CN111579409B - 一种新鲜金属表层动态流变力学特性测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新鲜金属表层动态流变力学特性测试装置及方法。实际的金属学中，金属与空气接触的界面所形成的是金属氧化层，导致现有压痕实验中测得的结果与新鲜金属层有明显偏差。本发明包括底板、撞击驱动机构、压杆机构、工件横移机构、拉刀组件和控制器。压杆机构设置有用于压印被测工件；撞击驱动机构用于驱动压杆机构内的压头挤压工件横移机构上装夹的被测工件。拉刀组件安装在压杆机构靠近工件横移机构的端部的一侧；所述的拉刀组件包括拉削刀具和拉削刀架。拉削刀架安装在底板上。拉削刀具安装在拉削刀架上，且刀齿朝向工件横移机构。拉削刀具用于在压印前将工件横移机构上装夹的被测工件外侧面的金属氧化层切除。

Description

一种新鲜金属表层动态流变力学特性测试装置及方法

技术领域

本发明属于金属表面动态流变力学特性测试实验技术领域，特别涉及一种动态纳米压痕技术的新鲜金属表层材料动态流变力学性能测试装置及其测试方法。

背景技术

现代工程领域逐渐要求材料在极端工作条件下满足使用要求的同时同样具备良好的力学稳定性，为此材料在极端环境下尤其在微纳尺度上力学性能的研究成为国内外学者研究的热点。近年来国内外学者结合分离式霍普金森压杆(SHPB)及纳米压痕的基本原理，提出并发展了一套动态纳米压痕实验理论。对金属表面微尺度下的动态流变力学特性进行测试研究。

目前对于材料微观尺度下动态力学性能的测试方法，采用的实验装置主要包括撞击杆，入射杆，套筒和质量块组成的动量装置，压头，高频率的力传感器以及数据采集系统。实验过程中，撞击杆以人为可控的速度高速撞击入射杆，在入射杆及动量装置中产生压缩应力波，应力波沿着入射杆传递至压头，推动压头压入试件产生动态压痕，而传递至冲击波消除装置中的压缩应力波传递至入射杆变为拉伸应力波令压头远离试件，从而达到防止压头对试件进行多次加载的目的。实验过程中应力波的传递过程被粘贴在入射杆上的应变片所监测到，压痕产生过程中试件承受荷载被力传感器采集到。这套实验装置类似于SHPB装置，不同在于取消了透射杆，在入射杆两端分别添加了动量装置以及压头，故在制备过程中应同样选择不易产生塑性变形的材料作为装置的整体，以保证撞击杆撞击入射杆时在入射杆中只产生弹性应力波。为了研究金属切削过程中金属的动态力学性能，当前现有的动态纳米压痕测试装置并不能，完全满足切削金属过程中表层金属动态力学性能的研究。

在上述实验中，试样材料被认为是各向通性，质地均一的一个整体。但是在实际的金属学中，金属与空气接触的界面所形成的是金属氧化层，往下是金属氧化层到新鲜金属层的过渡层，最后才是新鲜金属。金属氧化层和过渡层往往是金属表层往下2-5μm(视具体金属不同而不同，本发明以45钢为例)。对于微尺度下材料的动态流变力学特性而言，由于其尺度效应较强，受到金属组织的影响较大。金属表层的动态流变力学特性与金属表层往下内部组织的动态流变力学特性差距较大。而拉削过程中切削的厚度刚好处于新鲜金属层，对于拉削而言其受到新鲜金属层动态流变力学特性影响巨大。因此对新鲜金属层的材料动态力学的测量是十分必要的，这是进一步理解微观金属切削过程中必要的一个过程。但是目前尚无能够进行新鲜金属表层的微观动态材料力学性能测试的装置和方法。

发明内容

本发明针对目前切削工件材料尚无一种可行的获取新鲜金属层微观尺度动态流变力学特性装置的问题，提供了一种能够实现真实切削工况下工件材料新鲜金属层动态力学性能测试装置。

本发明一种新鲜金属表层动态流变力学特性测试装置，包括底板、撞击驱动机构、压杆机构、工件横移机构、拉刀组件和控制器。撞击驱动机构、压杆机构和工件横移机构均安装在底板上，且依次排列。压杆机构设置有用于压印被测工件；撞击驱动机构用于驱动压杆机构内的压头挤压工件横移机构上装夹的被测工件。拉刀组件安装在压杆机构靠近工件横移机构的端部的一侧；所述的拉刀组件包括拉削刀具和拉削刀架。拉削刀架安装在底板上。拉削刀具安装在拉削刀架上，且刀齿朝向工件横移机构。拉削刀具用于在压印前将工件横移机构上装夹的被测工件外侧面的金属氧化层切除。

作为优选，所述的压杆机构包括入射支架、套筒、质量块、入射应变片、压头、入射杆和法兰。入射支架依次间隔安装在底板上。入射杆与入射支架构成滑动副。法兰、套筒、质量块均安装在入射杆的撞击输入端。法兰与入射杆固定，且与入射杆的撞击输入端端面平齐。套筒和质量块均与入射杆构成滑动副。压头与入射杆的撞击输出端固定；入射应变片安装入射杆上。

作为优选，所述的压杆机构还包括光电位移传感器。所述的压头与入射杆的撞击输出端通过压头连接器连接。光电位移传感器固定在最靠近工件横移机构的入射支架上，且检测头朝向压头连接器。

作为优选，所述套筒及质量块的重心均在入射杆的中心轴线上。套筒与法兰的横截面形状相同。质量块的横截面积大于套筒。套筒和质量块的材料均与入射杆的材料相同；套筒和质量块的长度均与撞击杆的长度相同。法兰的横截面外径与撞击杆的直径相等。

作为优选，所述的撞击驱动机构包括撞击支架和撞击杆。所述的撞击支架固定在底板上。水平设置的撞击杆与撞击支架构成滑动副；撞击杆与入射杆同轴设置。

作为优选，所述的撞击驱动机构还包括包括撞击应变片。撞击应变片安装在撞击杆上。

作为优选，所述的工件横移机构包括工件夹具、压力传感器、传感器支架和滑台模组。滑台模组安装在底板上，其滑板的滑动方向水平设置，且垂直于入射杆的轴线。传感器支架固定在滑板上。工件夹具通过压力传感器安装在传感器支架朝向压头的侧面上。

作为优选，拉削刀架的安装位置能够沿着入射杆的方向前后调整。

作为优选，所述的拉刀组件还包括切削液供给系统。切削液供给系统安装在工件横移机构上，且切削液喷头朝向工件横移机构上的工件夹具。

该新鲜金属表层动态流变力学特性测试装置的压痕测试方法的具体步骤如下：

步骤一、工作人员将被测工件装夹到工件横移机构上，使得被测工件的外侧面在拉削刀具的切削范围内。

步骤二、工件横移机构带动被测工件向拉削刀具移动，使得被测工件外侧面的金属氧化层和金属过渡层被拉削刀具切除，被测工件的新鲜金属层露出。

步骤三、工件横移机构继续带动被测工件移动，使得被测工件与压杆机构上的压头对齐。工作人员滑动入射杆，使得压头与被测工件接触。

步骤四、撞击驱动机构撞击入射杆，在入射杆中形成压缩波C_i；压缩波C_i沿着入射杆传播至压头，使得压头挤压被测工件，形成压痕。并且，压缩波C_i在压头处反射成向法兰传播的拉伸应力波T_i。压头挤压被测工件的过程中，入射应变片检测入射杆的入射应变信号ε_i(t)和反射应变信号ε_r(t)。

撞击驱动机构撞击入射杆的同时，也与法兰发生碰撞，从而在法兰中产生压缩波C_s传向套筒与质量块交界处发；压缩应力波C_s在套筒与质量块交界处反射后依然为压缩应力波C_s；反射后的压缩应力波C_s传至法兰再次反射形成拉伸应力波T_s传输向压头。

拉伸应力波T_s到达压头时，拉伸应力波T_i在法兰处反射成压缩波并传输到套筒中；拉伸应力波T_s使得入射杆向远离被测工件的一侧移动，法兰与套筒分离，压缩波C_i被保留在套筒中无法再影响入射杆，并最终被套筒和质量块吸收。

步骤五、通过入射应变片采集到的入射应变信号ε_i(t)和反射应变信号ε_r(t)，计算出入射杆的压印位移。利用压印位移、入射杆的长度弹性模量、横截面积和被测工件的厚度，通过应变公式计算得到被测工件新鲜金属层的动态应力－应变曲线。

本发明的有益效果：

1、本发明可以基于分离式霍普金森压杆装置和纳米压痕技术形成动态纳米压痕技术对拉削工件的新鲜金属层动态材料力学特性进行测试研究。能够为工件切削过程中最微观的接触面进行更深入的了解。拉刀的每次切削深度为2微米左右，在这一尺度下刚好能够把金属的表皮氧化层切除。这意味着刀齿在切削的过程中，刀刃始终是作用到新鲜金属上的。对于金属而言表层的氧化层和内部的新鲜金属具有较大的区别，而本发明的新鲜金属层的动态纳米压痕转置，能够实现对新鲜金属层的微观动态力学性能测试研究。

2、本发明通过对实际的切削过程的模拟，基于界面效应对新鲜金属层的切削液界面效果作用下的动态力学性能进行测试研究。切削液的界面效应表明在金属层表面喷洒了切削液后，切削液会渗透到金属表层中，起到软化金属的作用。对于新鲜金属的界面效应与氧化层的界面效应具有很大的不同，而本发明能够对新鲜金属层切削液界面效应作用下的动态力学性能进行测试研究。上述两点能够极大地促进对微观切削力学的研究。

附图说明

图1a为本发明的整体结构立体图。

图1b为本发明中压杆机构、工件横移机构、拉刀组件连接处的局部放大示意图。

图2为本发明的检测过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

如图1a所示，一种新鲜金属表层动态流变力学特性测试装置，包括底板1、撞击驱动机构、压杆机构、工件横移机构、拉刀组件和控制器。撞击驱动机构、压杆机构和工件横移机构均安装在底板1上，且依次排列。撞击驱动机构驱动压杆机构内的压头挤压工件横移机构上装夹的被测工件11，使得入射杆在被测工件11上撞出压痕。拉刀组件安装在压杆机构靠近工件横移机构的端部的一侧；在入射杆撞击被测工件11前，用拉刀组件上安装的拉削刀具17去除被测工件11的外侧面上的金属氧化层，使得测试更加精准。

撞击驱动机构包括撞击应变片2、撞击支架3和撞击杆22。撞击支架3固定在底板上。撞击支架3上固定有第一直线轴承。水平设置的撞击杆22安装在撞击支架3的第一直线轴承内，构成滑动副；撞击应变片2安装在撞击杆22的侧面，用于对经过撞击杆22的应力波进行监测。

如图1a和1b所示，压杆机构包括入射支架4、套筒5、质量块6、入射应变片7、光电位移传感器8、压头连接器9、压头19、入射杆20和法兰21。三个入射支架4依次间隔安装在底板1上。入射杆20与三个入射支架4分别通过第二直线轴承构成滑动副。入射杆20与撞击杆22同轴设置。法兰21、套筒5、质量块6均安装在入射杆20的撞击输入端。法兰21与入射杆20固定，且与入射杆20的撞击输入端端面平齐。套筒5和质量块6均与入射杆20构成滑动副。套筒5及质量块6的重心均在入射杆20的中心轴线上。法兰21的横截面外径与撞击杆22的直径相等。套筒5与法兰21的横截面形状相同。质量块6的横截面积大于套筒5。套筒5与最靠近撞击驱动机构的入射支架4构成滑动副。套筒5和质量块的材料均与入射杆的材料相同；套筒5和质量块的长度均与撞击杆的长度相同。法兰21、套筒5、质量块6沿着入射杆20的撞击输入端向撞击输出端的方向依次排列并紧挨在一起，共同构成压杆机构的冲击波消除装置。

压头19与入射杆20的撞击输出端通过压头连接器9固定连接；具体的，入射杆20与压头连接器9通过螺纹连接，压头19通过紧定螺钉固定在压头连接器9上。入射应变片7贴在入射杆20的侧面上；光电位移传感器8固定在最靠近工件横移机构的入射支架4上，且检测头朝向压头连接器9。光电位移传感器8通过检测自身与压头连接器9的距离变化，实现对入射杆20位移量的检测；光电位移传感器8检测到的位移值与根据入射应变片7所得入射应变信号、反射应变信号计算出的位移值能够相互印证，确保检测结果的精准可靠。入射应变片7贴在入射杆20上，且位于质量块6与压头19之间。

工件横移机构包括工件夹具12、压力传感器13、传感器支架14、滑板15和滑台模组16。滑台模组16安装在底板上，其滑板15的滑动方向水平设置，且垂直于入射杆的轴线。滑台模组16通过伺服电机、丝杆和螺母相配合，驱动滑板15进行滑动。传感器支架14固定在滑板15上。工件夹具12通过压力传感器13安装在传感器支架14朝向压头19的侧面上。工件夹具12用于装夹被测工件11。压力传感器13用于监测被测工件11在压印时受到的压力(即为负载)。

拉刀组件包括拉削刀具17、拉削刀架18和切削液供给系统10。拉削刀架18安装在底板上。拉削刀具17螺钉安装在拉削刀架18上，且刀齿朝向工件横移机构，刀齿排列方向平行于滑板15的滑动方向。拉削刀架18的安装位置能够沿着入射杆20的方向前后调整，从而根据被测公工件材料、尺寸的不同调整切削量。切削液供给系统10的切削液喷头安装在滑板15上，且朝向工件夹具12；用于在拉削被测工件11时提供切削液。切削液供给系统10的最大流量为0-200ml/min，应变率范围为0.01s^-1至10⁴s^-1。光电位移传感器8、应变片和压力传感器均与控制器连接。控制器采用的单片机。

如图2所示，进行压印试验前，滑台模组16带动被测工件11向拉削刀具17滑动，当被测工件11与拉削刀具17接触时如图2第一阶段所示；之后拉削刀具17切削被测工件11如图2所示第二阶段，被测工件11的表层的金属氧化层被逐渐切除；最后，被测工件11上的金属氧化层和金属过渡层被完全切除，新鲜金属层暴露出来。进行压印实验时，被测工件11与压头19下方对齐；冲击波发生装置向撞击杆22输入一个预设的冲击波，使得撞击杆22撞击入射杆20，入射杆20将冲击波传输到压头19上，使得压头19挤压被测工件11暴露出的新鲜金属层，完成动态压痕过程。

该新鲜金属表层动态流变力学特性测试装置的压痕测试方法的具体步骤如下：

步骤一、滑台模组16驱动工件夹具12移动至拉削刀具17远离压头的一侧，以便于后续的拉削。

步骤二、工作人员将被测工件11装夹到工件夹具12上，使得被测工件11的外侧面在拉削刀具17的切削范围内。

步骤三、设定切削运动所需要工况，包括切削液供给系统10的切削液流量、测试应变率。切削液供给系统10根据设定好的切削液流量将切削液喷射到被测工件11；当切削液供给系统10喷射的切削液呈现稳定喷射状态后进行下一步骤。

步骤四、滑台模组16带动被测工件11向拉削刀具17移动；被测工件11经过保持固定的拉削刀具17的过程中，被测工件11外侧面的金属氧化层和金属过渡层被拉削刀具17切除，使得被测工件11的新鲜金属层露出。

步骤五、滑台模组16继续带动被测工件11移动，使得被测工件11与压头19对齐。之后，滑台模组16保持锁止。工作人员滑动入射杆，使得压头19与被测工件11接触。

步骤六、初始状态下，法兰21、套筒5和质量块6依次接触。冲击波发生装置驱动撞击杆22以预设的速度撞击入射杆20，在入射杆20中形成压缩波C_i；压缩波C_i沿着入射杆20传播至压头19，使得压头挤压被测工件11，形成压痕。并且，压缩波C_i在压头处反射成向法兰传播的拉伸应力波T_i。

撞击杆22在撞击入射杆20的同时也会和法兰21发生碰撞，从而在法兰21中产生压缩波C_s传向套筒5与质量块6交界处发生反射传播方向改变；由于质量块的横截面积大于衬套的横截面积，所以压缩应力波C_s在反射后依然为压缩应力波C_s；反射后的压缩应力波C_s传至法兰21再次反射形成拉伸应力波T_s传输向压头。

拉伸应力波T_s到达压头时，拉伸应力波T_i在法兰处反射成压缩波并传输到套筒5中；由于拉伸应力波T_s到达压头并反射时带动入射杆和法兰21向远离被测工件11的方向移动，使得法兰21与套筒5分离，故压缩波C_i被保留在套筒5中无法再影响入射杆，并最终被套筒5和质量块6吸收。

之后，拉伸应力波T_s在入射杆内往复传播，使得压头19持续远离被测工件11，避免被测工件11被连续压印多次。

压头19挤压被测工件11的过程中，由于压头19与被测工件11的波阻不同，因此当应力波到达入射杆与工件的交界处时将在两者的交界处发生反射信号ε_r(t)和入射信号ε_i(t)。压力传感器检测被测工件受到的载荷(即压力)，入射应变片7检测入射杆20的入射应变信号ε_i(t)和反射应变信号ε_r(t)，并传输给控制器。

步骤七、控制器通过入射应变片7采集到的入射应变信号ε_i(t)和反射应变信号ε_r(t)，基于一维弹性波理论得到入射杆20真实的在应力波作用下的压印位移。利用压印位移、入射杆20的长度弹性模量、横截面积和被测工件11的厚度，通过应变公式计算得到被测工件11新鲜金属层的应力和应变的数学模型，根据此模型求得被测工件11新鲜金属层的动态应力－应变曲线，从而分析新鲜金属层在动态加载条件下的塑性性能。

此外，控制器计算得到被测工件11新鲜金属层在压印过程中的最大压深(即最大位移量)、压头最大速度、入射杆应变率、压头位移随时间变化曲线、载荷随压深变化曲线和载荷随时间变化曲线。从而实现对被测工件的金属表面动态流变力学特性的全面检测和分析。

Claims (8)

1.一种新鲜金属表层动态流变力学特性测试方法，其特征在于：采用的新鲜金属表层动态流变力学特性测试装置包括底板、撞击驱动机构、压杆机构、工件横移机构、拉刀组件和控制器；撞击驱动机构、压杆机构和工件横移机构均安装在底板上，且依次排列；压杆机构用于压印被测工件；撞击驱动机构用于驱动压杆机构内的压头挤压工件横移机构上装夹的被测工件；拉刀组件安装在压杆机构靠近工件横移机构的端部的一侧；所述的拉刀组件包括拉削刀具和拉削刀架；拉削刀架安装在底板上；拉削刀具安装在拉削刀架上，且刀齿朝向工件横移机构；拉削刀具用于在压印前将工件横移机构上装夹的被测工件外侧面的金属氧化层切除；

所述的压杆机构包括入射支架、套筒、质量块、入射应变片、压头、入射杆和法兰；入射支架依次间隔安装在底板上；入射杆与入射支架构成滑动副；法兰、套筒、质量块均安装在入射杆的撞击输入端；法兰与入射杆固定，且与入射杆的撞击输入端端面平齐；套筒和质量块均与入射杆构成滑动副；压头与入射杆的撞击输出端固定；入射应变片安装入射杆上；

该新鲜金属表层动态流变力学特性测试方法，包括以下步骤：

步骤一、工作人员将被测工件装夹到工件横移机构上，使得被测工件的外侧面在拉削刀具的切削范围内；

步骤二、工件横移机构带动被测工件向拉削刀具移动，使得被测工件外侧面的金属氧化层和金属过渡层被拉削刀具切除，被测工件的新鲜金属层露出；

步骤三、工件横移机构继续带动被测工件移动，使得被测工件与压杆机构上的压头对齐；工作人员滑动入射杆，使得压头与被测工件接触；

步骤四、撞击驱动机构撞击入射杆，在入射杆中形成压缩波C_i；压缩波C_i沿着入射杆传播至压头，使得压头挤压被测工件，形成压痕；并且，压缩波C_i在压头处反射成向法兰传播的拉伸应力波T_i；压头挤压被测工件的过程中，入射应变片检测入射杆的入射应变信号εi(t)和反射应变信号εr(t)；

撞击驱动机构撞击入射杆的同时，也与法兰发生碰撞，从而在法兰中产生压缩应力波C_s传向套筒与质量块交界处；压缩应力波C_s在套筒与质量块交界处反射后依然为压缩应力波C_s；反射后的压缩应力波C_s传至法兰再次反射形成拉伸应力波T_s传输向压头；

拉伸应力波T_s到达压头时，拉伸应力波T_i在法兰处反射成压缩波并传输到套筒中；拉伸应力波T_s使得入射杆向远离被测工件的一侧移动，法兰与套筒分离，压缩波C_i被保留在套筒中无法再影响入射杆，并最终被套筒和质量块吸收；

步骤五、通过入射应变片采集到的入射应变信号εi(t)和反射应变信号εr(t)，计算出入射杆的压印位移；利用压印位移、入射杆的长度弹性模量、横截面积和被测工件的厚度，通过应变公式计算得到被测工件新鲜金属层的动态应力－应变曲线。

2.根据权利要求1所述的一种新鲜金属表层动态流变力学特性测试方法，其特征在于：所述的压杆机构还包括光电位移传感器；所述的压头与入射杆的撞击输出端通过压头连接器连接；光电位移传感器固定在最靠近工件横移机构的入射支架上，且检测头朝向压头连接器。

3.根据权利要求1所述的一种新鲜金属表层动态流变力学特性测试方法，其特征在于：所述套筒及质量块的重心均在入射杆的中心轴线上；套筒与法兰的横截面形状相同；质量块的横截面积大于套筒；套筒和质量块的材料均与入射杆的材料相同；套筒和质量块的长度均与撞击驱动机构中的撞击杆的长度相同；法兰的横截面外径与撞击杆的直径相等。

4.根据权利要求1所述的一种新鲜金属表层动态流变力学特性测试方法，其特征在于：所述的撞击驱动机构包括撞击支架和撞击杆；所述的撞击支架固定在底板上；水平设置的撞击杆与撞击支架构成滑动副；撞击杆与入射杆同轴设置。

5.根据权利要求4所述的一种新鲜金属表层动态流变力学特性测试方法，其特征在于：所述的撞击驱动机构还包括撞击应变片；撞击应变片安装在撞击杆上。

6.根据权利要求1所述的一种新鲜金属表层动态流变力学特性测试方法，其特征在于：所述的工件横移机构包括工件夹具、压力传感器、传感器支架、滑板和滑台模组；滑台模组安装在底板上，其滑板的滑动方向水平设置，且垂直于入射杆的轴线；传感器支架固定在滑板上；工件夹具通过压力传感器安装在传感器支架朝向压头的侧面上。

7.根据权利要求1所述的一种新鲜金属表层动态流变力学特性测试方法，其特征在于：拉削刀架的安装位置能够沿着入射杆的方向前后调整。

8.根据权利要求1所述的一种新鲜金属表层动态流变力学特性测试方法，其特征在于：所述的拉刀组件还包括切削液供给系统；切削液供给系统安装在工件横移机构上，且切削液喷头朝向工件横移机构上的工件夹具。

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