CN112179753A - 一种评价金属材料韧脆转变行为的装置及方法 - Google Patents

一种评价金属材料韧脆转变行为的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种评价金属材料韧脆转变行为的装置及方法，包括下模具、上模具、传载球、加热台、万能试验机及传载杆；下模具的上表面设置有凹槽，样品位于所述凹槽内，上模具的底部设置有凸起，所述凸起插入于圆形槽内，上模具上设置有通孔，所述通孔正对样品，传载球位于所述通孔内，且传载球与样品的表面相接触，传载杆的下端插入于通孔内后与传载球相接触，上模具上设置有槽孔，下模具的表面设置有凹槽，所述凹槽与槽孔组成热电偶槽；下模具位于加热台上，万能试验机的压头位于传载杆的正上方，热电偶槽内插入有热电偶，该装置及方法能够较为准确的评价金属材料的韧脆转变行为。

Description

一种评价金属材料韧脆转变行为的装置及方法
技术领域
本发明属于金属材料的性能测试领域，涉及一种评价金属材料韧脆转变行为的装置及方法。
背景技术
钨(W)作为熔点最高(约3410℃)的金属材料，具有高密度、高强度、优异的导热性、低的热膨胀系数和高的抗核辐射等优点，在军工国防、航空航天、电子工业以及辐射屏蔽等领域有着不可替代的作用。此外，钨还具有良好的抗粒子溅射能力和低氢(H/D/T)滞留的特性，被认为是未来核聚变装置中面向等离子体的第一候选材料。然而，实际应用的多晶钨材料具有低室温韧性和高韧脆转变温度(DBTT)的缺点，在室温下通常表现出脆性行为，因而极大地限制了钨的加工和广泛应用。
材料的韧脆转变特性非常的重要，它直接影响到了材料的应用范围。在新材料的研发过程中，如何简洁、准确以及快速的确定材料的韧脆转变温度是目前研究的一个热点。在工业中用于评价韧脆转变的方法是1900年由Georges Augustin Albert Charpy发明的夏比冲击实验(Charpy impact test)。在该实验中，将带有V型或U型缺口的试样(10mm×10mm×55mm)固定在实验机上，在规定条件(包括高温，室温和低温)下通过摆锤打击缺口试样，然后通过测定冲击吸收的能量来确定材料的韧脆转变行为。
现今阶段，对核电站组件进行可靠的结构评估对核电站的安全运行起着至关重要的作用。运用夏比冲击实验进行实验评估时，需要制造大量的材料，模拟辐照后进行相应的力学性能测试。所需标样的尺寸和工艺极大地增加了时间和成本。同时，在该实验中，人为引入的缺口在受到作用力时会出现应力集中，从而加速裂纹的扩展。传统方法中，由于缺口的引入以及较大的应变速率，将会使测得的韧脆转变温度高于材料实际的转变温度，因此不能准确评价金属材料的韧脆转变行为。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种评价金属材料韧脆转变行为的装置及方法，该装置及方法能够较为准确的评价金属材料的韧脆转变行为。
为达到上述目的，本发明所述的评价金属材料韧脆转变行为的装置包括下模具、上模具、传载球、加热台、万能试验机及传载杆；
下模具的上表面设置有凹槽，样品位于所述凹槽内，上模具的底部设置有凸起，所述凸起插入于圆形槽内，上模具上设置有通孔，所述通孔正对样品，传载球位于所述通孔内，且传载球与样品的表面相接触，传载杆的下端插入于通孔内后与传载球相接触，上模具上设置有槽孔，下模具的表面设置有凹槽，所述凹槽与槽孔组成热电偶槽；
下模具位于加热台上，万能试验机的压头位于传载杆的正上方，热电偶槽内插入有热电偶。
上模具与下模具之间通过螺柱相连接。
一种评价金属材料韧脆转变行为的方法包括以下步骤：
1)对样品进行预处理；
2)将样品放置于圆形槽中，然后将上模具与下模具固定，再在通孔内放入传载球，然后插入传载杆，使得传载杆的下端面与传载球相接触，将万能试验机的压头放置于传载杆的上方，并将下模具放置到加热台上；
3)向热电偶槽内插入于热电偶，并开启加热台，当热电偶测量得到的温度达到预设温度时进行保温；
4)通过万能试验机压头以预设应变速率对传载杆进行加载，并绘制载荷-位移曲线；
5)重复步骤2)、步骤3)及步骤4)，测量不同温度下的载荷-位移曲线；
6)根据步骤5)绘制的不同温度下的载荷-位移曲线评价金属材料韧脆转变行为。
步骤1)的具体操作为：获取表面光亮且没有划痕的样品，再将样品清洗及烘干后测量样品的厚度，然后进行电化学抛光，去除机械研磨时产生的应力层。
利用酒精及丙酮对样品进行超声清洗，清洗时间为5min。
步骤3)中保温的时间为10min。
测量过程中的温度范围为0-500℃。
传载球的半径为2mm，传载球的材质为Si3N4。
热电偶采用双通道K型热电偶。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的评价金属材料韧脆转变行为的装置及方法在具体操作时，通过加热台对样品进行加热，同时通过万能试验机压头以预设应变速率对传载杆进行加载，以精确控制应变速率，同时绘制不同温度下的载荷-位移曲线，再根据不同温度下的载荷-位移曲线评价金属材料韧脆转变行为，以准确的评价金属材料的韧脆转变行为，测试效率较高。
附图说明
图1为本发明评价金属材料韧脆转变行为的工序流程图；
图2为本发明的剖面结构图；
图3为实施实例一中金属材料的载荷-位移曲线；
图4为实施实例一中金属材料的形变形貌图。
其中，1为传载杆、2为上模具、3为螺柱、4为热电偶槽、5为传载球、6为样品、7为下模具。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的评价金属材料韧脆转变行为的装置包括下模具7、上模具2、传载球5、加热台、万能试验机及传载杆1；下模具7的上表面设置有凹槽，样品6位于所述凹槽内，上模具2的底部设置有凸起，所述凸起插入于圆形槽内，上模具2上设置有通孔，所述通孔正对样品6，传载球5位于所述通孔内，且传载球5与样品6的表面相接触，传载杆1的下端插入于通孔内后与传载球5相接触，上模具2上设置有槽孔，下模具7的表面设置有凹槽，所述凹槽与槽孔组成热电偶槽4；下模具7位于加热台上，万能试验机的压头位于传载杆1的正上方，热电偶槽4内插入有热电偶，上模具2与下模具7之间通过螺柱3相连接。
参考图1，本发明所述的评价金属材料韧脆转变行为的方法包括以下步骤：
1)对样品6进行预处理；
2)将样品6放置于圆形槽中，然后将上模具2与下模具7固定，再在通孔内放入传载球5，然后插入传载杆1，使得传载杆1的下端面与传载球5相接触，将万能试验机的压头放置于传载杆1的上方，并将下模具7放置到加热台上；
3)向热电偶槽4内插入于热电偶，并开启加热台，当热电偶测量得到的温度达到预设温度时进行保温；
4)通过万能试验机压头以预设应变速率对传载杆1进行加载，并绘制载荷-位移曲线；
5)重复步骤2)、步骤3)及步骤4)，测量不同温度下的载荷-位移曲线；
6)根据步骤5)绘制的不同温度下的载荷-位移曲线评价金属材料韧脆转变行为。
步骤1)的具体操作为：获取表面光亮且没有划痕的样品6，再将样品6清洗及烘干后测量样品6的厚度，然后进行电化学抛光，去除机械研磨时产生的应力层。其中，利用酒精及丙酮对样品6进行超声清洗，清洗时间为5min。
步骤3)中保温的时间为10min。
测量过程中的温度范围为0-500℃。
传载球5的半径为2mm，传载球5的材质为Si3N4。
热电偶采用双通道K型热电偶。
实施例一
本实施例的具体过程为：
1)通过电火花线切割机制得尺寸为6×6×0.5mm3的多晶钨样品6。分别在目数为#400，#800，#1200，#2000，#3000，#5000的Si3C4砂纸上对试样上下表面进行机械研磨，然后对样品6上下表面进行机械抛光，直至样品6表面光亮，没有划痕。
2)通过螺旋测微器对样品6的厚度进行测试，确保样品6的厚度差在±5μm范围内。
3)使用酒精及丙酮对金属表面进行超声清洗5分钟，并烘干。
4)在浓度为0.45％的NaOH水溶液中，对样品6进行电化学抛光，去除样品6表面因机械研磨而产生的应力层。
5)将样品6放在圆形槽中，其中，抛光面朝下放置，然后缓慢放置上模具2，用两个M6×18的螺柱3固定上模具2及下模具7，使得上模具2及下模具7相互配合，在通孔中放入Si3N4传载球5，相继缓慢放入传载杆1，使得传载球5和传载杆1相互接触，再将整个装置放置于加热台上，并使万能试验机的压头正对传载杆1的上端；
6)开启加热台，同时将K型热电偶插入到热电偶槽4内，达到预设温度后，保温10分钟；
7)通过万能试验机对传载杆1进行加载，其中，加载速率为0.4mm/s。加载完毕后，拟合载荷-位移曲线；
8)实验在不同温度环境下重复步骤5)至步骤7)，其中，以20℃为温度梯度，包括40℃，60℃，80℃，100℃，120℃，140℃，160℃和180℃；
9)通过分析不同温度下材料的载荷-位移曲线以及样品6变形后的形貌，确定该材料的韧脆转变温度(在韧脆转变点，韧性材料和脆性材料的曲线和形貌有明显差异)。
参考图3，多晶钨在不同温度下实验得到载荷-位移曲线，该金属样品6在100℃进行实验时的曲线可知，在该温度下，样品6脆断；该样品6在120℃进行实验时的曲线可知，该温度下样品6可以实现良好的塑性延伸，并且经过载荷顶点后出现了应变软化的现象，说明在120℃时，该金属材料可以进行良好的塑性变形，表现出优异的韧性，通过对比不同温度下多晶钨的载荷-位移曲线，可以确定该材料的韧脆转变温度在100℃-120℃之间。
参考图4，对不同温度下测试的多晶钨进行形貌观察，在加载过程中，样品6表面会出现两种形式的裂纹(“环形”和“星形”)。在100℃测试的样品6中，沿着径向出现了较长的“星形”裂纹，这种裂纹的扩展将会使材料迅速失效，表现出脆性；在120℃测试的样品6中，出现了较短的“星形”裂纹，表明“星型”裂纹沿着径向难以扩展，因此在该温度下，材料的断裂主要由“环形”剪切断裂控制，使得材料表现出良好的韧性，进一步证明该材料的韧脆转变温度在100℃-120℃之间。
需要说明的是，若要继续精确韧脆转变温度的范围，只需按照本发明中提供的方法进一步缩小测温温度梯度即可。
另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (9)

1.一种评价金属材料韧脆转变行为的装置，其特征在于，包括下模具(7)、上模具(2)、传载球(5)、加热台、万能试验机、传载杆(1)；
下模具(7)的上表面设置有凹槽，样品(6)位于所述凹槽内，上模具(2)的底部设置有凸起，所述凸起插入于圆形槽内，上模具(2)上设置有通孔，所述通孔正对样品(6)，传载球(5)位于所述通孔内，且传载球(5)与样品(6)的表面相接触，传载杆(1)的下端插入于通孔内后与传载球(5)相接触，上模具(2)上设置有槽孔，下模具(7)的表面设置有凹槽，所述凹槽与槽孔组成热电偶槽(4)；
下模具(7)位于加热台上，万能试验机的压头位于传载杆(1)的正上方，热电偶槽(4)内插入有热电偶。
2.根据权利要求1所述的评价金属材料韧脆转变行为的装置，其特征在于，上模具(2)与下模具(7)之间通过螺柱(3)相连接。
3.一种评价金属材料韧脆转变行为的方法，其特征在于，基于权利要求1所述的评价金属材料韧脆转变行为的装置，包括以下步骤：
1)对样品(6)进行预处理；
2)将样品(6)放置于圆形槽中，然后将上模具(2)与下模具(7)固定，再在通孔内放入传载球(5)，然后插入传载杆(1)，使得传载杆(1)的下端面与传载球(5)相接触，将万能试验机的压头放置于传载杆(1)的上方，并将下模具(7)放置到加热台上；
3)向热电偶槽(4)内插入于热电偶，并开启加热台，当热电偶测量得到的温度达到预设温度时进行保温；
4)通过万能试验机压头以预设应变速率对传载杆(1)进行加载，并绘制载荷-位移曲线；
5)重复步骤2)、步骤3)及步骤4)，测量不同温度下的载荷-位移曲线；
6)根据步骤5)绘制的不同温度下的载荷-位移曲线评价金属材料韧脆转变行为。
4.根据权利要求3所述的评价金属材料韧脆转变行为的方法，其特征在于，步骤1)的具体操作为：获取表面光亮且没有划痕的样品(6)，再将样品(6)清洗及烘干后测量样品(6)的厚度，然后进行电化学抛光，去除机械研磨时产生的应力层。
5.根据权利要求4所述的评价金属材料韧脆转变行为的方法，其特征在于，利用酒精及丙酮对样品(6)进行超声清洗，清洗时间为5min。
6.根据权利要求3所述的评价金属材料韧脆转变行为的方法，其特征在于，步骤3)中保温的时间为10min。
7.根据权利要求3所述的评价金属材料韧脆转变行为的方法，其特征在于，测量过程中的温度范围为0-500℃。
8.根据权利要求3所述的评价金属材料韧脆转变行为的方法，其特征在于，传载球(5)的半径为2mm，传载球(5)的材质为Si3N4。
9.根据权利要求3所述的评价金属材料韧脆转变行为的方法，其特征在于，热电偶采用双通道K型热电偶。
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