CN110793695A - 一种金属试样 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种金属试样，包括试样基体，试样基体上方的两端分别设置有凸起部，两个凸起部与试样基体的上表面共同构成一个凹槽，两个凸起部之间通过一个连接杆连接，所述连接杆下表面与试样基体上表面之间具有间隙；所述连接杆包括两端的粗段和中间的细段，两端的粗段与两个凸起部连接，中间的细段通过两个宽度渐变的过渡段分别与两端的粗段连接；粗段的上下表面、细段的上下表面、试样基体的上下表面彼此相互平行设置；所述金属试样是一体成型的，其形状是沿竖直轴对称的；该金属试样能够将残余应力集中到特定位置并放大残余应力值，从而使残余应力的检测更为简单和准确。
Description
技术领域
本发明涉及试验样品领域，具体涉及一种可以将残余应力集中到指定位置并放大的金属试样。
背景技术
金属构件是生产生活中各种机械设备必不可少的组成部分，在金属构件制备完成后，为了提升其性能，往往需要对其进行热处理，热处理过程伴随复杂的相变和温度梯度，这种相变和温度梯度会形成热处理应力保留在金属构件中，最终形成残余应力，残余应力对构件的后续加工和最终质量以及使用过程中的可靠性均会产生非常显著负面的影响。由于金属构件形状往往比较复杂，残余应力的分布是不均匀的，残余应力的最大值出现的位置是不可控的，且在热处理完成后残余应力值较小，很容易受到检测过程中误差因素的影响。因此如何准确定位并检测最大残余应力，从而通过比较残余应力的大小确定最优的热处理工艺是一个亟待解决的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属试样，该金属试样能够集中并放大残余应力，使残余应力的最大值出现在指定位置，从而可以通过对指定位置残余应力的检测，比较不同热处理工艺所产生的最大残余应力，进而优化热处理过程。
本发明提供的一种金属试样，包括试样基体，试样基体上方的两端分别设置有凸起部，两个凸起部与试样基体的上表面共同构成一个凹槽，两个凸起部之间通过一个连接杆连接，所述连接杆下表面与试样基体上表面之间具有间隙；
所述连接杆包括两端的粗段和中间的细段，两端的粗段与两个凸起部连接，中间的细段通过两个宽度渐变的过渡段分别与两端的粗段连接；
粗段的上下表面、细段的上下表面、试样基体的上下表面彼此相互平行设置；
所述金属试样是一体成型的，其形状是沿竖直轴对称的。
通过上述结构设计，能够保证最大残余应力被集中并且被限制出现在连接杆细段的中点位置，实现残余应力的最大化以及残余应力最大值位置的固定化，通过公知的残余应力检测方法，即能够对残余应力值进行检测，进而，结合不同热处理制度下的残余应力检测结果的比较，即可确定产生残余应力最小的热处理工艺。
作为一个改进的方案，粗段的上表面、细段的上表面在同一平面内。
作为一个改进的方案，粗段的上表面位于细段的上表面上方的平面内，并且粗段的下表面位于细段的下表面下方的平面内。
作为一个改进的方案，所述连接杆的形状是沿水平轴对称的，经过试验验证，该种结构设计能够最大限度的集中残余应力。
作为一个改进的方案，所述粗段和细段的截面均为长方形；这样的结构设计是为了保证试样的一致性从而使实验结果更为准确，并为加工提供便利。在生产过程中，选择粗段和细段的截面为长方形，可以进行批量生产，即先铸造一个厚度较大的金属试样，然后采用机械加工将其逐片切分，最终获得满足上述技术方案的金属试样，这样获得的试样，彼此之间的生产加工条件是一致的，不会因为生产加工条件不同而影响最终的实验结果，同时也提高了生产效率。当然，单独生产一个满足该改进方案的金属试样也是被允许且可接受的。
作为一个具体的尺寸设计方案，所述金属试样基体的尺寸为：长100-150mm×宽15-25mm×厚5-15mm，凸起部的尺寸为：长15-30mm×宽15-20mm×厚5-15mm，粗段的尺寸为：长15-25mm×宽10-15mm×厚5-15mm，细段的尺寸为：长20-30mm×宽4-10mm×厚5-15mm，细段的厚度优选为6-10mm，宽度优选为5-8mm。细段作为应力集中的区域，适合的尺寸有利于最终结果的测量，宽度和厚度过小有断裂风险，宽度或厚度过大，应力集中的程度降低并且也不利于试样尺寸的小型化，实验证明，厚度6-10mm，宽度优选为5-8mm具有最佳的应力集中效果，合适的细段长度对于最终结果测量的便利性和试样尺寸的小型化是重要的，细段的长度为20-30mm。
作为一个改进的方案，所述间隙最窄处的宽度为2-8mm，优选为4-6mm；间隙尺寸的选择，一方面要考虑残余应力集中放大的情况，另一方面，要以小型化为要求，考虑试样整体尺寸布局。
作为一个改进的方案，所述金属试样的材质为铝或铝合金、铜或铜合金、镁或镁合金、钛或钛合金、铸铁、钢。
作为一个改进的方案，金属试样整体是等厚度的；这样的结构设计是为了保证试样的一致性从而使实验结果更为准确，并为加工提供便利。在生产过程中，选择整体等厚度的金属试样，可以进行批量生产，即先铸造一个厚度较大的金属试样，然后采用机械加工将其逐片切分，最终获得满足上述技术方案的金属试样，这样获得的试样，彼此之间的生产加工条件是一致的，不会因为生产加工条件不同而影响最终的实验结果，同时也提高了生产效率。当然，单独生产一个满足该改进方案的金属试样也是被允许且可接受的。
需要说明的是，本发明对金属试样结构尺寸的描述，均是基于试样基体的下表面放置在水平表面时所做出的，本发明中所说的“长”、“宽”、“厚”分别是指：当试样基体的下表面放置在水平表面时，水平方向即为“长”，竖直方向即为“宽”，同时与水平方向、竖直方向垂直的方向即为“厚”；截面的长方形既包括临边不相等的普通长方形，也包括临边相等的特殊长方形，即正方形。
本发明提供的金属试样，通过特殊的结构设计，将金属试样在热处理过程中产生的残余应力集中到细段的中部位置，即确保了最大集中应力出现的位置可控，又提高了残余应力的大小，使残余应力的检测和量化工作更为简单和准确。残余应力的集中与放大，可以减弱检测过程中误差的影响，保证单一样品测量的准确性，由于残余应力被放大且误差的影响被弱化，相同尺寸的试样在经历不同热处理工序之后，其残余应力之间的差距也会随之增大并更明显，从而便于在热处理优化过程中残余应力值的比较，确保结果的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为模拟例1、3构建的金属试样结构图；
图2为模拟例2构建的金属试样结构图；
图3为模拟例1的等效应力云图；
图4为模拟例2的等效应力云图；
图5为模拟例3的等效应力云图；
图6为实施例1的试样进行残余应力测试前的实物图；
图7为实施例1的试样进行残余应力测试后的实物图。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
模拟例
为了确定残余应力集中和放大程度较优的试样尺寸结构，首先构建2个不同尺寸的结构试样进行模拟仿真，确定最大应力集中的位置。
模拟条件：
使用ANSYS软件进行模拟仿真。
材料参数设定：
选择ANSYS默认非线性铝合金材料，密度2770kg/m3，热膨胀系数2.3×10-5℃-1，热导率为170W/(m·℃)，比热容为875J/(kg·℃)，弹性模量7.1×1010Pa，泊松比0.33；采用双线性各项同性强化模型模拟材料应力应变性能，材料屈服强度为120MPa，剪切模量280MPa。
试样在495℃温度下固溶处理结束后从炉内取出(实际试验时炉内温度为510-530℃，但是实际试样取出后会存在一个温度降，而模拟仿真时不存在此问题，因此模拟仿真时认为495℃为热处理温度)，而后将粗段以下部分(不含粗段)浸入22℃的冷却介质中，试样发生急剧温降，试样粗段及以上的位置与空气进行对流换热，计算从淬火过程开始至淬火200s后试样的温度及应力变化。此过程为一个非稳态过程，因此需要考虑初始条件及边界条件。
初始条件：
(1)整个试样温度为495℃；(2)冷却介质温度为22℃。
温度场计算边界条件：
模拟例1-2
(1)试样粗段以下部分(不含粗段)与冷却介质(水或油均可，对于模拟来说没有区别)发对流换热，对流换热系数为4000W/(m2·℃)，冷却介质温度为22℃；
(2)试样粗段及以上部分与空气发对流换热，对流换热系数为12W/(m2·℃)，冷却介质(空气)温度为22℃。
模拟例3
试样整体与冷却介质发对流换热，对流换热系数为4000W/(m2·℃)，冷却介质温度为22℃。
应力场计算边界条件：
在温度场计算结束后，将计算所得温度场作为体载荷施加在试样模型上，计算热作用下试样应力分布，试样为自由膨胀或收缩，不受其他外力约束。
由于试样是沿竖直轴对称的，其最终模拟计算得到的应力分布也必然是沿竖直轴对称的，因此，为了减少模拟仿真计算量，选择试样结构上的一半进行模拟仿真。
模拟例1
如图1所示，本模拟例提供一种金属试样，材质为铝合金，包括试样基体，试样基体的长为110mm、宽为22mm，试样基体上方的两端分别设置有凸起部，凸起部的长为15mm、宽为18mm，两个凸起部与试样基体的上表面共同构成一个凹槽，两个凸起部之间通过一个连接杆连接，所述连接杆下表面与试样基体上表面之间具有间隙，间隙最窄处宽度为4mm；
所述连接杆的形状是沿水平轴对称的，所述连接杆包括两端的粗段和中间的细段，两端的粗段与两个凸起部连接，中间的细段通过两个宽度渐变的过渡段分别与两端的粗段连接；粗段的长为19mm、宽为14mm，细段的长为24mm、宽为6mm；粗段截面为长方形，细段的截面为正方形；
粗段的上下表面、细段的上下表面、试样基体的上下表面彼此相互平行设置；
所述金属试样是一体成型且是等厚度的，厚度为6mm，其形状是沿竖直轴对称的。
按照前述模拟条件进行模拟，得到等效应力分布云图见图3，可见，试样的最大残余应力分布在细段的下表面中部的位置。
模拟例2
如图2所示，本模拟例提供一种金属试样，材质为铝合金，包括试样基体，试样基体的长为110mm、宽为22mm，试样基体上方的两端分别设置有凸起部，凸起部的长为15mm、宽为18mm，两个凸起部与试样基体的上表面共同构成一个凹槽，两个凸起部之间通过一个连接杆连接，所述连接杆下表面与试样基体上表面之间具有间隙，间隙最窄处宽度为4mm；
所述连接杆包括两端的粗段和中间的细段，两端的粗段与两个凸起部连接，中间的细段通过两个宽度渐变的过渡段分别与两端的粗段连接；粗段的长为19mm、宽为14mm，细段的长为24mm、宽为6mm；粗段截面为长方形，细段的截面为正方形；粗段的下表面、细段的下表面不在同一平面内且粗段的上表面、细段的上表面在同一平面内；
粗段的上下表面、细段的上下表面、试样基体的上下表面彼此相互平行设置；
所述金属试样是一体成型且是等厚度的，厚度为6mm，其形状是沿竖直轴对称的。
按照前述模拟条件进行模拟，得到等效应力分布云图见图4，可见，试样的最大残余应力分布在细段的下表面中部的位置。
模拟例3
按照模拟例1的尺寸结构设计金属试样，材质为铝合金，按照前述模拟例3的边界条件进行模拟，仿真试样整体淬火过程，得到等效应力分布云图见图5。
通过对比模拟例1-3的结果，不难看出，模拟例1-3的试样，其最大的残余应力均集中在试样细段下表面中部的位置，而相比于模拟例2、3，模拟例1的试样结构尺寸与分层淬火工艺相结合具有最优良的残余应力集中特性，其细段的下表面残余应力集中程度最高。
下面的实施例，制备模拟例1中的铝合金试样作为实施例1，制备模拟例2中的铝合金试样作为实施例2，制备模拟例3中的铝合金试样作为实施例3，制备对比例1，对比例1与实施例1-3具有相同的尺寸，区别在于连接杆没有细段和过渡段，为等尺寸的粗段，即连接杆的尺寸为80mm(长)×14mm(宽)×6mm(厚)，并且制备110mm(长)×40mm(宽)×6mm(厚)的铝合金块体作为对比例2、3。选用ZL109铝合金，采用常规的熔炼+砂型铸造方法制造150mm(长)×60mm(宽)×200mm(厚)的铝合金块体，然后使用线切割进行分片切割，制作成实施例1-3以及对比例1-3的试样，每个实施例或对比例制作两组试样，每组两个试样，每个试样分别进行相应的热处理，在热处理之后进行残余应力的测试，并将残余应力的测得值展示于表1中。
其中，实施例1-3以及对比例1-3的热处理和残余应力检测方法如下：
a)实施例1-3、对比例1试样的残余应力测试方法如下：首先进行两种热处理：1)520℃×6h固溶、2)520℃×6h固溶+160℃×16h时效+空冷，固溶后淬火。
对于淬火：
a1)实施例1-2、对比例1采用分层淬火，具体为：1)准备盛放有装满淬火介质(22℃的水)的容器；2)将金属片插入到连接杆和试样基体之间的间隙中；3)将试样基体没入到淬火介质中进行淬火，此时，金属片的两端搭在容器的边沿上，并且金属片的上表面与两个粗段的下表面均形成支撑接触，保证粗段和细段均不被淬火，即连接杆不淬火，试样基体淬火，以进一步增大连接杆的残余应力；
a2)实施例3采用整体淬火(淬火介质为22℃的水)。
待冷却后，在试样细段下表面的中间位置贴电阻应变片(对于对比例1，在连接杆下表面的中间位置贴电阻应变片)，利用电阻材料的应变效应将工程结构件的形变转换为电阻变化，再通过测量电路将电阻的变化转换成电压或电流变化信号输出。搭接方法采用四分之一桥的桥路连接方法，将连接杆其中一端与过渡段连接的部分锯断，进行应力释放，测量应变数据，根据公式：应力＝弹性模量*应变，计算得到残余应力，材料的弹性模量根据公知的方法测量得到，本试验中，ZL109的弹性模量根据实验测得实际数据为71.849GPa。
b)对比例2-3的残余应力测试方法如下：首先进行两种热处理：1)520℃×6h固溶、2)520℃×6h固溶+160℃×16h时效+空冷，固溶后淬火。
对于淬火：
b1)对比例2采用分层淬火，使用夹具夹持对比例2铝合金板进行分层淬火，将宽度22mm以下淬火(淬火介质为22℃的水)，22mm以上的部分不淬火；由于温度梯度的存在，试样的最大残余应力将出现在试样未淬火部分的最上侧表面，因此，对该表面中心位置进行残余应力的测试；
b2)对比例3采用整体淬火(淬火介质为22℃的水)，由于无法确定对比例3最大残余应力出现的位置，在对比例3的四个边角以及中心点随机选取四个点进行残余应力测试，取最大值。
由于对比例2-3的该试样无法进行切断后的贴片测试，因此，对比例2-3的试样残余应力的测试使用X射线法，按照《GB/T 7704-2017无损检测X射线应力测定方法》中的侧倾法(国标5.4节)进行检测，选用CuKα射线，Ni滤波片。
实施例1
对铝合金块体进行切割并进行机加工，按照模拟例1的试样尺寸制备实际铝合金试样，如图6所示，之后施以前述方法a)、a1)的热处理，并按照前述方法a)测定残余应力，测试残余应力之后的样品实物图如图7所示。
实施例2
对铝合金块体进行切割并进行机加工，按照模拟例2的试样尺寸制备实际铝合金试样，之后施以前述方法a)的热处理，并按照前述方法a)、a1)测定残余应力。
实施例3
对铝合金块体进行切割并进行机加工，按照模拟例3的试样尺寸制备实际铝合金试样，之后施以前述方法a)的热处理，并按照前述方法a)、a2)测定残余应力。
对比例1
对铝合金块体进行切割并进行机加工，制备得到的试样基体的长为110mm、宽为22mm、厚为6mm，试样基体上方两端的凸起部长为15mm、宽为18mm、厚为6mm，两个凸起部通过连接杆连接，连接杆的尺寸为80mm(长)×14mm(宽)×6mm(厚)，连接杆下表面与试样基体上表面之间具有间隙，间隙为4mm，之后施以前述方法a)、a1)的热处理，并按照前述方法a)测定残余应力。
对比例2
对铝合金块体进行切割并进行机加工，制备得到110mm(长)×40mm(宽)×6mm(厚)的铝合金试样，之后施以前述方法b)、b1)的热处理，并按照前述方法b)测定残余应力。
对比例3
对铝合金块体进行切割并进行机加工，制备得到110mm(长)×40mm(宽)×6mm(厚)的铝合金试样，之后施以前述方法b)、b2)的热处理，并按照前述方法b)测定残余应力。
表1中展示了实施例1-3以及对比例1-3的残余应力检测结果。
表1
通过上述对比可以看出，对于同样采用分层淬火的实施例1-2、对比例1-2，实施例1-2的试样的残余应力相比于对比例2普通试样的残余应力有较大幅度的提高。对比例1的试样，由于存在一个连接杆的结构，其能够一定程度的集中应力到连接杆的下表面，相比于普通试样也有一定的提升，但是对比例1的提升效果远不及实施例1、2的试样。
对于同样采用整体淬火的实施例3、对比例3来说，实施例3的残余应力的放大与集中程度远高与对比例3。
通过比对实施例1-2的试样结构尺寸设计不难看出，相同的条件下，实施例1的试样结构尺寸具有最大的残余应力集中效应，因此，实施例1作为本发明效果较优的实施例，在试样结构设计中，优选采用连接杆沿水平轴对称的设计方式。
通过上述试样，不难发现，实施例1-3的试样，由于细段的存在，残余应力被集中放大，测试过程中的测量误差的影响相应的降低，从而使结果的真实性和可比较性增强，另外其最大残余应力出现的位置是可控的，在实际的测试工作中，可以直接确定设置电阻应变片的位置，简化了测试工作。
对于本申请所请求保护的铝合金之外的金属材料，由于本申请试样结构的特殊性，其在热处理过程中与前述实施例的温度梯度分布是相同的，因此，本领域技术人员可以合理预期，其应力集中点也必然位于细段的下表面，进而，虽然实施例中没有穷尽其它材料，但是本领域技术人员根据本领域的普通技术知识可以知道，本申请的试样结构同样适用于铝、铜或铜合金、镁或镁合金、钛或钛合金、铸铁、钢等任何金属材料。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，但本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种金属试样，其特征在于，所述金属试样包括试样基体，试样基体上方的两端分别设置有凸起部，两个凸起部与试样基体的上表面共同构成一个凹槽，两个凸起部之间通过一个连接杆连接，所述连接杆下表面与试样基体上表面之间具有间隙；
所述连接杆包括两端的粗段和中间的细段，两端的粗段与两个凸起部连接，中间的细段通过两个宽度渐变的过渡段分别与两端的粗段连接；
粗段的上下表面、细段的上下表面、试样基体的上下表面彼此相互平行设置；
所述金属试样是一体成型的，其形状是沿竖直轴对称的。
2.根据权利要求1所述的金属试样，其特征在于，粗段的上表面、细段的上表面在同一平面内。
3.根据权利要求1所述的金属试样，其特征在于，粗段的上表面位于细段的上表面上方的平面内，并且粗段的下表面位于细段的下表面下方的平面内。
4.根据权利要求1所述的金属试样，其特征在于，所述连接杆的形状是沿水平轴对称的。
5.根据权利要求1-4任一项所述的金属试样，其特征在于，所述粗段和细段的截面均为长方形。
6.根据权利要求1-4任一项所述的金属试样，其特征在于，所述金属试样基体的尺寸为：长100-150mm×宽15-25mm×厚5-15mm，凸起部的尺寸为：长15-30mm×宽15-20mm×厚5-15mm，粗段的尺寸为：长15-25mm×宽10-15mm×厚5-15mm，细段的尺寸为：长20-30mm×宽4-10mm×厚5-15mm。
7.根据权利要求1-4任一项所述的金属试样，其特征在于，所述间隙最窄处的宽度为2-8mm。
8.根据权利要求1-4任一项所述的金属试样，其特征在于，所述金属试样的材质为铝或铝合金、铜或铜合金、镁或镁合金、钛或钛合金、铸铁、钢。
9.根据权利要求1-4任一项所述的金属试样，其特征在于，金属试样整体是等厚度的。
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