CN112198187A - 一种基于纵向应变测量热膨胀仪同步测量径向应变的方法 - Google Patents

一种基于纵向应变测量热膨胀仪同步测量径向应变的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于纵向应变测量热膨胀仪同步测量径向应变的方法，该处理方法将纵向应变测量用刚玉或石英支架顶杆进行改造以达到同时测量纵向应变和径向应变的目的；将刚玉或石英支架顶杆与样品接触的端部增设带支撑簧片的杠杆部件，杠杆前端在支撑簧片的作用下与测试样品紧密接触，杠杆后端与角度或长度引伸传感系统连接从而获取角度或长度变化，由此获取的角度或长度变化通过计算即可获得测试样品的径向应变；本发明解决了现有纵向应变测量热膨胀仪窄小空间无法增设耐高温直接接触型伸长计及光学伸长计进行径向应变的测量的缺憾，拓展了纵向应变测量热膨胀仪的应用功能，且改造方法简便易行。

Description

一种基于纵向应变测量热膨胀仪同步测量径向应变的方法
技术领域
本发明涉及金属材料热膨胀检测技术领域，具体涉及一种基于纵向应变测量热膨胀仪同步测量径向应变的方法。
背景技术
金属材料是工业应用中不可或缺的重要型材，而热处理是研究金属材料合成和应用的重要工艺方法之一。通过对金属材料科学设计加热和冷却的处理工艺可以使得相关金属材料获得特定的功用性能或进一步改善其性能。而金属材料的应用过程中其多维方向（各向异性材料）的热/力学性能将严重影响其组成的构件的使用性能。如文献《热膨胀对于飞机装配工艺的影响》（工业技术2018年16期）中提到飞机装配中由于热膨胀所产生的影响包括：影响工件尺寸及外形；部件对接互换；工件与工艺装备之间的协调；同一工艺装备上构件之间的协调等。因此，如需考虑各种结构件配合时所能够允许的热膨胀公差，则在材料检测过程中可获取相关材料的不同维度的热膨胀性能分析是存在必要性的。
再者，材料的热稳定性与其热膨胀系数有着紧密的联系。金属和合金在加热和冷却时将发生相变，特别是钢，钢是一种具有多型性相变的金属，其高温组织（奥氏体）及其产物（铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体）具有不同比容，它的热膨胀特性取决于其复杂的组织结构，相变发生时组织结构发生变化将引起其体积的改变。专利公告号为CN111366606A的《一种基于膨胀曲线的热处理变形预测方法》中即在合金钢试块上沿三个不同方向切取试样，对所切取的三个试样进行热处理，依次分别测定了其在三个方向的膨胀量，得到了热处理温度与径向（纵向）和轴向膨胀量的膨胀曲线。计算应变量，试样经热处理后，在轴向（纵向）和径向上均发生尺寸收缩，应变量分别为2 .13μm和9 .81μm。；钢在轧制方向和垂直于轧制方向由于工艺细节的不同，而存在受力情况、成分分布、组织结构生长差异等因素，导致在热处理条件下呈现各向异性的热学性能；导致不同样品存在测量的差异性。
在中华人民共和国黑色冶金行业标准《YB/T2127-2018钢的临界点测量膨胀法》中规定钢棒材取样为测量试样的纵向应变（试样长度方向产生的单位长度的变化）沿着轧制方向，并且试样要与伸长计传输杆在同一轴线上，而径向测量（试样直径方向产生的单位长度的变化）时要求测量位置在试样的中间位置附近；以LINSEIS的L78淬火热膨胀仪举例子，此仪器采用的是磁感应加热方式，加热时磁感应线圈环套于加热样品上，样品周围空间仅1cm左右；只能对工件的纵向应变的实时检测；无法在加热到预设温度时，进行实时径向向应变的检测。
本发明所涉及的一种纵向应变测量热膨胀仪扩展为同时测量径向应变的处理方法解决了现有纵向应变测量热膨胀仪窄小空间无法进行径向应变的测量的缺憾，而且本方法将杠杆前端的微小变化量通过杠杆的短长臂变化进行了放大，在同一试样上同时获取径向和纵向应变量的实时变化情况，避免了试样差异性带来的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于纵向应变测量热膨胀仪同步测量径向应变的方法，用于解决现有技术中热膨胀仪加热样品，无法同步测量纵向应变和径向应变的问题。
本发明采用的技术方案如下：一种测量纵向应变和径向应变的支架，包括支架顶杆、杠杆、杠杆轴部以及支撑件；支架顶杆的一端与杠杆轴部可以是一体式成型，支架顶杆的一端与杠杆轴部还可以是彼此固定的方式；杠杆与杠杆轴部转动连接；杠杆的一侧为短臂部分，杠杆的另一侧为长臂部分；杠杆的短臂部分的顶端在支撑件的作用下与试样的中部紧密接触；所述支架顶杆、杠杆、杠杆轴部为刚玉或者石英任一种材质；所述杠杆为板状，杠杆的短臂部分端部光滑。
基于角度检测进行同步测量纵向应变和径向应变的方法一，该方法包括以下步骤：
（1）将待测样品采用所述纵向应变和径向应变支架固定于热膨胀仪上，样品与支架顶杆同轴线；杠杆短臂部分的顶端在支撑簧片的作用下与试样的中部位置紧密接触；
（2）测量杠杆的短臂长度为
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
，杠杆的长臂长度为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004A
，杠杆初始角度为
Figure DEST_PATH_IMAGE006A
；
（3）待测样品被推杆移动至加热的磁感应线圈内，按照相关检验规范，通过软件设定的温控流程，热膨胀仪加热或冷却到实验指定温度；
（4）通过角度测量装置，获取不同温度下，杠杆短臂端部随样品径向变化起伏而实时测量的角度为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE008A
；
（5） 样品的径向应变高度变化量ΔH1可由公式
Figure DEST_PATH_IMAGE010
计算而得；
（6）采集的样品的纵向应变变化量，随温度或时间的关系在与热膨胀仪的连接的终端上进行显示。
可选的，杠杆的实时测量的角度
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE008AA
可通过量角器、塞尺、激光角度测量、角度引伸计任一种测得。
基于长度检测进行同步测量纵向应变和径向应变的方法二：该方法包括以下步骤：
（1）将待测样品采用所述纵向应变和径向应变支架固定于热膨胀仪上，样品与支架顶杆同轴线；杠杆短臂部分的顶端在支撑簧片的作用下与试样的中部位置紧密接触；
（2）测量杠杆的短臂长度为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002AA
，杠杆的长臂长度为
Figure DEST_PATH_IMAGE004AA
，杠杆短臂端部的初始高度为
Figure DEST_PATH_IMAGE012
，杠杆长臂端部的初始高度
Figure DEST_PATH_IMAGE014
；
（3）待测样品被推杆移动至加热的磁感应线圈内，按照相关检验规范，通过软件设定的温控流程，热膨胀仪加热或冷却到实验指定温度；
（4）通过长度测量装置，获取不同温度下杠杆长臂端部的实时高度为
Figure DEST_PATH_IMAGE016
；
（5）样品的径向应变高度变化量ΔH1可由公式
Figure DEST_PATH_IMAGE018
；
（6）采集的样品的纵向应变变化量，随温度或时间的关系在与热膨胀仪的连接的终端上进行显示。
进一步，所述杠杆长臂端部的实时高度
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE016A
可以通过游标卡尺、光电传感器、长度引伸计任一种进行测量。
本发明的有益效果在于：本申请可对现有技术中热膨胀仪加热样品，同步进行纵向应变和径向应变的测量，解决了现有纵向应变测量热膨胀仪窄小空间无法进行径向应变的测量的缺憾。
此外，本发明还具备如下特点：
1.在本申请中，杠杆、杠杆轴部以及支撑件，对称设置于支架顶杆的两端，对称设置后，杠杆可以在初始安装试样时起到定位的作用，而且对称设置可以获得获得径向应变的测量的多组数据；求数据的平均数，从而得到一个更准确的径向应变量；当然也可以沿着四周多个角度进行设置；取得多个位置的变化量。
2.杠杆及杠杆轴部均为耐高温部件，且具有低热膨胀特性；可以选择本领域常规材料刚玉或者石英；杠杆的短臂部分，其端部光滑，与打磨抛光的试样中部尽可能的减少摩擦。
3.杠杆的长臂部分可设置为杠杆的短臂部分的整数倍（根据杠杆的长臂长度与杠杆的短臂长度的比例得出），杠杆前端的微小变化量被通过杠杆的短长臂变化进行了放大，便于测量；同时杠杆的长臂部分设于磁感应加热线圈外，从而降低热膨胀仪的磁感应线圈对测量装置的影响。
4.在本申请中，角度测量装置或长度测量装置还可以是电子类的测量装置，例如激光角度测量、角度引伸计、光电传感器、长度引伸计等，检测的数值通过算法得出径向应变的实时变化量，通过显示器显示出变化曲线。
5.在同一试样上同时获取径向和纵向应变避免了试样差异性带来的影响的同时节约了试样成本；对现有设备简单改造，降低了试验成本，操作简便易行。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图。
图2为本发明的爆炸机构示意图。
图3为本发明的多组测量结构示意图一。
图4为本发明的多组测量结构示意图二。
图5为本发明杠杆侧面结构示意图。
图6为杠杆的初始测量时位置和实时测量位置示意简图。
图中：支架顶杆1、杠杆2、杠杆轴部3、支撑件4。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍，以下所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制。
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，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以LINSEIS的L78淬火热膨胀仪举例子，此仪器采用的是磁感应加热方式，加热时磁感应线圈环套于加热样品上，致使其样品周围空间仅1cm左右。纵向应变测量同时进行径向应变的测量则需要将相关测量伸长计置于高温且有限的空间内，对伸长计要求较高；所以现有的做法是，只能制作好纵向样品后，单独测量纵向应变；或者制作好径向样品后，单独测量径向应变测量；无法对纵向应变和径向应变进行同步检测；而且钢在轧制方向和垂直于轧制方向由于工艺细节的不同，而存在受力情况、成分分布、组织结构生长差异等因素，导致在热处理条件下呈现各向异性的热学性能；单独测量径向应变和纵向应变时，现有的方式需制取不同的样品；导致不同样品存在测量的差异性。
结合图1至图6对本发明作进一步详细说明，一种测量纵向应变和径向应变的支架，其原理结构如下；包括支架顶杆1、杠杆2、杠杆轴部3以及支撑件4；支架顶杆1与杠杆轴部3一体式成型，杠杆2与杠杆轴部3转动连接；杠杆2的右侧为短臂部分，杠杆2的左侧为长臂部分；杠杆2的短臂部分的顶端在支撑件4的作用下与试样的中部紧密接触，支撑件4为可变形的弹性件，例如弹簧；其中，杠杆2及杠杆轴部3均为耐高温部件，且具有低热膨胀特性；可以选择本领域常规材料刚玉或者石英；杠杆2的短臂部分，其端部光滑，与打磨抛光的试样中部尽可能的减少摩擦。
杠杆2、杠杆轴部3以及支撑件4，对称设置于支架顶杆1的两端，对称设置后，杠杆2可以在初始安装工件时起到定位的作用，而且对称设置可以获得获得径向应变的测量的多组数据；求数据的平均数，从而得到一个更准确的径向应变量；当然也可以沿着四周多个角度进行设置；取得多个位置的变化量。
方法一是基于角度检测进行同步测量纵向应变和径向应变，该方法包括以下步骤：
（1）将待测样品采用所述纵向应变和径向应变支架固定于热膨胀仪上，样品与支架顶杆同轴线；杠杆短臂部分的顶端在支撑簧片的作用下与试样的中部位置紧密接触；
（2）测量杠杆的短臂长度为
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAA
，杠杆的长臂长度为
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAA
，杠杆初始角度为
Figure DEST_PATH_IMAGE006AA
；
（3）待测样品被推杆移动至加热的磁感应线圈内，按照相关检验规范，通过软件设定的温控流程，热膨胀仪加热或冷却到实验指定温度；
（4）通过角度测量装置，获取不同温度下，杠杆短臂端部随样品径向变化起伏而实时测量的角度为
Figure DEST_PATH_IMAGE008AAA
；
（5） 样品的径向应变高度变化量ΔH1可由公式
Figure DEST_PATH_IMAGE010AA
计算而得；
（6）采集的样品的纵向应变变化量，随温度或时间的关系在与热膨胀仪的连接的终端上进行显示。
方法二是基于长度检测进行同步测量纵向应变和径向应变：该方法包括以下步骤：
（1）将待测样品采用所述纵向应变和径向应变支架固定于热膨胀仪上，样品与支架顶杆同轴线；杠杆短臂部分的顶端在支撑簧片的作用下与试样的中部位置紧密接触；
（2）测量杠杆的短臂长度为
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAA
，杠杆的长臂长度为
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAA
，杠杆短臂端部的初始高度为
Figure DEST_PATH_IMAGE012AA
，杠杆长臂端部的初始高度
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE014A
；
（3）待测样品被推杆移动至加热的磁感应线圈内，按照相关检验规范，通过软件设定的温控流程，热膨胀仪加热或冷却到实验指定温度；
（4）通过长度测量装置，获取不同温度下杠杆长臂端部的实时高度为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE016AA
；
（5）样品的径向应变高度变化量ΔH1可由公式
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE018A
；
（6）采集的样品的纵向应变变化量，随温度或时间的关系在与热膨胀仪的连接的终端上进行显示。
在本申请中，杠杆2的短臂部分，其长度
Figure DEST_PATH_IMAGE020
；杠杆2的长臂部分，其长度根据放大需要及实际空间限制进行设定；杠杆2的长臂部分可设置为杠杆2的短臂部分的三倍，也可以是三十倍，根据变化的实际情况取倍数，将杠杆2的长臂部分设于磁感应加热线圈外，从而降低热膨胀仪的磁感应线圈对测量装置的影响。
角度测量装置可以选用现有的机械式角度测量装置,如量角器、塞尺等，测量实验指定温度时的实施角度，得到实验温度时的径向应变数值；角度测量装置还可以是电子类的测量装置，例如激光角度测量、角度引伸计等，可以检测出杠杆的角度变化，进而通过算法得出径向应变的实时变化量，通过显示器显示出变化曲线；长度测量装置可以选用现有的机械式的长度测量装置，如游标卡尺等，测量实验指定温度时的实时长度变化，进而计算得到实验温度时的径向应变数值；长度测量装置还可以是电子类的测量装置，例如光电传感器、长度引伸计等，可以检测出杠杆的高度变化，进而通过算法得出径向应变的实时变化量，通过显示器显示出变化曲线。
实施例一
通过LINSEIS的L78淬火热膨胀仪进行检测，标准试样通常为Ф4mm×10mm；试样的取样满足中华人民共和国黑色冶金行业标准YB/T5127-2018《钢的临界点测量 膨胀法》中6取样要求和7试样要求提到的各项要求；支架顶杆直径为标准的Ф4mm，杠杆轴部的轴高2.5mm、宽2mm，杠杆短臂的长度
Figure DEST_PATH_IMAGE022
；杠杆长臂的长度19.5mm。
尽管参照前述实例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行和修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种测量纵向应变和径向应变的支架，包括支架顶杆、杠杆、杠杆轴部以及支撑件；其特征在于：支架顶杆的一端与杠杆轴部固定，杠杆与杠杆轴部转动连接；杠杆的一侧为短臂部分，杠杆的另一侧为长臂部分；杠杆的短臂部分的顶端在支撑件的作用下与试样的中部紧密接触。
2.根据权利要求1所述的一种测量纵向应变和径向应变的支架，其特征在于：所述支架顶杆、杠杆、杠杆轴部为刚玉或者石英任一种材质。
3.根据权利要求1所述的一种测量纵向应变和径向应变的支架，其特征在于：所述杠杆为板状。
4.根据权利要求3所述的一种测量纵向应变和径向应变的支架，其特征在于：所述杠杆的短臂部分端部光滑。
5.一种应用权利要求1所述支架的基于纵向应变测量热膨胀仪同步测量径向应变的方法一，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将待测样品采用所述纵向应变和径向应变支架固定于热膨胀仪上，样品与支架顶杆同轴线；杠杆短臂部分的顶端在支撑簧片的作用下与试样的中部位置紧密接触；
（2）测量杠杆的短臂长度为
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，杠杆的长臂长度为
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，杠杆初始角度为
Figure DEST_PATH_IMAGE006
；
（3）待测样品被推杆移动至加热的磁感应线圈内，按照相关检验规范，通过软件设定的温控流程，热膨胀仪加热或冷却到实验指定温度；
（4）通过角度测量装置，获取不同温度下，杠杆短臂端部随样品径向变化起伏而实时测量的角度为
Figure DEST_PATH_IMAGE008A
；
（5） 样品的径向应变高度变化量ΔH1可由公式
Figure DEST_PATH_IMAGE010A
计算而得；
（6）采集的样品的纵向应变变化量，随温度或时间的关系在与热膨胀仪的连接的终端上进行显示。
6.根据权利要求5所述的方法一，其特征在于：杠杆的实时测量的角度
Figure DEST_PATH_IMAGE008AA
可通过量角器、塞尺、激光角度测量、角度引伸计任一种测得。
7.一种应用权利要求1所述支架的基于纵向应变测量热膨胀仪同步测量径向应变的方法二，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将待测样品采用所述纵向应变和径向应变支架固定于热膨胀仪上，样品与支架顶杆同轴线；杠杆短臂部分的顶端在支撑簧片的作用下与试样的中部位置紧密接触；
（2）测量杠杆的短臂长度为
Figure DEST_PATH_IMAGE002AA
，杠杆的长臂长度为
Figure DEST_PATH_IMAGE004A
，杠杆短臂端部的初始高度为
Figure DEST_PATH_IMAGE012A
，杠杆长臂端部的初始高度
Figure DEST_PATH_IMAGE014A
；
（3）待测样品被推杆移动至加热的磁感应线圈内，按照相关检验规范，通过软件设定的温控流程，热膨胀仪加热或冷却到实验指定温度；
（4）通过长度测量装置，获取不同温度下杠杆长臂端部的实时高度为
Figure DEST_PATH_IMAGE016A
；
（5）样品的径向应变高度变化量ΔH1可由公式
Figure DEST_PATH_IMAGE018A
；
（6）采集的样品的纵向应变变化量，随温度或时间的关系在与热膨胀仪的连接的终端上进行显示。
8.根据权利要求7所述的方法二，其特征在于：所述杠杆长臂端部的实时高度
Figure DEST_PATH_IMAGE016AA
可以通过游标卡尺、光电传感器、长度引伸计任一种进行测量。
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