CN112649306B - 一种金属材料抗应力松弛性能的测量装置和测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属材料抗应力松弛性能的测量装置和测量方法，属于力学性能测试技术领域。本发明适用于对反复插拔和高应力状态下的长时间保载等条件下应力松弛效应的模拟。测量装置包括四个系统，其中：测量系统包括配重、传感器和显示器，定位系统包括套筒、底座和定位块，夹具包括上夹板、垫块、下夹板和螺钉，模拟工况系统包括弯曲插片和夹子。利用本发明可以简捷方便地测量金属材料的抗应力松弛性能，很大限度地节约了测量抗应力松弛性能所耗费的实验时间和费用,为电接触构件的选材提供了重要依据。也为后续的电气工程的新材料设计提供了指导。
Description
技术领域
本发明涉及力学性能测试技术领域，具体涉及一种金属材料抗应力松弛性能的测量装置和测量方法。
背景技术
由于铜的良导电性和易加工性，铜合金被广泛用于电气工程中。但在一些特殊的服役环境下铜合金在良导电性的前提下还要兼顾足够的力学性能。这些高强高导铜合金通常应用弥散强化的机制，使细小的第二相均匀弥散分布在铜基体中，能在较少牺牲导电性的前提下提高强度。而在电接触构件中，一方面作为开关需要反复插拔，另一方面长时间的通路需要保持夹紧状态。这种高强高导铜合金的服役工况主要是长时间保载和反复插拔。对于这样特别的服役工况，抗应力松弛性能就成为了另一个需要重点考量的力学性能指标。但直到目前为止，仍缺少一个合适的实验装置能通过模拟实际工况来准确测量高强高导铜合金的抗应力松弛性能。
发明内容
针对现有金属材料的抗应力松弛性能缺少有效测量方法的难题，本发明提供了一种金属材料抗应力松弛性能的测量装置和测量方法。该装置通过模拟电接触构件的服役条件，得到金属材料在不同情况下的应力松弛比。从而挑选出具有最优抗应力松弛性能的铜合金，为电接触构件的选材提供了可靠的力学性能指标，也为电气工程的新材料设计提供了指导。该装置能很好地模拟电接触构件的工作状况，避免了费时费力的模拟实验，降低了时间和金钱成本。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种金属材料抗应力松弛性能的测量装置，包括定位系统、测量系统、夹具和模拟工况系统，其中：
定位系统：包括套筒、底座和定位块，所述套筒底面与底座焊接连接，套筒的侧面开有上部开放的卡口，所述定位块卡接于所述卡口处；该定位系统用于确保配重块施加重力的重复准确性，包括固定传感器和固定配重块施力点。
测量系统：用于测量金属材料弯曲后的弹力大小，包括配重块、传感器和显示器，所述传感器放置于套管内的底座上，传感器与显示器通过导线相连接；所述配重块固定于所述定位块上方；配重块通过定位块施力于待测量金属材料(弯曲的金属片)上；
夹具：用于固定待测量金属材料的位置，包括从上至下依次放置的上夹板、垫块和下夹板，待测量金属材料为条形金属片，条形金属片置于垫块和下夹板之间，通过螺钉将上夹板固定在下夹板上，并同时将垫块与条形金属片夹紧于上下夹板之间；
(4)模拟工况工具：包括插片和夹子，插片的功能为模拟金属材料在高应力状态的塑性变形，夹子的作用是模拟金属材料的反复插拔和长时间保载这两种工况。
所述传感器和显示器为配套使用的重量传感器，单位为克；配重块为一千克重的钨镍合金块。
所述套筒内径略大于传感器直径，能够使传感器固定不动且不影响传感器正常使用；套筒的侧面预留传感器导线的通道。
所述定位块为T形块结构，定位块的上部凸缘能够卡接于套筒上卡口的上部开口处，从而使定位块在垂直方向定位；定位块的一个T形面的下部设有凸缘，凸缘能够卡接在套筒上卡口之外，从而使定位块在水平方向定位。
所述上夹板为整圆形板经两平行线切割后的形状，上夹板上开设两个通孔，两通孔直径略大于螺纹直径且呈对称分布；所述下夹板为整圆形，，下夹板上开有螺纹孔，通过螺钉实现上夹板与下夹板的固定；在上夹板的底面上开设有与条形金属片相配合的条形凹槽，条形金属片的顶端置于条形凹槽内并配合垫块实现条形金属片的固定；垫块为长条状，垫块长度与上夹板宽度相同，在垫块朝向定位块的一端设计为弧形面，用于为金属片的弯曲预留空间。
所述插片为厚度与垫块厚度相同的条形块，测量时插片插入下夹板与条形金属片自由端(未固定一端)之间，使条形金属片产生一个塑性变形的弯曲；所述夹子用于保证在金属片弯曲后能夹回平直状态，取出插片后，用夹子将条形金属片与下夹板夹持在一起，即将金属片夹回平直状态。
利用所述装置进行金属材料抗应力松弛性能的测量方法，该方法包括如下步骤：
(1)将一系列成分不同的铜合金切成长条片，利用上下夹板和垫块将金属片固定在夹具上；
(2)将插片插入金属片与下夹板之间，使条形金属片产生弯曲的塑性变形；
(3)采用夹子夹住弯曲的金属片的形式模拟反复插拔或长时间保载的工况；
(4)将夹具放在套筒内的传感器上，将焊有配重块的定位块沿套筒卡口放下；
(5)待传感器读数稳定后，读取传感器数据并记录。
步骤(1)中，条形金属片尺寸为15×2×0.4mm，条形金属片与夹具中的垫块和上夹板应在尾端平齐一致，在螺钉的紧固下不能轻易移动；
步骤(2)中，插片插入的过程，应至少保持十分钟。
步骤(3)中，利用夹子模拟工况的过程中，夹子应能把弯曲的金属片夹平直，而且通过计数(反复插拔)或者记时(长时间保载)的方法来定量化应力松弛现象。
步骤(4)中，定位块应沿套筒卡口放置，尽量缓慢轻柔以保证测量的准确性；
步骤(5)中，重量传感器读数的单位是克。
本发明的设计机理及有益效果如下：
1、本发明根据机械原理，设计了一种测量金属材料抗应力松弛性能的装置。依据受力分析和机械设计，本发明通过下压动作把铜合金片的弯曲应力的测量转化为重力传感器的数据；再利用夹子夹直弯曲的金属片完成对现实工况的模拟；并使用定位系统固定下压位置和金属片位置从而保证测量的重复性和准确性。因此这套装置实现了金属材料在模拟现实工况下的应力松弛率的测量
2、本发明设计了一种装置可以测量铜合金的抗应力松弛率，这很大限度节约了应力松弛实验所需的大量实验时间和费用，同时可以为电接触构件选材提供可靠的判据。也为后续的电气工程的新材料设计提供了指导。
附图说明
图1为本发明测量装置的设计图。
图2为本发明测量装置的各构件实物图。
图3为本发明测量装置的使用过程。
图4为不同铜合金在模拟电接触件反复插拔条件下的随插拔次数增加的应力松弛现象。
图5为不同铜合金在室温下反复插拔条件测量数据的相对误差。
图6为不同铜合金在室温条件长时间保载后的应力松弛现象。
图7为不同铜合金在室温条件长时间保载后测量数据的相对误差。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作更详细的描述。这些实例仅仅是对本发明最佳实施方式的描述，不对本发明的范围有任何限制。
本发明提供一种金属材料抗应力松弛性能的测量装置和测量方法，如图1-3所示，所述测量装置包括定位系统、测量系统、夹具和模拟工况系统，各部件具体结构和组成如下：
定位系统：包括套筒、底座和定位块，所述套筒底面与底座焊接连接，套筒的侧面开有上部开放的卡口，所述定位块卡接于所述卡口处；该定位系统用于确保配重块施加重力的重复准确性，包括固定传感器和固定配重块施力点。所述套筒内径略大于传感器直径，能够使传感器固定不动且不影响传感器正常使用；套筒的侧面预留传感器导线的通道。所述定位块为T形块结构，定位块的上部凸缘能够卡接于套筒上卡口的上部开口处，从而使定位块在垂直方向定位；定位块的一个T形面的上设有凸缘，凸缘能够卡接在套筒上卡口之外，从而使定位块在水平方向定位。后部带有凸缘的T型块，后部凸缘可定位前后位置，T字凸缘可定位上下位置。
测量系统：用于测量金属材料弯曲后的弹力大小，包括配重块、传感器和显示器，所述传感器放置于套管内的底座上，传感器与显示器通过导线相连接；所述配重块固定于所述定位块上方；配重块通过定位块施力于待测量金属材料(弯曲的金属片)上；所述传感器和显示器为配套使用的重量传感器，单位为克；配重块为一千克重的钨镍合金块。
夹具：用于固定待测量金属材料的位置，包括从上至下依次放置的上夹板、垫块和下夹板，待测量金属材料为条形金属片，条形金属片置于垫块和下夹板之间，通过螺钉将上夹板固定在下夹板上，并同时将垫块与条形金属片夹紧于上下夹板之间；所述上夹板为整圆形板经两平行线切割后的形状，上夹板上开设两个通孔，两通孔直径略大于螺纹直径且呈对称分布；所述下夹板为整圆形，，下夹板上开有螺纹孔，通过螺钉实现上夹板与下夹板的固定；在上夹板的底面上开设有与条形金属片相配合的条形凹槽，条形金属片的顶端置于条形凹槽内并配合垫块实现条形金属片的固定；垫块为长条状，垫块长度与上夹板宽度相同，在垫块朝向定位块的一端设计为弧形面，用于为金属片的弯曲预留空间。
(4)模拟工况工具：包括插片和夹子，插片的功能为模拟金属材料在高应力状态的塑性变形，夹子的作用是模拟金属材料的反复插拔和长时间保载这两种工况。所述插片为厚度与垫块厚度相同的条形块，测量时插片插入下夹板与条形金属片自由端(未固定一端)之间，使条形金属片产生一个塑性变形的弯曲；所述夹子用于保证在金属片弯曲后能夹回平直状态，取出插片后，用夹子将条形金属片与下夹板夹持在一起，即将金属片夹回平直状态。
本发明利用上述装置进行铜合金应力松弛率的测量，包括如下步骤：
(1)将一系列成分不同的铜合金切成尺寸为15mm×2mm×0.4mm长条片，利用上下夹板和垫块将金属片固定在夹具上；长条片与夹具中的垫块和上夹板应在尾端平齐一致，在螺钉的紧固下不能轻易移动。
(2)将插片插入金属片与下夹板之间，使金属条形片产生弯曲的塑性变形；插片插入的过程，应至少保持十分钟
(3)采用夹子夹住弯曲的金属片的形式模拟反复插拔或长时间保载的工况；利用夹子模拟工况的过程中，夹子应能把弯曲的金属片夹平直，而且通过计数(反复插拔)或者记时(长时间保载)的方法来定量化应力松弛现象。
(4)将夹具放在套筒内的传感器上，将焊有配重块的定位块沿套筒卡口放下；定位块应沿套筒卡口放置，尽量缓慢轻柔以保证测量的准确性。
(5)待传感器读数稳定后，读取传感器数据并记录，重量传感器读数的单位是g。
实施例1：
本实例采用Cu-Ni-Sn、Cu-Ni-Si、Cu-Ni-Be合金为例，测量具有最优抗应力松弛性能的铜合金，具体步骤如下：
步骤1：将一系列成分不同的铜合金切成长条片，利用上下夹板和垫块将金属片固定在夹具上；
步骤2：将插片插入金属片与下夹板之间，保持十分钟，再用夹子夹住弯曲的金属片模拟反复插拔或长时间保载的工况；记录反复插拔次数或保载时间
步骤3：将夹具放在套筒内的传感器上，将焊有配重块的定位块沿套筒卡口放下；待传感器读数稳定后，读取传感器数据并记录。
步骤4：根据重力数据和反复插拔次数或保载时间画出应力松弛曲线，得到应力松弛比，如图4-7所示，通过比较可以看出Cu-Ni-Sn合金的抗应力松弛性能最好。
Claims (10)
1.一种金属材料抗应力松弛性能的测量装置，其特征在于：该装置包括定位系统、测量系统、夹具和模拟工况系统，其中：
定位系统：包括套筒、底座和定位块，所述套筒底面与底座焊接连接，套筒的侧面开有上部开放的卡口，所述定位块卡接于所述卡口处；该定位系统用于确保配重块施加重力的重复准确性，包括固定传感器和固定配重块施力点；
测量系统：用于测量金属材料弯曲后的弹力大小，包括配重块、传感器和显示器，所述传感器放置于套筒内的底座上，传感器与显示器通过导线相连接；所述配重块固定于所述定位块上方；配重块通过定位块施力于待测量金属材料上；
夹具：用于固定待测量金属材料的位置，包括从上至下依次放置的上夹板、垫块和下夹板，待测量金属材料为条形金属片，条形金属片置于垫块和下夹板之间，通过螺钉将上夹板固定在下夹板上，并同时将垫块与条形金属片夹紧于上下夹板之间；
模拟工况系统：包括插片和夹子，插片的功能为模拟金属材料在高应力状态的塑性变形，夹子的作用是模拟金属材料的反复插拔和长时间保载这两种工况。
2.根据权利要求1所述的金属材料抗应力松弛性能的测量装置，其特征在于：所述传感器和显示器为配套使用的重量传感器，单位为克；配重块为一千克重的钨镍合金块。
3.根据权利要求1所述的金属材料抗应力松弛性能的测量装置，其特征在于：所述套筒内径略大于传感器直径，能够使传感器固定不动且不影响传感器正常使用；套筒的侧面预留传感器导线的通道。
4.根据权利要求1所述的金属材料抗应力松弛性能的测量装置，其特征在于：所述定位块为T形块结构，定位块的上部凸缘能够卡接于套筒上卡口的上部开口处，从而使定位块在垂直方向定位；定位块的一个T形面的下部设有凸缘，凸缘能够卡接在套筒上卡口之外，从而使定位块在水平方向定位。
5.根据权利要求1所述的金属材料抗应力松弛性能的测量装置，其特征在于：所述上夹板为整圆形板经两平行线切割后的形状，上夹板上开设两个通孔，两通孔直径略大于螺纹直径且呈对称分布；所述下夹板为整圆形，下夹板上开有螺纹孔，通过螺钉实现上夹板与下夹板的固定；在上夹板的底面上开设有与条形金属片相配合的条形凹槽，条形金属片的顶端置于条形凹槽内并配合垫块实现条形金属片的固定；垫块为长条状，垫块长度与上夹板宽度相同，在垫块朝向定位块的一端设计为弧形面，用于为金属片的弯曲预留空间。
6.根据权利要求1所述的金属材料抗应力松弛性能的测量装置，其特征在于：所述插片为厚度与垫块厚度相同的条形块，测量时插片插入下夹板与条形金属片自由端之间，使条形金属片产生一个塑性变形的弯曲；所述夹子用于保证在金属片弯曲后能夹回平直状态，取出插片后，用夹子将条形金属片与下夹板夹持在一起，即将金属片夹回平直状态。
7.一种利用权利要求1-6任一所述装置进行的金属材料抗应力松弛性能的测量方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
(1)将一系列成分不同的铜合金切成长条片，利用上下夹板和垫块将金属片固定在夹具上；
(2)将插片插入金属片与下夹板之间，使条形金属片产生弯曲的塑性变形；
(3)采用夹子夹住弯曲的金属片的形式模拟反复插拔或长时间保载的工况；
(4)将夹具放在套筒内的传感器上，将焊有配重块的定位块沿套筒卡口放下；
(5)待传感器读数稳定后，读取传感器数据并记录。
8.根据权利要求7所述的金属材料抗应力松弛性能的测量方法，其特征在于：步骤(1)中，条形金属片尺寸为15×2×0.4mm，条形金属片与夹具中的垫块和上夹板应在尾端平齐一致，在螺钉的紧固下不能轻易移动；步骤(2)中，插片插入的过程，应至少保持十分钟。
9.根据权利要求7所述的金属材料抗应力松弛性能的测量方法，其特征在于：步骤(3)中，利用夹子模拟工况的过程中，夹子应能把弯曲的金属片夹平直，而且通过计数或者记时的方法来定量化应力松弛现象。
10.根据权利要求7所述的金属材料抗应力松弛性能的测量方法，其特征在于：步骤(4)中，定位块应沿套筒卡口放置，尽量缓慢轻柔以保证测量的准确性；步骤(5)中，重量传感器读数的单位是克。
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