CN109900560B - 一种基于锥台形试样的金属材料变形-组织关系测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属塑性成形领域，具体为一种基于锥台形试样的金属材料变形‑组织关系测试方法。锥台形试样包括锥台结构和圆柱结构两部分，其中：圆柱结构的一侧底面为锥台结构的大端底面，直径为D；圆柱结构的高度为H；锥台结构的小端底面直径为d，锥台结构的高度为h；锥台结构的小端底面和圆柱结构远离锥台结构一侧的下底面分别与热模拟试验机的砧子相连。本发明通过设计锥台形试样，在Gleeble系列热模拟试验机上实现金属材料室温或高温下显微组织与变形量的对应关系测试，为目标显微组织下成形工艺参数的设计提供指导。本发明可应用于金属材料的变形加工工艺设计与评价，所获得的量化关系具有应变连续性特征。
Description
技术领域
本发明涉及金属塑性成形领域，具体为一种基于锥台形试样的金属材料变形-组织关系测试方法。
背景技术
随着零件制造技术的不断进步，对于金属材料的加工要求从原来的注重尺寸精度（成形）到尺寸与零件使用性能并重（成形成性）。而金属零件的使用性能又与材料的显微组织密切相关，特别是对于一些优异性能金属材料（如：高温合金、钛合金、铝合金、镁合金、高强钢）以及金属基复合材料来说，显微组织的特征包括晶粒尺寸、相含量、微织构等都会显著影响材料的力学性能与使用性能。为了进一步探究显微组织与变形工艺的关系，人们开展大量的研究。热压缩试验是应用最广泛的热模拟技术之一。
但常规的圆柱形压缩试样，由于两端与砧子接触的摩擦而导致试样各位置应变不均匀。其中心部应变最大，两端为应变很小的死区。因此，在具体实施显微组织分析时，实验者仅考虑试样心部区域。针对不同应变量的情况，需要准备大量的试样进行试验来获得所需的金属材料变形-组织关系。对于某些显微组织与温度和应变量很敏感或随工艺条件有多种变化的材料来说，实验难度显著提高。工程上有采用楔形试样的方式来划线标记不同变形量（如：王超渊，东赟鹏，宋晓俊，方爽，于秋颖，李凯，王淑云. 变形温度及变形量对挤压态FGH96合金晶粒异常长大的影响. 航空材料学报，2016，36（5）：14-20），该方法适合大尺寸试样加热炉加热后再放到液压机上进行变形，而且由于变形后楔形棱边的消失而难以确定不同变形量的部位，只适合在工程上进行粗略的分析和应用。另外，楔形试样的非回转结构也不适用于以电阻加热为工作原理的Gleeble系列热力模拟试验机。
因此，目前的金属材料变形-组织关系测试方法大都存在试验次数较多、难以准确定位变形量变化、操作复杂等缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于锥台形试样的金属材料变形-组织关系测试方法，通过设计锥台形试样，在Gleeble系列热模拟试验机上可以实现金属材料室温或高温下显微组织与变形量的对应关系测试，为目标显微组织下成形工艺参数的设计提供指导。
本发明的技术方案如下：
一种基于锥台形试样的金属材料变形-组织关系测试方法，锥台形试样包括锥台结构和圆柱结构两部分，其中：圆柱结构的一侧底面为锥台结构的大端底面，直径为D；圆柱结构的高度为H；锥台结构的小端底面直径为d，锥台结构的高度为h；锥台结构的小端底面和圆柱结构远离锥台结构一侧的下底面分别与热模拟试验机的砧子相连。
所述的基于锥台形试样的金属材料变形-组织关系测试方法，整体试样的长径比为0<（H+h）/D<1.5。
所述的基于锥台形试样的金属材料变形-组织关系测试方法，通过设计锥台形试样，在Gleeble系列热模拟试验机上实现金属材料室温或高温下显微组织与变形量的对应关系测试，为目标显微组织下成形工艺参数的设计提供指导。
所述的基于锥台形试样的金属材料变形-组织关系测试方法，该方法具体步骤如下：
（1）锥台形试样尺寸设计
根据待测材料和加工需要，确定试样锥台结构和圆柱结构的主要尺寸参数，包括圆柱结构直径和高度以及锥台结构小端直径和高度；
（2）根据步骤（1）中设计加工待测材料试样，结合加工需要在Gleeble系列热模拟试验机上进行室温或高温压缩试验；
（3）将步骤（2）变形后的试样进行显微组织表征，根据变形后试样不同半径位置来准确定位变形量，实现金属材料变形-组织关系的量化分析。
本发明的设计思想是：针对难以量化评价的圆柱形试样，通过结构形式的变化来实现变形过程中金属流动位移由一致性分布转变为线性连续分布，从而为后续变形量的确定以及对应显微组织表征奠定基础。同时，克服工程用楔形试样在以电阻加热为工作原理的Gleeble系列热模拟试验机上应用的不足。另外，锥台结构的回转体特性也有利于试样加工和多位置同一变形量的实验需求。
本发明的优点及有益效果如下：
（1）本发明通过设计锥台形试样，单个试样就可以实现较大变形量范围的测试并准确定位。
（2）本发明可在Gleeble系列热模拟试验机上实现金属材料室温或高温下显微组织与变形量的对应关系测试。
（3）本发明操作简单，易于实现。
附图说明
图1为锥台形试样示意图。图中，1锥台结构，2圆柱结构，3小端底面，4下底面。
图2为变形后试样不同变形量与位置关系的示意图。
图3为实施例1的锥台形试样示意图。
图4（a）-图4（d）为实施例1变形后试样不同变形量/位置及显微组织的示意图。其中，图4（a）为变形后试样不同变形量与位置关系的示意图，图4（b）为图4（a）中位置为R1的组织图，图4（c）为图4（a）中位置为R2的组织图，图4（d）为图4（a）中位置为R3的组织图。
图5为实施例2的锥台形试样示意图。
图6（a）-图6（d）为实施例1变形后试样不同变形量/位置及显微组织的示意图。其中，图6（a）为变形后试样不同变形量与位置关系的示意图，图6（b）为图6（a）中位置为R1的组织图，图6（c）为图6（a）中位置为R2的组织图，图6（d）为图6（a）中位置为R3的组织图。
具体实施方式
如图1所示，本发明锥台形试样包括锥台结构和圆柱结构两部分，其中：圆柱结构2的一侧底面为锥台结构1的大端底面，直径为D；圆柱结构2的高度为H；锥台结构1的小端底面直径为d，锥台结构1的高度为h。锥台结构1的小端底面3和圆柱结构2远离锥台结构1一侧的下底面4分别与热模拟试验机的砧子相连。整体试样的长径比为（H+h）/D。
在具体实施过程中，本发明通过设计锥台形试样，在Gleeble系列热模拟试验机上可以实现金属材料室温或高温下显微组织与变形量的对应关系测试，为目标显微组织下成形工艺参数的设计提供指导。该方法具体步骤如下：
（1）锥台形试样尺寸设计。根据待测材料和加工需要，确定试样锥台结构和圆柱结构的主要尺寸参数，包括圆柱结构直径和高度以及锥台结构小端直径和高度；整体试样的长度与圆柱段直径之比小于1.5，确保变形过程中试样不发生失稳；
（2）根据（1）中设计加工待测材料试样，结合加工需要在Gleeble系列热模拟试验机上进行室温或高温压缩试验；
如图2所示，变形后试样不同位置和变形量分别为：R1（ε1）、R2（ε2）、R3（ε3）等。
（3）将（2）变形后的试样进行显微组织表征，根据变形后试样不同半径位置来准确定位变形量，实现金属材料变形-组织关系的量化分析。
下面，通过实施例和附图对本发明进一步详细阐述。
实施例1：
本实施例以高温合金高速热挤压加工为例，说明试样设计与实验情况。该锥台形试样包括锥台结构和圆柱结构两部分，其中圆柱结构的一侧底面为锥台结构的大端底面，直径为D；圆柱结构的高度为H；锥台结构的小端底面直径为d，锥台结构的高度为h。锥台结构的小端底面和圆柱结构远离锥台结构一侧的下底面分别与Gleeble系列热模拟试验机的砧子相连。整体试样的长径比为（H+h）/D。实验材料为GH4169合金，挤压温度为1000℃，应变速率为50s-1，变形量0~70%。
本实施例中，具体操作步骤如下：
步骤1：锥台形试样尺寸设计。本实施例中主要参数设计如下：圆柱结构的直径为D=8mm，高度为H=6mm；锥台结构的小端底面直径为d=4mm，锥台结构的高度为h=6mm。试样尺寸见图3。
步骤2：根据步骤1中设计加工待测GH4169合金试样，结合加工需要在Gleeble系列热模拟试验机上进行1000℃，应变速率50 s-1，变形量达70%的单向压缩试验；变形后试样的厚度为3.6mm，变形后试样的半径为R=6.5mm。
步骤3：将（2）变形后的试样进行显微组织表征，根据变形后试样不同半径位置来准确定位变形量，实现金属材料变形-组织关系的量化分析，见图4（a）-图4（d）。
如图4（b）所示，当R1=0.8mm，ε1=0.7时，显微组织的平均晶粒尺寸为8.3μm。
如图4（c）所示，当R2=3.2mm，ε2=0.5时，显微组织的平均晶粒尺寸为16.2μm。
如图4（d）所示，当R3=6.0mm，ε3=0.3时，显微组织的平均晶粒尺寸为7.6μm，混晶特征显著。
实施例2：
本实施例以稀土镁合金热锻加工为例，说明试样设计与实验情况。该锥台形试样包括锥台结构和圆柱结构两部分，其中圆柱结构的一侧底面为锥台结构的大端底面，直径为D；圆柱结构的高度为H；锥台结构的小端底面直径为d，锥台结构的高度为h。锥台结构的小端底面和圆柱结构远离锥台结构一侧的下底面分别与Gleeble系列热模拟试验机的砧子相连。整体试样的长径比为（H+h）/D。实验材料为Mg-Gd-Y-Zn合金，锻造温度为550℃，应变速率为1s-1，变形量0~50%。
本实施例中，具体操作步骤如下：
步骤1：锥台形试样尺寸设计。本实施例中主要参数设计如下：圆柱结构的直径为D=8mm，高度为H=8mm；锥台结构的小端底面直径为d=4mm，锥台结构的高度为h=4mm。试样尺寸见图5。
步骤2：根据步骤1中设计加工待测Mg-Gd-Y-Zn合金试样，结合加工需要在Gleeble系列热模拟试验机上进行550℃，应变速率1 s-1，变形量达50%的单向压缩试验；变形后试样的厚度为6mm，变形后试样的半径为R=5.8mm。
步骤3：将（2）变形后的试样进行显微组织表征，根据变形后试样不同半径位置来准确定位变形量，实现金属材料变形-组织关系的量化分析，见图6（a）-图6（d）。
如图6（b）所示，当R1=1.2mm，ε1=0.5时，显微组织情况为：变形晶粒被拉长，出现较多的动态再结晶晶粒。
如图6（c）所示，当R2=2.3mm，ε2=0.3时，显微组织情况为变形晶粒被拉长，晶界上开始出现细小的动态再结晶晶粒。
如图6（d）所示，当R3=5.6mm，ε3=0.1时，显微组织情况为等轴晶粒沿变受力方向变形拉长。
实施例结果表明，本发明可应用于金属材料的变形加工工艺设计与评价，所获得的量化关系具有应变连续性特征。
Claims (3)
1.一种基于锥台形试样的金属材料变形-组织关系测试方法，其特征在于，锥台形试样包括锥台结构和圆柱结构两部分，其中：圆柱结构的一侧底面为锥台结构的大端底面，直径为D；圆柱结构的高度为H；锥台结构的小端底面直径为d，锥台结构的高度为h；锥台结构的小端底面和圆柱结构远离锥台结构一侧的下底面分别与热模拟试验机的砧子相连；
该方法具体步骤如下：
（1）锥台形试样尺寸设计
根据待测材料和加工需要，确定试样锥台结构和圆柱结构的主要尺寸参数，包括圆柱结构直径和高度以及锥台结构小端直径和高度；
（2）根据步骤（1）中设计加工待测材料试样，结合加工需要在Gleeble系列热模拟试验机上进行室温或高温压缩试验；
（3）将步骤（2）变形后的试样进行显微组织表征，根据变形后试样不同半径位置来准确定位变形量，实现金属材料变形-组织关系的量化分析。
2.按照权利要求1所述的基于锥台形试样的金属材料变形-组织关系测试方法，其特征在于，整体试样的长径比为0<（H+h）/D<1.5。
3.按照权利要求1所述的基于锥台形试样的金属材料变形-组织关系测试方法，其特征在于，通过设计锥台形试样，在Gleeble系列热模拟试验机上实现金属材料室温或高温下显微组织与变形量的对应关系测试，为目标显微组织下成形工艺参数的设计提供指导。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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