变形模拟同步辐射试验装置，该装置立足于我国同步辐射光源，用于模拟轧制、锻造等塑性成型过程中材料的形变行为；结合X射线成像、衍射、小角散射等技术在线研究加载过程中材料组织结构演变。
本发明的技术方案如下：
一种微型轧制变形模拟同步辐射试验装置，包括力学加载机和加载单元：
所述力学加载机包括加载机壳体、紧固螺纹、卡槽、加压旋钮、蜗轮蜗杆、齿轮、加压螺纹、通光孔；所述力学加载机通过所述紧固螺纹、卡槽与所述加载单元紧固连接；所述加压旋钮与所述蜗轮蜗杆连接，所述蜗轮蜗杆、齿轮、加压螺纹依次配合传动；所述加压螺纹内部为空芯设计，设置有供X光穿过的所述通光孔；
所述加载单元包括主体框架、加压螺纹、压力传感器、ZrO2陶瓷、WC基座、压头，Mo加热丝，来自力学加载机的动力依次通过所述加压螺纹、压力传感器、ZrO2陶瓷、WC基座到达所述压头，所述Mo加热丝缠绕在所述WC基座表面。
进一步的，所述加载单元为中低温加载单元，采用金刚石压头。
进一步的，所述加载单元为高温加载单元，采用蓝宝石压头；所述高温加载单元还包括水冷外壳和通气孔，所述水冷外壳包裹在所述主体框架之外；保护气通过所述通气孔进入所述高温加载单元。
进一步的，所述通气孔与气体保护装置相连，所述气体保护装置包括气体保护外壳、气体钢瓶、气体流量控制阀和流量计。
进一步的，保护气的气压略高于大气压，通过气体置换保证样品不被氧化，气体保护装置外壳两侧开有对称的通光窗口，每个通光窗口水平开口角度为150°，通光窗口用透X光材料密封。
进一步的，所述Mo加热丝直接缠绕在WC基座表面，外面使用陶瓷胶绝热。
进一步的，所述主体框架采用钢材或高强度铝合金制造，设计重量小于30Kg。
进一步的，所述加载机的加压旋钮由外接电机带动。
进一步的，所述实验装置能模拟轧制的真实服役环境，适用于室温至最高1200°环境下材料变形过程中组织演变同步辐射观察测试。
本发明的有益效果为：该装置将实际工业生产中的轧制、锻造等变形过程的共通点进行凝炼，在此基础上结合X射线测试原理，设计了能够配合同步辐射使用的模块化微型力学加载机；为保证材料高温性能测试过程中的X射线透射要求，装置加载系统中采用透光元件对样品进行加载；并将气体保护装置、微型加热元件、隔热保温装置引入此微型变形模拟装置，在模拟工业轧制条件的同时防止样品在高温加载条件下氧化；适用于室温至最高1200°环境下材料变形过程中组织演变同步辐射观察测试。
附图说明
图1所示为本发明实施例一种微型轧制变形模拟同步辐射试验装置总装示意图。
图2所示为力学加载机外观形貌（a）与内部结构（b）示意图。
图3（a）-（b）所示为中低温加载单元结构示意图。
图4（a）-（b）所示为高温加载单元结构示意图。
图5（a）-（b）所示为压头设计示意图。
其中：1-力学加载机、2-加载单元、3-加载机壳体、4-紧固螺纹、5-卡槽、6-加压旋钮、7-蜗轮蜗杆、8-齿轮、9-加压螺纹、10-通光孔、11-主体框架、12-压力传感器、13- ZrO2陶瓷、14-WC基座、15-金刚石压头、16-Mo加热丝、17-蓝宝石压头、18-水冷外壳、19-通气孔。
具体实施方式
下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。
如图1所示，本发明实施例一种微型轧制变形模拟同步辐射试验装置，包括力学加载机1和加载单元2；本实施例中，该装置的外形尺寸为182mm(L)×124mm(W)×199.8(H)，采用钢材或高强度铝合金制造，设计重量小于30Kg，需要说明的是，尺寸和重量可以根据需要调整。
如图2（a）-（b）所示，所述力学加载机1包括加载机壳体3、紧固螺纹4、卡槽5、加压旋钮6、蜗轮蜗杆7、齿轮8、加压螺纹9、通光孔10；所述力学加载机1通过所述紧固螺纹4、卡槽5与所述加载单元2紧固连接；所述加载机1的加压旋钮6由外接电机带动，所述加压旋钮6与所述蜗轮蜗杆7连接，所述蜗轮蜗杆7、齿轮8、加压螺纹9依次配合传动；所述加压螺纹9内部为空芯设计，设置有供X光穿过的所述通光孔10；在本实施例中，转动加压旋钮6带动蜗轮蜗杆7，蜗轮蜗杆7转动比为1:25，齿轮8转动比为1：4，因此，加压旋钮6转动一圈，加压螺纹旋钮转动0.01圈；加压旋钮6使用电机控制，至少可以实现5度的旋转精度，加压螺纹旋钮的螺距1mm，配合电机的转动精度，可以向上实现2um左右的进度运动。
所述加载单元2包括主体框架11（圆柱形框架）、加压螺纹9、压力传感器12、ZrO2陶瓷13、WC基座14、压头15、17，Mo加热丝16，来自力学加载机1的动力依次通过所述加压螺纹9、压力传感器12、ZrO2陶瓷13、WC基座14到达所述压头15、17，再传递给位于两个压头15、17之间的样品；所述Mo加热丝16缠绕在所述WC基座14表面，外面使用陶瓷胶绝热，陶瓷胶还用于粘结加热丝。
使用温度范围为RT-600℃时，采用中低温加载单元，如图3（a）-（b）所示，当所述加载单元2为中低温加载单元时，采用金刚石压头。ZrO2陶瓷13同时也起到与主体框架11绝热的作用，这种加热方式加热直接、热效率高，电压小于30V，电流小于15A，功率小于500W。
使用温度高于600°且小于1200°时，采用高温加载单元，，如图4（a）-（b）所示；当所述加载单元2为高温加载单元时，采用蓝宝石压头替代金刚石压头；所述高温加载单元还包括水冷外壳18和通气孔19，所述水冷外壳18包裹在所述主体框架11之外，拆卸方便；小型水冷循环系统通过水冷连接管道连接水冷外壳18，保障试验过程中机架外表面温度不高于80℃；为防止氧化，高温试验条件下配有气体保护装置，所述气体保护装置包括气体保护外壳、气体钢瓶、气体流量控制阀和流量计，所述通气孔19与气体保护装置相连，保护气通过所述通气孔19进入所述高温加载单元。保护气的气压略高于大气压，通过气体置换保证样品不被氧化，气体保护装置外壳两侧开有对称的通光窗口，每个通光窗口水平开口角度为150°，通光窗口用透X光材料密封。
本发明实施例中，压头设计主要为两种，如图5所示，图5（a）为金刚石压头15外形设计，材料直径不仅可以小于压头直径，也可以略大于压头直径。蓝宝石压头17可以做成如图5（b）的模式，满足模拟材料流变需要，近似模拟轧制过程材料流变。
在一个具体实施例中，制备直径为1mm，高1mm的形变诱导合金Ti-33Nb-4Sn合金，对样品进行加压，可以在不同的变形量下测量该合金的相成分变化，进而研究压下量（真实应变量）与相转变之间的关系。同时，也可以在不同温度条件下，研究变形量与相成份、晶格常数变化之间的关系。
本发明实验装置能模拟轧制的真实服役环境，适用于室温至最高1200°环境下材料变形过程中组织演变同步辐射观察测试。
该装置立足于我国同步辐射光源，用于模拟轧制、锻造等塑性成型过程中材料的形变行为；结合X射线成像、衍射、小角散射等技术在线研究加载过程中材料内部的相变，晶粒取向及显微组织形貌。该装置特点在于将实际工业生产中的轧制、锻造等变形过程的共通点进行凝炼，在此基础上结合X射线测试原理，设计了能够配合同步辐射使用的模块化微型力学主机；为保证材料高温性能测试过程中的X射线透射要求，装置加载系统中采用透光元件对样品进行加载；并将气体保护装置、微型加热元件、隔热保温装置引入此微型变形模拟装置，在模拟工业轧制条件的同时防止样品在高温加载条件下氧化。具有独特结构设计的先进微型轧制变形模拟同步辐射试验装置可很好的在同步辐射试验条件下模拟材料的轧制、锻造变形，完成相关科学问题研究。
本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。
Claims (9)
1.一种微型轧制变形模拟同步辐射试验装置，其特征在于，包括力学加载机和加载单元：
所述力学加载机包括加载机壳体、紧固螺纹、卡槽、加压旋钮、蜗轮蜗杆、齿轮、加压螺纹、通光孔；所述力学加载机通过所述紧固螺纹、卡槽与所述加载单元紧固连接；所述加压旋钮与所述蜗轮蜗杆连接，所述蜗轮蜗杆、齿轮、加压螺纹依次配合传动；所述加压螺纹内部为空芯设计，设置有供X光穿过的所述通光孔；
所述加载单元包括主体框架、加压螺纹、压力传感器、ZrO2陶瓷、WC基座、压头，Mo加热丝，来自力学加载机的动力依次通过所述加压螺纹、压力传感器、ZrO2陶瓷、WC基座到达所述压头，所述Mo加热丝缠绕在所述WC基座表面。
2.如权利要求1所述的微型轧制变形模拟同步辐射试验装置，其特征在于，所述加载单元为中低温加载单元，采用金刚石压头。
3.如权利要求1所述的微型轧制变形模拟同步辐射试验装置，其特征在于，所述加载单元为高温加载单元，采用蓝宝石压头；所述高温加载单元还包括水冷外壳和通气孔，所述水冷外壳包裹在所述主体框架之外；保护气通过所述通气孔进入所述高温加载单元。
4.如权利要求3所述的微型轧制变形模拟同步辐射试验装置，其特征在于，所述通气孔与气体保护装置相连，所述气体保护装置包括气体保护外壳、气体钢瓶、气体流量控制阀和流量计。
5.如权利要求4所述的微型轧制变形模拟同步辐射试验装置，其特征在于，保护气的气压略高于大气压，通过气体置换保证样品不被氧化，气体保护装置外壳两侧开有对称的通光窗口，每个通光窗口水平开口角度为150°，通光窗口用透X光材料密封。
6.如权利要求1所述的微型轧制变形模拟同步辐射试验装置，其特征在于，所述Mo加热丝直接缠绕在WC基座表面，外面使用陶瓷胶绝热。
7.如权利要求1所述的微型轧制变形模拟同步辐射试验装置，其特征在于，所述主体框架采用钢材或高强度铝合金制造，设计重量小于30Kg。
8.如权利要求1所述的微型轧制变形模拟同步辐射试验装置，其特征在于，所述加载机的加压旋钮由外接电机带动。
9.如权利要求1-8任一项所述的微型轧制变形模拟同步辐射试验装置，其特征在于，所述实验装置能模拟轧制的真实服役环境，适用于室温至最高1200°环境下材料变形过程中组织演变同步辐射观察测试。
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| A. JAYARAMAN 等: "Diamond Anvil High Pressure Cell", 《VAN NOSTRANDÍS ENCYCLOPEDIA OF CHEMISTRY》, 30 May 1983 (1983-05-30), pages 1 - 10 * |
| 孙樯, 郑海飞: "金刚石压腔(DAC)实验技术", 地学前缘, no. 01, 30 March 2005 (2005-03-30), pages 131 - 136 * |
| 李晓东 等: "同步辐射高压单晶衍射试验技术", 《物理学报》, vol. 66, no. 3, pages 1 - 13 * |
| 韩德伟著: "《金属的硬度及其试验方法》", 30 October 1983, 湖南科学技术出版社, pages: 126 - 127 * |
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Legal Events
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