CN109142048B - 一种原位测试与观察金属玻璃塑性变形能力的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种原位测试与观察金属玻璃塑性变形能力的装置，包括：模具底座，其同轴具有第一模腔和第二模腔，并且所述第一模腔半径大于所述第二模腔；所述模具底座沿圆周对称设置有两个第一通孔；放置孔，其同轴设置在所述第一模腔和所述第二模腔的连接处，并且所述放置孔用于放置待测试样；下模，其中心具有第三模腔，并且所述下模的一端匹配在所述第一模腔内；两个导柱，其一端可滑动地匹配在所述通孔内，另一端贯穿所述下模，并且末端设置有压紧螺母；第一弹簧，其套设在所述导柱上，并且位于所述模具底座和所述下模之间；压杆，其一端具有合金球，并且可滑动地匹配在所述第三模腔内；上模，其一端同轴固定在所述压杆另一端。

Description

一种原位测试与观察金属玻璃塑性变形能力的装置
技术领域
本发明涉及一种塑性变形能力测试装置，尤其涉及一种原位测试与观察金属玻璃塑性变形能力的装置。
背景技术
自金属玻璃材料诞生以来，由于其显著的高强度和高硬度引起了人们的广泛关注，但其宏观塑性的缺失限制了金属玻璃的进一步应用。因此，金属玻璃塑性变形能力的研究对于其进一步应用极为重要。然而，受制于制备技术，金属玻璃难以被大批量生产，而且其尺寸也受到很大的限制，其塑性变形能力的研究也受到了限制。目前，研究其塑性变形能力的方法多数是采用单向压缩或单向拉伸。这两种方法只能使金属玻璃产生非常有限的剪切带，因而其塑性变形也非常有限。如在单向拉伸载荷下，金属玻璃一般沿主剪切带发生灾难性破坏，无法获得稳定扩展的剪切带。而单轴压缩载荷下金属玻璃的塑性变形稳定性高于单向拉伸载荷，可以获得一定数量的剪切带，但其对试样要求较为严格，需要保证上下端面的绝对平行，并需要与试验机的加载压头有良好的润滑，否则实验数据较为离散，重复性很差，可信度极低。而且金属玻璃材料的玻璃形成能力都较弱，一般很难满足单向拉伸或压缩所需要的试验尺寸。因此，开发一种既简单方便又节省试验材料的测试金属玻璃材料塑性变形能力的方法显得尤为重要和迫切。
在单向拉伸载荷下，金属玻璃产生剪切带的过程可以认为是一种集中性颈缩或失稳，它的失稳条件是最大拉伸伸长应变等于其应变硬化指数。而双向拉伸载荷的失稳条件是最大拉伸伸长应变等于两倍的应变硬化指数。因此，采用双向拉伸的方法，可以有效提高金属玻璃材料的塑性变形稳定性。
发明内容
本发明为解决目前的技术不足之处，提供了一种原位测试与观察金属玻璃塑性变形能力的装置，在韧性金属玻璃上产生显著的塑性变形，形成稳定扩展的多重剪切，解决金属玻璃材料塑性变形能力研究中，剪切带扩展不稳定，数据离散性差的问题；
本发明的另一目的是通过原位观察可以控制剪切带的扩展过程，减少外力干扰，具有良好的数据稳定性。
本发明提供的技术方案为：一种原位测试与观察金属玻璃塑性变形能力的装置，包括：
模具底座，其同轴具有第一模腔和第二模腔，并且所述第一模腔半径大于所述第二模腔；
多个第一通孔，其在所述模具底座沿圆周中心对称设置；
放置孔，其同轴设置在所述第一模腔和所述第二模腔的连接处，并且所述放置孔用于放置待测试样；
下模，其中心具有第三模腔，并且所述下模的一端匹配设置在所述第一模腔内；
多个导柱，其一端可滑动地对应匹配在所述第一通孔内，另一端贯穿所述下模，并且顶端设置有压紧螺母；
多个第一弹簧，其分别套设在所述导柱上，并且位于所述模具底座和所述下模之间；
压杆，其一端具有合金球，并且可滑动地匹配在所述第三模腔内；
上模，其底部同轴固定在所述压杆另一端。
优选的是，还包括：
第一通道，其横向设置在所述第一模腔下方，所述第一通道的通孔一端连通所述第二模腔，另一端的通孔设置在所述模具底座侧表面；所述第一通道内容纳有第一摄像头；
第二通道，其横向设置在所述第一通道下方，所述第二通道一端的通孔连通所述第二模腔，另一端的通孔设置在所述模具底座侧表面，并且所述第二通道内容纳有第二摄像头；
反射镜，其设置在第二模腔内，并且与所述模具底座的轴线成45度角，正对所述第二通一端的通孔；
保护镜，其横向设置在所述第二模腔内，并且位于所述反射镜的上方
激光位移传感器，其设置在第二模腔内，并且设置在所述模具底座的底部。
优选的是，还包括：
压力传感器，其设置在所述下模底部，并且与所述放置孔相对；
压力指示灯，其设置在所述下模的表面，并且与所述压力传感器连接。
优选的是，还包括：
垫片，其设置在所述压紧螺母下方；以及
多个第二弹簧，其分别套设在所述导柱上，并且位于所述垫片和所述下模之间。
优选的是，
所述上模设置有定位螺栓孔，并且所述定位螺栓孔内匹配有螺栓，所述螺栓与实验压力计的压块固定连接。
优选的是，还包括：
衬套，其匹配在所述第三模腔内，并且与所述第三模腔上下齐平；
所述压杆可滑动地匹配在所述衬套内。
优选的是，
所述第一摄像头具有辅助照明灯。
优选的是，
所述模具底座的底部的第二模腔内设置有激光位移传感器底座，并且所述激光位移传感器设置在所述激光位移传感器底座内。
优选的是，
所述模具底座侧面设置有与所述模具底座的轴线成45度角的反射镜插槽，在所述反射镜插槽内安置所述反射镜。
优选的是，
所述模具底座侧面设置有横向的保护镜插槽，在所述插槽内安装有所保护镜。
本发明所述的有益效果：1)本发明利用近似胀形方法在试件周围产生双向拉伸，可以有效提高金属玻璃材料的塑性变形稳定性；2)可以方便快捷地区分不同金属玻璃材料的韧脆性；3)可以在韧性金属玻璃上产生显著的塑性变形，可以形成稳定扩展的多重剪切带，可以控制剪切带的扩展过程；4)该装置可测试较小试样尺寸(φ3×0.2～1mm)，可以满足一般金属玻璃材料塑性变形能力的测试；5)操作简单，数据重复性好；6)多个摄像头和传感器的设置使得测试过程更加方便观察控制。
附图说明
图1为本发明所述的本发明测试金属玻璃材料塑性变形能力的装置结构示意图。
图2为本发明的测试金属玻璃材料塑性变形能力的装置结构主视图。
图3为本发明的测试金属玻璃材料塑性变形能力的装置结构俯视图。
图4为本发明所述的模具底座结构示意图。
图5为本发明所述的下模结构示意图。
图6为本发明所述的上模结构示意图。
图7为本发明所述的抽屉式反射镜示意图。
图8为本发明所述的抽屉式保护镜示意图。
图9为本发明所述的专用装置测试时在韧性金属玻璃材料上所获得多重剪切带。
图10为本发明所述的专用装置在韧性金属玻璃材料上获得的变形与断裂形貌示意图。
图11为本发明所述的专用装置在低韧性金属玻璃材料上获得的变形与断裂形貌示意图。
图12为本发明所述的专用装置在脆性金属玻璃材料上获得的变形与断裂形貌示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1-8所示所示，本发明的原位测试与观察金属玻璃材料塑性变形能力的装置包括碳素钢模具底座100，其为圆柱状，中心同轴设置有第一模腔和第二模腔，并且第一模腔的直径大于第二模腔。在第一模腔底部中心设置有放置孔160，其半径大于第二模腔小于第一模腔。模具底座100沿圆周对称设置有两个第一通孔。下模200的一端同轴匹配在所述第一模腔内，下模200中心具有第三模腔。导柱400一端可滑动地配置在所述第一通孔内，另一端可滑动地贯穿下模200。下模200与模具底座100通过上部端头带部分螺纹的导柱400进行定位连接。导柱400与模具底座100之间为过盈配合，导柱400与下模200之间为间隙配合。
在模具底座100的侧壁横向设置有两个通道，分别为第一通道110和第二通道120，并且两个通道的一端与第二模腔连通，另一端与外界连通。第一通道110设置在第一模腔的下方，第二通道120设置在模具底座100的底部。第一通道110内安装有第一摄像头及其线路，并且第一摄像头上带有辅助照明灯。第二通道120内安装有第二摄像头及其线路。抽屉式反射镜插槽与模具底座100中心轴线呈45度角设置在模具底座100上，一端开口在模具底座100侧壁，另一端位于第二通道120的正前方。抽屉式的反射镜140设置在抽屉式反射镜插槽内，将第一摄像头的辅助照明灯光反射至图像采集部位，图像再经45度角反射镜反射入第一摄像头，实现对金属玻璃材料塑性变形背部的正面形貌进行观察与采集。抽屉式保护镜插槽横向设置在抽屉式反射镜插槽的上方，且用于放置抽屉式保护镜150，保护镜150与第二模腔同轴设置，防止金属玻璃材料突然断裂对反射镜造成损伤，同时可对断裂材料进行收集处理。在模具底座100的底部第二模腔端口处设置有激光位移传感器底座130，激光位移传感器131从模具底座100第二腔膜的下方插入固定，用于采集金属玻璃材料塑性变形背部突起的高度数据。
导柱400上套设有第一弹簧410，第一弹簧410设置在模具底座100和下模200之间，用于防止下模由于自重对待测金属玻璃材料造成损伤。第二弹簧440套设在导柱400上，位于下模200上方(导柱400延伸至下模200外的一侧)，第二弹簧440上端通过垫块420设置有压紧螺母430。旋紧压紧螺母430，通过垫块420将压力传导至第二弹簧440，使下模200向下移动。
衬套520设置在第三模腔内，用于适应不同厚度金属玻璃材料需更换上模直径尺寸情况。衬套520应与下模的第三模腔完全对齐(图中为了显示清楚，衬套未与第三模腔对齐)，压杆500可滑动地匹配在第三模腔内的衬套520，一端同轴螺接有上模300，一端位于第三模腔内，末端固连有合金球510用于对金属玻璃材料施加压力。合金球510位于放置孔160的上方。上模300上设置有定位螺栓孔310，用于与压力机压块固定连接。在下模200上沿轴向中心对称设置有两个第二通孔，第二通孔的一端即下模200与模具底座相对的一面设置有压力传感器220，用于测量下模200对待测样件表面施加压力。压力指示灯210设置在第二通孔的另一端所在的下模200上，用于显示施加压力。
如图1和图6所示，碳素钢模具上模300，包括定位螺栓孔310，用于与压力机压块固定连接。T10工具钢压杆500，端头钎焊连接YG6硬质合金球510，用于对金属玻璃材料施加压力，另一端与上模300进行螺纹连接，适应不同厚度金属玻璃材料测试更换不同直径压杆。
如图1和图7所示，抽屉式反射镜140，其设置在底座所述反射镜插槽内，用于将第一摄像头辅助照明灯光反射至金属玻璃材料背部，进行照明，并利用反射镜对背部形貌进行观察与采集。抽屉式反射镜，应满足对辅助灯光及可见光的反射，同时不能阻碍激光位移传感器131的激光传输，应设置针对激光单一波长的增透膜镀层。
如图1和图8所示，抽屉式保护镜150，其设置在底座所述保护镜插槽内，用于防止金属玻璃材料突然断裂对反射镜造成损伤，同时可对断裂材料进行收集处理；抽屉式保护镜150，不能阻碍激光与辅助灯光及自然光的传输，可采用增透膜镀层或普通玻璃。
以原位测试与观察金属玻璃材料塑性变形能力专用装置的工作过程为例，做进一步说明。
将位移传感器131安装在位移传感器底座130上，并安装在碳素钢模具底座100的模腔内。位移传感器直接测量金属玻璃的变形，避免压杆或模具自身弹性变形对测量压力机位移的影响。将第一摄像头安装在第一通道110内，第二摄像头安装在第二通道120内。将抽屉式反射镜6与抽屉式保护镜7分别安装在其插槽内。将导柱400与碳素钢模具底座100采用过盈配合的方式进行连接。将与给配件组装好的碳素钢模具底座100安装并固定在万能力学试验机的下夹头上。其安装不影响激光位移传感器131的显示器的接出。在试样定位孔内放置尺寸为φ3×0.2～1mm的金属玻璃圆片试样。
根据待测金属玻璃材料的厚度及待采用压力，选择适宜压杆直径尺寸的衬套，并将衬套520安装在碳素钢模具下模200的第三模腔内。将压力传感器220安装在下模与待测金属玻璃试样上表面接触的底面上，压力指示灯安装在下模上表面。将组装好的下模200与底座100通过导柱400进行连接。为了防止下模200由于自重对已放置好的待测试样造成损伤，在下模与底座之间的导柱上设置第一弹簧410，由于第一弹簧410的存在，下模200的底面与待测金属玻璃上表面未接触。下模上方导柱由下至上依次设置有第二弹簧440、垫块420与压紧螺母430。旋紧压紧螺母430，通过垫块420将压力传导至第二弹簧440，压紧第二弹簧440使其带动下模向下移动。下模压紧第一弹簧410，随着压力增加，使下模底端与待测表面接触，压力达到一定值，压力指示灯210亮起，停止压紧螺母430的旋紧。
将硬质合金球510与压杆500进行钎焊连接，并将压杆通过螺纹与上模300进行固定连接。通过螺栓孔310将上模与压力机上夹块安装，调整压杆与下模的第三模腔位置后进行固定。
塑性变形测试实验开始。本发明利用金属材料冲压工艺中的胀形方法在待测圆片试样的中心附近产生近似的双向拉伸，有效提高金属玻璃材料的塑性变形稳定性，实现对金属玻璃塑性变形测试的原位观察与测量。该方法为金属玻璃材料塑性变形的测试提供了一种可靠的测试方法。操作简单，数据重复性好，可以满足微小型金属材料拉伸性能的测试。
如图9所示，基于冲压工艺中的胀形方法在待测试样中心产生双向拉伸，随着加载的进行，在韧性金属玻璃上产生显著的塑性变形。如图10-12所示，其中，A为韧性金属玻璃的剪切带，B为韧性金属玻璃的剪切裂纹，C为低韧性金属玻璃的剪切带，D为低韧性金属玻璃的剪切裂纹，E为脆性金属玻璃的正断裂纹。图10为韧性金属玻璃材料的变形与断裂的示意图，从图中可以发现随着变形的发展，逐渐形成径向和周向剪切带，而且变形量很大，径向和周向剪切带的密度也很大，当变形趋于饱和后，进一步增加载荷则在周向萌生裂纹，并最终在周向发生断裂，即如图10中B所示，大部分锆基金属玻璃材料属于此类情况。图11为低韧性金属玻璃的变形与断裂的示意图：由于韧性较低，塑性变形能力差，虽然在周向和径向也形成剪切带，但剪切带的密度显著低于韧性金属玻璃材料，而且裂纹优先在径向萌生，并最终在径向发生断裂，如图示11中D所示，大部分Ti基金属玻璃材料属于此类情况。而对于毫无塑性变形能力的脆性金属玻璃材料，则不能形成周向和径向剪切带，只能在径向形成多条裂纹，而且裂纹快速扩展后发生完全断裂，图12的E所示为脆性金属玻璃的正断裂纹，大部分铁基、钴基、镍基和镁基金属玻璃材料属于此类情况。因此根据剪切带和裂纹的形貌可以方便快捷的区分出不同金属玻璃材料的韧脆性和塑性变形能力。
本发明提供的一种原位测试与观察金属玻璃材料塑性变形能力的方法和专用装置，基于冲压工艺中的胀形方法在待测试样中心产生双向拉伸，随着加载的进行，在韧性金属玻璃上产生显著的塑性变形，形成稳定扩展的多重剪切带并通过原位观察可以控制剪切带的扩展过程，减少外力干扰，具有良好的数据稳定性。通常韧性金属玻璃、低韧性金属玻璃及脆性金属玻璃都可获得各自显著塑性变形特征(如图10-12所示)。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种原位测试与观察金属玻璃塑性变形能力的装置，其特征在于，包括：
模具底座，其同轴具有第一模腔和第二模腔，并且所述第一模腔半径大于所述第二模腔；
多个第一通孔，其在所述模具底座沿圆周中心对称设置；
放置孔，其同轴设置在所述第一模腔和所述第二模腔的连接处，并且所述放置孔用于放置待测试样；
下模，其中心具有第三模腔，并且所述下模的一端匹配设置在所述第一模腔内；
多个导柱，其一端可滑动地对应匹配在所述第一通孔内，另一端贯穿所述下模，并且顶端设置有压紧螺母；
多个第一弹簧，其分别套设在所述导柱上，并且位于所述模具底座和所述下模之间；
压杆，其一端具有合金球，并且可滑动地匹配在所述第三模腔内；
上模，其底部同轴固定在所述压杆另一端；
还包括：
第一通道，其横向设置在所述第一模腔下方，所述第一通道的通孔一端连通所述第二模腔，另一端的通孔设置在所述模具底座侧表面；所述第一通道内容纳有第一摄像头；
第二通道，其横向设置在所述第一通道下方，所述第二通道一端的通孔连通所述第二模腔，另一端的通孔设置在所述模具底座侧表面，并且所述第二通道内容纳有第二摄像头；
反射镜，其设置在第二模腔内，并且与所述模具底座的轴线成45度角，正对所述第二通一端的通孔；
保护镜，其横向设置在所述第二模腔内，并且位于所述反射镜的上方
激光位移传感器，其设置在第二模腔内，并且设置在所述模具底座的底部。
2.根据权利要求1所述的原位测试与观察金属玻璃塑性变形能力的装置，其特征在于，还包括：
压力传感器，其设置在所述下模底部，并且与所述放置孔相对；
压力指示灯，其设置在所述下模的表面，并且与所述压力传感器连接。
3.根据权利要求2所述的原位测试与观察金属玻璃塑性变形能力的装置，其特征在于，还包括：
垫片，其设置在所述压紧螺母下方；以及
多个第二弹簧，其分别套设在所述导柱上，并且位于所述垫片和所述下模之间。
4.根据权利要求3所述的原位测试与观察金属玻璃塑性变形能力的装置，其特征在于，
所述上模设置有定位螺栓孔，并且所述定位螺栓孔内匹配有螺栓，所述螺栓与实验压力计的压块固定连接。
5.根据权利要求4所述的原位测试与观察金属玻璃塑性变形能力的装置，其特征在于，还包括：
衬套，其匹配在所述第三模腔内，并且与所述第三模腔上下齐平；
所述压杆可滑动地匹配在所述衬套内。
6.根据权利要求5所述的原位测试与观察金属玻璃塑性变形能力的装置，其特征在于，
所述第一摄像头具有辅助照明灯。
7.根据权利要求6所述的原位测试与观察金属玻璃塑性变形能力的装置，其特征在于，
所述模具底座的底部的第二模腔内设置有激光位移传感器底座，并且所述激光位移传感器设置在所述激光位移传感器底座内。
8.根据权利要求7所述的原位测试与观察金属玻璃塑性变形能力的装置，其特征在于，
所述模具底座侧面设置有与所述模具底座的轴线成45度角的反射镜插槽，在所述反射镜插槽内安置所述反射镜。
9.根据权利要求8所述的原位测试与观察金属玻璃塑性变形能力的装置，其特征在于，
所述模具底座侧面设置有横向的保护镜插槽，在所述插槽内安装有所保护镜。
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