CN111855432A - 高温高应变率下钛合金材料应力应变曲线测试装置及方法 - Google Patents

高温高应变率下钛合金材料应力应变曲线测试装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于材料力学性能测试领域,公开了一种高温高应变率下钛合金材料应力应变曲线测试装置及方法,测试装置包括:能量模块、施力模块、变形模块、测量模块和处理模块;能量模块用于提供第一脉冲电流和第二脉冲电流;施力模块用于产生脉冲电磁力;变形模块用于在通入第一脉冲电流后对待测的钛合金试样进行预加热使其达到目标温度,并在脉冲电磁力的作用下使得待测的钛合金试样产生高速的拉伸变形;测量模块用于采集应变和速度数据以及温度数据;处理模块用于根据应变和速度数据以及温度数据获得高温高应变率下钛合金材料应力应变曲线。本发明可以直接获得真实的温度、应变率、应变和应力数据,测试准确度非常高。

Description

高温高应变率下钛合金材料应力应变曲线测试装置及方法
技术领域
本发明属于材料力学性能测试领域,更具体地,涉及一种高温高应变率下钛合金材料应力应变曲线测试装置及方法。
背景技术
钛及其合金具有诸多的优点,如低密度、低弹性模量、高比强度、耐腐蚀以及耐高温等,是一种用于航空航天、海洋石油、化工冶金、生物医疗等工程技术及高科技领域中的关键性基础材料。《中国制造2025》等文件中均提出大力推动航空航天、海洋工程等高端装备领域的突破发展,因此对钛合金材料有巨大的需求。
钛合金强度高,延伸率低,成形难度较大,工业中多采用热成形技术加工钛合金零件,目前也有学者采用电磁成形技术以及电磁-热复合成形技术进行加工。加工过程中,钛合金的温度可以达到800℃以上的高温,同时瞬时的脉冲电磁力作用可以使钛合金的应变率达到103/s以上。钛合金材料在高温下的热效应以及高应变率效应的共同作用下,其成形性能能够得到有效的提升,从而实现钛合金零件的高质量成形加工。因此,准确获取钛合金材料在高温和高应变率下的应力应变曲线,对于其成形加工过程有着重要的指导意义。
现有专利文献CN 109781531 A中提出一种预测材料高温高应变率下的应力应变曲线的方法,采用分子动力学的仿真模拟方法来间接获得应力应变曲线。该专利的核心思想是准确获取材料的仿真参数,即在常温低应变率下,通过对比测试与仿真的结果,迭代优化得到最佳的材料仿真参数,之后采用这组参数在高温高应变率下仿真,获得高温高应变率下的材料应力应变曲线。但这种方式假定了材料的仿真参数不随温度和应变率变化,而实际中材料的参数必然发生变化,因此这也导致了仿真模拟的方法预测得到的材料高温高应变率下的应力应变曲线的准确度低。
采用试验测试方法的测试准确度会高于仿真模拟方法,但现有的试验测试技术仅针对高温或高应变率一种条件下获取金属的应力应变曲线。针对高应变率的有三种方法:霍普金森杆、高速拉伸试验机、电磁成形测试装置。专利文献CN 106872296 A中提出了一种钛合金动态力学性能的测试方法,采用改进后的霍普金森压杆装置提高了测试精度;专利文献CN 108593429 A中提出一种材料高速拉伸应力应变测试设备及方法,通过高速拉伸试验机实现材料的高速拉伸应力应变的测试。霍普金森杆和高速拉伸试验机能够提供较高的应变率,但其变形力为机械力,而钛合金电磁成形中的变形力为电磁力,是非接触施力,且伴随有较大的脉冲电流施加于钛合金材料中,因此测试结果存在较大的误差。专利文献CN102944474 B中提出一种高速率单向拉伸试验装置及方法,通过在拉伸试样下方放置线圈,施加电磁力拉伸试样。但这种方式采用的是感应式的电磁成形方法,线圈需要紧靠试样,整个装置比较复杂,且这种方式中线圈容易损坏,寿命短。
因此,寻求一种能够准确测试钛合金材料在高温和高应变率下的应力应变曲线的装置与方法,对钛合金的电磁-热成形过程的研究极为重要。
发明内容
针对现有技术的缺陷,本发明的目的在于提供一种高温高应变率下钛合金材料应力应变曲线测试方法,旨在解决现有测试技术中存在的仿真预测方法的准确度低、试验测试方法无法同时在高温和高应变率两种条件下进行测量的问题。本发明提供了一种高温高应变率下钛合金材料应力应变曲线测试装置,包括:能量模块、施力模块、变形模块、测量模块和处理模块;能量模块的第一输出端与变形模块连接,用于为变形模块提供第一脉冲电流,能量模块的第二输出端与施力模块连接,用于为施力模块提供第二脉冲电流;施力模块用于在通入第二脉冲电流后产生脉冲电磁力;变形模块用于在通入第一脉冲电流后对待测的钛合金试样进行预加热使其达到目标温度,并在脉冲电磁力的作用下使得待测的钛合金试样产生高速的拉伸变形;测量模块用于采集钛合金试样在拉伸变形过程中的应变和速度数据以及钛合金试样的温度数据;处理模块用于根据应变和速度数据以及温度数据获得高温高应变率下钛合金材料应力应变曲线。
更进一步地,能量模块包括:第一脉冲电源和第二脉冲电源;第一脉冲电源的输出端与变形模块连接,用于为变形模块提供第一脉冲电流;第二脉冲电源的输出端与施力模块连接,用于为施力模块提供第二脉冲电流;第一脉冲电流的脉宽大于第二脉冲电流的脉宽。
更进一步地,施力模块为圆角矩形结构的亥姆霍兹线圈;亥姆霍兹线圈由一对完全相同的导体线圈串联组成,每个导体线圈的半径等于两导体线圈之间的距离。
更进一步地,施力模块包括:线圈骨架、线圈法兰、铜导线、铜电极、连接平台和第一紧固螺栓;铜导线缠绕在所述线圈骨架上,通过第一紧固螺栓将线圈法兰与所述线圈骨架固定,通过铜电极引出导线与第二脉冲电源相连;连接平台为U形凹槽式结构,用于连接构成亥姆霍兹线圈的两个子线圈,且其上部两侧具有用于固定钛合金试样的定位螺栓孔。
更进一步地,变形模块包括:导电板、压边板和第二紧固螺栓;工作时,在所述导电板和所述压边板之间设置钛合金试样,通过所述第二紧固螺栓将压边板、钛合金试样、导电板和所述连接平台固定;第一脉冲电源通过所述导电板对钛合金试样放电,对钛合金试样进行预加热使其达到目标温度;第二脉冲电源对亥姆霍兹线圈放电并产生同频率的脉冲磁场,且该脉冲磁场均匀作用于所述钛合金试样区域并产生脉冲电磁力使得钛合金试样发生高速的拉伸变形。
更进一步地,导电板为梯形导电板,且梯形导电板的短边与第一脉冲电源的导线相连,梯形导电板的长边与钛合金试样相连,由于钛合金试样端部较宽,采用这样的梯形结构能够保证流入钛合金试样的脉冲电流均匀分布。
更进一步地,测量模块包括:第一采集模块和第二采集模块;第一采集模块设置在钛合金试样的侧方,用于在钛合金试样的拉伸变形过程中采集所述钛合金试样的应变和速度数据;第二采集模块设置在所述钛合金试样的上方,用于检测所述钛合金试样上表面的中心温度并采集钛合金试样的温度数据。
本发明的目的还在于提供一种高温高应变率下钛合金材料应力应变曲线测试装置,旨在解决现有的测试装置结构复杂且线圈易损坏的问题。
本发明还提供了一种高温高应变率下钛合金材料应力应变曲线测试方法,包括下述步骤:
S1:在连接平台上按照定位螺栓孔依次设置导电板、钛合金试样和压边板,通过紧固螺栓固定,并将导电板与第一脉冲电源相连,将亥姆霍兹线圈与第二脉冲电源相连;
S2:将第一采集模块对准钛合金试样的侧方中部,第二采集模块对准钛合金试样的上表面中部,并将第一采集模块和第二采集模块分别与数据处理系统相连;
S3:根据预设的温度值设定第一脉冲电源的放电电压以及第一脉冲电源和第二脉冲电源之间的放电时序间隔;根据预设的应变率并结合第一脉冲电源的脉冲电流值设定第二脉冲电源的放电电压;
S4:通过第一脉冲电源对钛合金试样进行预加热使其达到预设的温度值,通过第二脉冲电源对亥姆霍兹线圈放电并产生高速的脉冲电磁力驱动钛合金试样产生高速拉伸变形;
通过第一采集模块获得所述钛合金试样的拉伸变形过程中的应变和速度数据,通过第二采集模块获得所述钛合金试样的温度数据;
S5:采用数据处理系统根据应变和速度数据以及温度数据获得高温高应变率下钛合金材料应力应变曲线。
其中,当需要测试不同温度和应变率组合下的应力应变曲线时,设置新的钛合金试样并在所述步骤S4之后且所述步骤S5之前还包括下述步骤:
通过改变预设的温度值并重复上述步骤S3和S4后获得不同温度下的测试数据;
通过改变预设的应变率值并重复上述步骤S3和S4后获得不同应变率下的测试数据。
更进一步地,通过调节第一脉冲电源的放电电压实现温度值的改变,并通过调节第二脉冲电源的放电电压确保每次测试时的应变率不变。
更进一步地,通过调节第二脉冲电源的放电电压实现应变率值的改变,并通过控制第一脉冲电源的放电电压以及第一脉冲电源和第二脉冲电源之间放电时序间隔均不发生变化来确保每次测试时的温度不变。
与现有技术相比,本发明具有以下的有益效果:
(1)本发明采用了脉冲电流预热以及直接放电式电磁成形驱动变形的试验测试方法来测量钛合金材料在高温和高应变率下的应力应变曲线,相比于现有的仿真模拟的预测方法,能够通过高速数字摄像机和高速红外测温仪直接获得真实的温度、应变率、应变、应力数据,因此测试准确度非常高。
(2)本发明能够同时在高温和高应变率条件下测试钛合金材料的应力应变曲线,与实际工业中的钛合金零件的成形加工环境相匹配。
(3)本发明采用了直接放电式的电磁成形方法,相比于感应式的电磁成形方法,该方法采用了亥姆霍兹线圈对试样提供磁场,脉冲电源对试样提供脉冲电流的方式得到电磁力,从而驱动试样发生拉伸变形,极大地简化了装置结构,提升了线圈的使用寿命,降低了成本。同时,脉冲电源直接对钛合金试样通入脉冲电流,可以简单快捷地实现钛合金试样的预加热,为测试提供高温条件。
(4)本发明采用两套脉冲电源进行放电,能够实现温度与应变率的任意调控,实现不同温度、不同应变率组合下的钛合金材料应力应变曲线测试,扩大了测试范围。
(5)本发明使用的梯形导电板和哑铃状钛合金试样,能够使脉冲电流均匀流过钛合金试样,使得试样温度的空间分布均匀,提升温度数据的测试准确性。
综上,本发明利用直接放电式的电磁成形方法,实现了同时在高温和高应变率条件下测试钛合金材料的应力应变曲线,并且温度与应变率可任意调控任意组合,同时简化了装置结构,降低了成本,增加了测试的准确性。
附图说明
图1是本发明提供的应力应变曲线测试装置的功能模块框图;
图2是本发明提供的一种用于高温高应变率下钛合金材料的应力应变曲线测试装置的结构示意图;
图3是本发明提供的梯形导电板与哑铃状钛合金坯料的结构示意图,同时显示了脉冲电流与脉冲磁场的方向;
图4是本发明提供的应力应变曲线测试方法的流程图;
图5是本发明提供的两套脉冲电源放电产生的电流图;
图6是本发明提供的相同应变率,不同温度条件下测试时的电流对比图;其中,(a)为第①次测试(预设温度为T1)时的电流对比图;(b)为第②次测试(预设温度为T2)时的电流对比图;
图7是本发明提供的相同温度,不同应变率条件下测试时的电流对比图;其中,(a)为第①次测试(预设应变率为dε1/dt)时的电流对比图;(b) 为第②次测试(预设应变率为dε2/dt)时的电流对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
如图1所示,本发明提供了一种高温高应变率下钛合金材料应力应变曲线测试装置,包括:能量模块1、施力模块2、变形模块3、测量模块4 和处理模块5;其中能量模块1、施力模块2和变形模块3共同作用实现钛合金试样在高温和高应变率下的拉伸变形,测量模块4和处理模块5共同作用以实现变形过程的实时数据测量以及应力应变曲线的获取。具体地:能量模块1的第一输出端与变形模块3连接,用于为变形模块3提供第一脉冲电流,能量模块1的第二输出端与施力模块2连接,用于为施力模块2 提供第二脉冲电流;施力模块2用于在通入第二脉冲电流后产生脉冲电磁力;变形模块3用于在通入第一脉冲电流后对待测的钛合金试样进行预加热使其达到目标温度,并在脉冲电磁力的作用下使得待测的钛合金试样产生高速的拉伸变形;测量模块4用于采集钛合金试样在拉伸变形过程中的应变和速度数据以及钛合金试样的温度数据;处理模块5用于根据应变和速度数据以及温度数据获得高温高应变率下钛合金材料应力应变曲线。
其中,能量模块1包括:第一脉冲电源和第二脉冲电源;第一脉冲电源的输出端与变形模块3连接,用于为变形模块3提供第一脉冲电流;第二脉冲电源输出端与施力模块2连接,用于为施力模块2提供第二脉冲电流;第一脉冲电流的脉宽大于第二脉冲电流的脉宽。
作为本发明的一个实施例,第一脉冲电流与变形模块中的梯形导电板相连,可提供长脉宽的脉冲电流,脉宽为毫秒级,第二脉冲电流与施力模块的亥姆霍兹线圈的铜电极相连,可提供短脉宽的脉冲电流,脉宽为微秒级。
在本发明实施例中,施力模块2可以为圆角矩形结构的亥姆霍兹线圈。
其中,施力模块2包括:线圈骨架、线圈法兰、铜导线、铜电极、连接平台和第一紧固螺栓;铜导线缠绕在线圈骨架上,通过第一紧固螺栓将线圈法兰与线圈骨架固定,通过铜电极引出导线与第二脉冲电源相连;连接平台为U形凹槽式结构,用于连接构成亥姆霍兹线圈的两个子线圈,且其上部两侧具有用于固定钛合金试样的定位螺栓孔。
进一步优选地,线圈骨架、线圈法兰和连接平台的材料可以为环氧树脂板。
作为本发明的一个实施例,变形模块3包括:导电板、压边板和第二紧固螺栓;工作时,在导电板和所述压边板之间设置钛合金试样,通过第二紧固螺栓将压边板、钛合金试样、导电板和连接平台固定;第一脉冲电源通过导电板对钛合金试样放电,对钛合金试样进行预加热使其达到目标温度;第二脉冲电源对亥姆霍兹线圈放电并产生同频率的脉冲磁场,且该脉冲磁场均匀作用于钛合金试样区域并产生脉冲电磁力使得钛合金试样发生高速的拉伸变形。
其中,钛合金试样的形状为哑铃状,钛合金试样的材料可以选择任意牌号的钛合金。
进一步优选地,导电板的材料可以为黄铜,导电板可以为梯形导电板结构,梯形结构的短边与第一脉冲电源的导线相连,长边与钛合金试样相连,如图2和图3所示。由于钛合金试样端部较宽,采用这样的梯形结构能够保证流入钛合金试样的脉冲电流均匀分布。
其中,压边板的材料为环氧树脂板,具有强度高、绝缘的特性。
在本发明实施例中,测量模块4包括:第一采集模块和第二采集模块;第一采集模块设置在钛合金试样的侧方,用于在钛合金试样的拉伸变形过程中采集钛合金试样的应变和速度数据;第二采集模块设置在钛合金试样的上方,用于检测钛合金试样上表面的中心温度并采集所述钛合金试样的温度数据。
作为本发明的一个实施例,第一采集模块可以采用高速数字摄像机,第二采集模块可以采用高速红外测温仪,其中,高速数字摄像机的镜头正对钛合金试样侧方,确保能完整观测整个试样的拉伸变形过程,采集试样的应变和速度数据;高速红外测温仪放于钛合金试样上方,使其能够测试钛合金试样上表面的中心温度,采集试样的温度数据。
其中,高速数字摄像机的拍摄速率需要达到106帧/s以上。高速红外测温仪的响应时间需要小于10μs,测温范围需要达到1000℃。
处理模块为数据处理系统,与高速数字摄像机和高速红外测温仪相连,用于处理获取的实时数据,得到钛合金试样的应力应变曲线。
本发明还提供了一种高温高应变率下钛合金材料应力应变曲线测试方法,包括下述步骤:
S1:在连接平台上按照定位螺栓孔依次设置导电板、钛合金试样和压边板,通过紧固螺栓固定,并将导电板与第一脉冲电源相连,将亥姆霍兹线圈与第二脉冲电源相连;
S2:将第一采集模块对准钛合金试样的侧方中部,第二采集模块对准钛合金试样的上表面中部,并将第一采集模块和第二采集模块分别与数据处理系统相连;
S3:根据预设的温度值设定第一脉冲电源的放电电压以及第一脉冲电源和第二脉冲电源之间的放电时序间隔;根据预设的应变率并结合第一脉冲电源的脉冲电流值设定第二脉冲电源的放电电压;
S4:通过第一脉冲电源对钛合金试样进行预加热使其达到预设的温度值,通过第二脉冲电源对亥姆霍兹线圈放电并产生高速的脉冲电磁力驱动钛合金试样产生高速拉伸变形;
通过第一采集模块获得所述钛合金试样的拉伸变形过程中的应变和速度数据,通过第二采集模块获得所述钛合金试样的温度数据;
S5:采用数据处理系统根据应变和速度数据以及温度数据获得高温高应变率下钛合金材料应力应变曲线。
在本发明实施例中,当需要测试不同温度和应变率组合下的应力应变曲线时,设置新的钛合金试样并在所述步骤S4之后且所述步骤S5之前还包括下述步骤:
通过改变预设的温度值并重复上述步骤S3和S4后获得不同温度下的测试数据;
通过改变预设的应变率值并重复上述步骤S3和S4后获得不同应变率下的测试数据。
进一步优选地,可以通过调节第一脉冲电源的放电电压实现温度值的改变,并通过调节第二脉冲电源的放电电压确保每次测试时的应变率不变;
进一步优选地,可以通过调节第二脉冲电源的放电电压实现应变率值的改变,并通过控制第一脉冲电源的放电电压以及第一脉冲电源和第二脉冲电源之间放电时序间隔均不发生变化来确保每次测试时的温度不变。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的高温高应变率下钛合金材料应力应变曲线测试装置及方法,现结合附图及具体实例详述如下:
结合图1~图7具体说明本实施方式,本实施方式的用于高温高应变率下钛合金材料的应力应变曲线测试装置,包括能量模块(脉冲电源1a和1b)、施力模块(亥姆霍兹线圈)、变形模块(钛合金试样3-1、梯形导电板3-2a 和3-2b、压边板3-3a和3-3b)、测量模块(高速数字摄像机4-1、高速红外测温仪4-2)、处理模块(数据处理系统5)以及多个紧固螺栓。
在本发明实施例中,如图1和图3所示,能量模块包括两套脉冲电源, 1a和1b。第一脉冲电源1a正极与变形模块的梯形导电板3-2a相连,负极与梯形导电板3-2b相连;第二脉冲电源1b正极与施力模块的铜电极2-6a 相连,负极与铜电极2-6b相连。1a对变形模块的钛合金试样3-1放电,产生的脉冲电流I1的脉宽为毫秒级;1b对施力模块的亥姆霍兹线圈放电,产生的脉冲电流I2的脉冲为微秒级。
在本发明实施例中,如图1和图3所示,施力模块为圆角矩形结构的亥姆霍兹线圈,这种结构的最大优势是能够增加钛合金试样区域的磁场均匀度,从而使得脉冲电磁力均匀作用在试样上,另外矩形结构便于整个装置的安放。整个线圈由线圈骨架2-1、铜导线2-2、线圈法兰2-3、连接平台 2-4、铜电极2-6a和2-6b以及多个紧固螺栓2-5构成。亥姆霍兹线圈是由两个完全一样的小线圈串联而成,其中每个小线圈的铜导线2-2均缠绕在线圈骨架2-1上,之后将两块线圈法兰2-3按照螺孔的位置放于线圈骨架两侧,并通过紧固螺栓固定,最后通过铜电极2-6a和2-6b将导线引出,与第二脉冲电源1b相连。小线圈制作完成后,将U形凹槽式结构的连接平台2-4放置于两个小线圈之间,通过凹槽处的空隙将两线圈串联起来,并在其中填充环氧固化剂进行加固,亥姆霍兹线圈就制作完成了。U形连接平台的上方两侧具有定位螺孔,可固定钛合金试样3-1。线圈骨架2-1、线圈法兰2-3、连接平台2-4材料为环氧树脂,铜导线2-2为线圈绕制常用的紫铜导线。
在本发明实施例中,如图1、图2和图3所示,变形模块包括钛合金试样3-1、梯形导电板3-2a和3-2b、压边板3-3a和3-3b以及紧固螺栓3-4。钛合金试样3-1为哑铃状的结构,钛合金试样可以使用任意牌号的钛合金材料。两块梯形导电板3-2a、3-2b具有定位螺孔,放置于连接平台2-4上面,再放上钛合金试样3-1和两块压边板3-3a、3-3b,通过4个紧固螺栓3-4固定。其中,压边板为环氧树脂材料;梯形导电板为黄铜材料。梯形导电板的结构,以及哑铃状的钛合金试样结构,能够使第一脉冲电源1a放电产生的脉冲电流均匀流过钛合金试样,保证试样温升均匀,受力均匀,增加测试的准确性。测试试验中流过钛合金试样的脉冲电流以及空间中脉冲磁场的方向如图2所示。
在本发明实施例中,如图1和图3所示,测量模块包括高速数字摄像机4-1和高速红外测温仪4-2。高速数字摄像机4-1放于亥姆霍兹线圈前方,使镜头正对钛合金试样3-1,确保能完整观测整个试样的拉伸变形过程,采集试样的应变和速度数据。高速红外测温仪4-2放于钛合金试样3-1上方,使其能够测试钛合金试样上表面的中心温度,采集试样的温度数据。处理模块的数据处理系统5与高速数字摄像机4-1和高速红外测温仪4-2相连,用于处理数据,得到钛合金试样的应力应变曲线。
本发明实施例提供的一种用于高温高应变率下钛合金材料的应力应变曲线测试装置的测试方法,方法流程图见图4,具体包括下述步骤:
步骤一:将制备好的钛合金试样放入梯形导电板和压边板之间,并按照亥姆霍兹线圈的连接平台上的定位螺孔放好,通过紧固螺栓固定,将梯形导电板与第一脉冲电源1a相连,亥姆霍兹线圈的铜电极与第二脉冲电源 1b相连;
步骤二:将高速数字摄像机对准钛合金试样的侧方中部,确保能拍摄到整个试样,高速红外测温仪对准钛合金试样的上表面中部,并将摄像机和测温仪与数据处理系统相连;
步骤三:根据预设的温度值,设定第一脉冲电源的放电电压U1,和两套电源之间的放电时序间隔。根据预设的应变率(即钛合金试样变形时的脉冲电磁力的大小),结合第一套电源的脉冲电流值,设定第二脉冲电源的放电电压U2;
步骤四:设定好参数后,脉冲电源1a和1b进行放电,钛合金试样发生拉伸变形,同时高速数字摄像机、高速红外测温仪以及数据处理系统也进行工作。结合图1和图5对钛合金试样拉伸变形的过程进行说明。
首先,在t1=0时刻,第一脉冲电源1a对钛合金试样放电,脉冲电流I1 流过钛合金试样,能够预加热试样,使其达到预设的温度值。其次,在t2 时刻,第二脉冲电源1b对亥姆霍兹线圈放电得到脉冲电流I2,I2会在空间中产生同频率的脉冲磁场。钛合金试样中的脉冲电流I1与这个脉冲磁场相互作用,产生微秒级的脉冲电磁力,实现钛合金试样的高应变率拉伸变形,直至t3时刻钛合金试样断裂,脉冲电流I1降为0。脉冲电流I1与I2的时序关系如图5所示,其中t1~t2为预加热阶段,t2~t3为拉伸变形阶段。最后,高速数字摄像机在整个过程中拍摄试样的拉伸变形过程,获取应变与速度数据。高速红外测温仪测量试样变形期间的温度,获取温度数据。这些数据将传递至数据处理系统进行集中处理。
本次测试完毕后,如还需要测试不同温度和应变率组合下的应力应变曲线,则继续进行步骤五和步骤六,如不需要测试不同组合,则直接进行步骤七。
步骤五:改变预设的温度值,放入新的钛合金试样,重复步骤三和步骤四,实现相同应变率,不同温度下的测试。结合图1、图5和图6进行说明。
在本具体实施方式中,如图6所示,图6(a)中为第①次测试时的电流对比图,在此测试中钛合金试样的预设温度为T1;图6(b)中为第②次测试时的电流对比图,在此测试中希望仅改变温度值,使其预设温度为T2 (T1>T2)。预设的温度值与脉冲电流I1相关,由于T2小于T1,因此需要在第①次测试的脉冲电流I1的基础上降低I1,即降低第一脉冲电源1a的放电电压U1的值。应变率与脉冲电磁力相关,而脉冲电磁力与脉冲电流I1 以及脉冲电流I2产生的脉冲磁场相关。因此,当脉冲电流I1降低后,为了确保第②次测试时的应变率与第①次测试时一致,需要保证脉冲电磁力不变,即需要增大产生脉冲电磁力的脉冲磁场,即增大脉冲电流I2,即增大第二脉冲电源1b的放电电压U2的值。
步骤六:改变预设的应变率值,放入新的钛合金试样,重复步骤三和步骤四,实现相同温度,不同应变率下的测试。结合图1、图5和图7进行说明。
在本具体实施方式中,如图7所示,图7(a)中为第①次测试时的电流对比图,在此测试中钛合金试样的预设应变率为dε1/dt;图7(b)中为第②次测试的电流对比图,在此测试中希望仅改变应变率值,使其预设应变率为dε2/dt(dε1/dt<dε2/dt)。温度与脉冲电流I1相关,为了确保第②次测试时的温度与第①次测试时一致,脉冲电流I1不变,即第一脉冲电源1a 的放电电压U1的值不变。应变率与脉冲电磁力相关,而脉冲电磁力与脉冲电流I1以及脉冲电流I2产生的脉冲磁场相关。由于dε2/dt大于dε1/dt,并且脉冲电流I1不变,因此需要增大脉冲电流I2产生的脉冲磁场,即在第①次测试的脉冲电流I2的基础上增加I2,即增加第二脉冲电源1b的放电电压U2的值。
步骤七:数据处理系统处理高速数字摄像机拍摄得到的一系列照片,获取钛合金试样变形的应变与速度数据,并结合材料动力学理论得到应力数据和应变率数据。读取测温仪测量的试样变形期间的温度,取其平均值作为此次变形的温度。通过一系列的温度、应变率、应变、应力数据,得到钛合金材料在不同高温、不同高应变率的组合下的应力应变曲线。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高温高应变率下钛合金材料应力应变曲线测试装置,其特征在于,包括:能量模块(1)、施力模块(2)、变形模块(3)、测量模块(4)和处理模块(5);
所述能量模块(1)的第一输出端与所述变形模块(3)连接,用于为所述变形模块(3)提供第一脉冲电流,所述能量模块(1)的第二输出端与所述施力模块(2)连接,用于为所述施力模块(2)提供第二脉冲电流;
所述施力模块(2)用于在通入所述第二脉冲电流后产生脉冲电磁力;
所述变形模块(3)用于在通入所述第一脉冲电流后对待测的钛合金试样进行预加热使其达到目标温度,并在所述脉冲电磁力的作用下使得待测的钛合金试样产生高速的拉伸变形;
所述测量模块(4)用于采集所述钛合金试样在拉伸变形过程中的应变和速度数据以及所述钛合金试样的温度数据;
所述处理模块(5)用于根据应变和速度数据以及温度数据获得高温高应变率下钛合金材料应力应变曲线。
2.如权利要求1所述的测试装置,其特征在于,所述能量模块包括:第一脉冲电源和第二脉冲电源;
所述第一脉冲电源的输出端与所述变形模块(3)连接,用于为所述变形模块(3)提供第一脉冲电流;
所述第二脉冲电源的输出端与所述施力模块(2)连接,用于为所述施力模块(2)提供第二脉冲电流;
所述第一脉冲电流的脉宽大于所述第二脉冲电流的脉宽。
3.如权利要求1或2所述的测试装置,其特征在于,所述施力模块(2)为圆角矩形结构的亥姆霍兹线圈,包括:线圈骨架、线圈法兰、铜导线、铜电极、连接平台和第一紧固螺栓;
所述铜导线缠绕在所述线圈骨架上,通过所述第一紧固螺栓将所述线圈法兰与所述线圈骨架固定,通过所述铜电极引出导线与所述第二脉冲电源相连;
所述连接平台为U形凹槽式结构,用于连接构成亥姆霍兹线圈的两个子线圈,且其上部两侧具有用于固定钛合金试样的定位螺栓孔。
4.如权利要求3所述的测试装置,其特征在于,所述变形模块(3)包括:导电板、压边板和第二紧固螺栓;
工作时,在所述导电板和所述压边板之间设置钛合金试样,通过所述第二紧固螺栓将压边板、钛合金试样、导电板和所述连接平台固定;
所述第一脉冲电源通过所述导电板对钛合金试样放电,对钛合金试样进行预加热使其达到目标温度;
所述第二脉冲电源对亥姆霍兹线圈放电并产生同频率的脉冲磁场,且该脉冲磁场均匀作用于所述钛合金试样区域并产生脉冲电磁力使得钛合金试样发生高速的拉伸变形。
5.如权利要求4所述的测试装置,其特征在于,所述导电板为梯形导电板;所述梯形导电板的短边与第一脉冲电源的导线相连,所述梯形导电板的长边与钛合金试样相连。
6.如权利要求1-5任一项所述的测试装置,其特征在于,所述测量模块(4)包括:第一采集模块和第二采集模块;
所述第一采集模块设置在所述钛合金试样的侧方,用于在所述钛合金试样的拉伸变形过程中采集所述钛合金试样的应变和速度数据;
所述第二采集模块设置在所述钛合金试样的上方,用于检测所述钛合金试样上表面的中心温度并采集所述钛合金试样的温度数据。
7.一种高温高应变率下钛合金材料应力应变曲线测试方法,其特征在于,包括下述步骤:
S1:在连接平台上按照定位螺栓孔依次设置导电板、钛合金试样和压边板,通过紧固螺栓固定,并将导电板与第一脉冲电源相连,将亥姆霍兹线圈与第二脉冲电源相连;
S2:将第一采集模块对准钛合金试样的侧方中部,第二采集模块对准钛合金试样的上表面中部,并将第一采集模块和第二采集模块分别与数据处理系统相连;
S3:根据预设的温度值设定第一脉冲电源的放电电压以及第一脉冲电源和第二脉冲电源之间的放电时序间隔;根据预设的应变率并结合第一脉冲电源的脉冲电流值设定第二脉冲电源的放电电压;
S4:通过第一脉冲电源对钛合金试样进行预加热使其达到预设的温度值,通过第二脉冲电源对亥姆霍兹线圈放电并产生高速的脉冲电磁力驱动钛合金试样产生高速拉伸变形;
通过第一采集模块获得所述钛合金试样的拉伸变形过程中的应变和速度数据,通过第二采集模块获得所述钛合金试样的温度数据;
S5:采用数据处理系统根据应变和速度数据以及温度数据获得高温高应变率下钛合金材料应力应变曲线。
8.如权利要求7所述的测试方法,其特征在于,当需要测试不同温度和应变率组合下的应力应变曲线时,设置新的钛合金试样并在所述步骤S4之后且所述步骤S5之前还包括下述步骤:
通过改变预设的温度值并重复上述步骤S3和S4后获得不同温度下的测试数据;
通过改变预设的应变率值并重复上述步骤S3和S4后获得不同应变率下的测试数据。
9.如权利要求8所述的测试方法,其特征在于,通过调节第一脉冲电源的放电电压实现温度值的改变,并通过调节第二脉冲电源的放电电压确保每次测试时的应变率不变。
10.如权利要求8所述的测试方法,其特征在于,通过调节第二脉冲电源的放电电压实现应变率值的改变,并通过控制第一脉冲电源的放电电压以及第一脉冲电源和第二脉冲电源之间放电时序间隔均不发生变化来确保每次测试时的温度不变。
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