CN112903474A - 一种金属薄板电流辅助微弯曲力学性能测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种金属薄板电流辅助微弯曲力学性能测试装置，该装置用于微弯曲试样的测试，该装置包括：微型材料试验装置，用于固定微弯曲试样并对其进行微弯曲试验；电流输出装置，用于给微弯曲试样通电；温控及温度采集装置，用于测量微弯曲试样的温度和降低微弯曲试样的表面温度；数据采集装置，分别连接微型材料试验装置、电流输出装置和温控及温度采集装置，用于完成电辅助微弯曲实验的实验数据采集。与现有技术相比，本发明具有以下优点：实验装置稳定可靠、可对试样提供均匀的电流输入并排除温升效应。
Description
技术领域
本发明涉及新型材料力学性能测试领域，尤其是涉及一种金属薄板电流辅助微弯曲力学性能测试装置。
背景技术
电流辅助成形技术是一种新兴的成形技术，引起了人们的广泛关注。对于难变形结构金属材料，如镁合金、钛合金等，通常可以借助能场辅助成形技术来改善材料的成形性能。相比于传统的冷成形，能场辅助成形可以有效软化金属，激活额外的塑性变形机制，减小变形过程中消耗的能量，改善成形件的质量。但热成形和电流辅助成形又有所不同，在热成形中，加工零件整体被加热到一个恒定温度，而在电流辅助成形的过程中，电流直接将需要变形的部分软化，大大节约了所需的能量。施加电流之后，材料的成形性能增强、流动应力下降、回弹减小，一般认为是电致塑性效应导致了材料性能的提高。目前对于电塑性效应机理的解释大致形成了三种观点：焦耳热效应、电子风效应和磁效应。流过金属截面的电子与材料内部的原子、缺陷、位错以及孪晶发生交互作用，降低材料层错能，促进动态再结晶，延迟断裂发生，提高了材料的塑性变形能力。例如中国专利申请号202010782037.X公开了一种高温钛合金网格筋壁板的电辅助压弯成形工艺方法，包括以下步骤：将高温钛合金厚板铣削加工成为平面网格筋壁板；通过连接脉冲电流发生器的两个电极分别对平面网格筋壁板两端进行接触压边；脉冲电流发生器通过电极对平面网格筋壁板进行自阻加热；控制压弯凸模下行对平面网格筋壁板进行压弯操作；待平面网格筋壁板成形至设计的几何形状，将脉冲电流辅助成形的思想应用于高温钛合金网格筋壁板整体成形过程，预期利用材料自阻加热效应及电致塑性效应提高高温钛合金网格筋整体壁板件成形性，并通过电-热-力场的协同控制，实现高温钛合金网格筋整体壁板件形性一体化精确调控。但是目前将电塑性效应引入微细塑性成形工艺的报道较少，因此如何来提供一套电流辅助微细塑性成形的设备，从而来解决微弯曲夹具的通电和绝缘、试样温度控制及电流参数采集、微弯曲实验和数据采集等问题，成为需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种金属薄板电流辅助微弯曲力学性能测试装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种金属薄板电流辅助微弯曲力学性能测试装置，该装置用于微弯曲试样的测试，该装置包括：
微型材料试验装置，用于固定微弯曲试样并对其进行微弯曲试验；
电流输出装置，用于给微弯曲试样通电；
温控及温度采集装置，用于测量微弯曲试样的温度和降低微弯曲试样的表面温度；
数据采集装置，分别连接微型材料试验装置、电流输出装置和温控及温度采集装置，用于完成电辅助微弯曲实验的实验数据采集。
优选地，所述的微型材料试验装置包括力和位移传感器、不锈钢夹板、陶瓷凸模、不锈钢支脚、不锈钢支座和陶瓷支撑；
所述的力和位移传感器安装于微型材料试验装置内下部，所述的陶瓷凸模通过不锈钢夹板连接力和位移传感器；所述的微弯曲试样通过不锈钢支脚夹持在不锈钢支座上，所述的不锈钢支座通过陶瓷支撑固定于微型材料试验装置上，所述的陶瓷凸模向上运动，对微弯曲试样施加载荷将其弯曲，所述的力和位移传感器将微弯曲试样的载荷和位移的试验数据传输至数据采集装置。
优选地，所述的不锈钢支脚的间距和不锈钢支座的跨距根据微弯曲试样的尺寸调整。
优选地，所述的不锈钢夹板和陶瓷凸模之间采取过盈配合和铆接的方式连接。
优选地，所述的陶瓷凸模设有冷却水孔，用于在通电过程中对自身进行冷却。
优选地，所述的电流输出装置包括脉冲电源和黄铜端子，所述的脉冲电源的两端分别通过一个黄铜端子连接不锈钢支座，所述的脉冲电源、微弯曲试样、两个黄铜端子和不锈钢支座之间形成电流回路。
优选地，所述的陶瓷凸模和陶瓷支撑用于将通电的微弯曲试样与微型材料试验装置绝缘。
优选地，所述的陶瓷凸模为使用高抗压强度的绝缘材料制作而成的陶瓷凸模，所述的陶瓷支撑为使用高抗压强度的绝缘材料制作而成的陶瓷支撑，其中所述的高抗压强度的绝缘材料为氧化锆陶瓷或氧化铝陶瓷。
优选地，所述的温控及温度采集装置包括红外热成像仪和电吹风机，所述的红外热成像仪和电吹风机通过支架安装于微型材料试验装置上微弯曲试样的两侧；
所述的红外热成像仪接收微弯曲试样的红外辐射能量分布图进而获得红外热像图，达到非接触测量试样温度的目的；所述的电吹风机用于加快试样表面空气流动，促进试样与空气的热交换，达到降低试样表面温度的目的。
优选地，所述的电吹风机的出风口与微弯曲试样的距离可调整。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明的电流辅助微弯曲力学性能测试装置集弯曲试验装置、电流产生装置、温控及温度采集装置及数据采集装置于一体，结构紧凑、功能丰富、操作方便。
2、本发明的夹具结构简单，采用不锈钢支座和黄铜端子进行连接，与弯曲试样构成电流回路，保证电致塑性效应均匀作用在整个试样上。
3、本发明的凸模连接和定位方式可靠，凸模与不锈钢夹板采用过盈配合连接、铆接定位方式，设计简单、操作方便；不锈钢夹板与微型材料试验装置采用螺栓连接，拆卸更换方便。
4、本发明采用非接触式温度测量，与传统热电偶测温相比，能获得试样整体温度场分布云图，测量结果实时、准确、直观、可靠。
5、本发明夹具体的绝缘采用主要成分为ZrO2的氧化锆陶瓷，具有强度高(抗压强度超过950MPa)、耐高温(最高使用温度1350℃)、硬度大(HRC 88～90MPa)、热膨胀系数小和安全可靠等优点。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明的俯视结构示意图；
图3为本发明的微型材料试验装置的剖视图；
图4为本发明的黄铜端子的连接示意图；
图5为图4的A部放大结构示意图。
其中1为微型材料试验装置，2为电流输出装置，3为温控及温度采集装置，4为数据采集装置，1-1为力和位移传感器，1-2为不锈钢夹板，1-3为陶瓷凸模，1-4为微弯曲试样，1-5为不锈钢支脚，1-6为不锈钢支座，1-7为陶瓷支撑，2-1为脉冲电源，2-2为黄铜端子，3-1为红外热成像仪，3-2为电吹风机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
如图1、图2和图3所示，一种金属薄板电流辅助微弯曲力学性能测试装置，该装置包括微型材料试验装置1、电流输出装置2、温控及温度采集装置3和数据采集装置4，所述的微弯曲试样1-4固定于微型材料试验装置1上，所述的电流输出装置2用于给微弯曲试样1-4通电，所述的微型材料试验装置1对微弯曲试样1-4进行微弯曲试验，所述的温控及温度采集装置3用于测量微弯曲试样1-4的温度和降低微弯曲试样1-4的表面温度，所述的数据采集装置4分别连接微型材料试验装置1、电流输出装置2和温控及温度采集装置3，用于完成电辅助微弯曲实验的实验数据采集。
所述的微型材料试验装置1包括力和位移传感器1-1、不锈钢夹板1-2、陶瓷凸模1-3、不锈钢支脚1-5、不锈钢支座1-6和陶瓷支撑1-7，所述的力和位移传感器1-1安装于微型材料试验装置1内下部，所述的陶瓷凸模1-3通过不锈钢夹板1-2连接力和位移传感器1-1；所述的微弯曲试样1-4通过不锈钢支脚1-5夹持在不锈钢支座1-6上，所述的不锈钢支座1-6通过陶瓷支撑1-7固定于微型材料试验装置1上，所述的陶瓷凸模1-3向上运动，对微弯曲试样1-4施加载荷将其弯曲，所述的力和位移传感器1-1将微弯曲试样1-4的载荷和位移的试验数据传输至数据采集装置4。
所述的不锈钢支脚1-5的间距和不锈钢支座1-6的跨距根据微弯曲试样1-4的尺寸调整。所述的不锈钢夹板1-2和陶瓷凸模1-3之间采取过盈配合和铆接的方式连接。
所述的陶瓷凸模1-3设有冷却水孔，用于在通电过程中对自身进行冷却。
如图4所示，所述的电流输出装置2包括脉冲电源2-1和黄铜端子2-2，所述的脉冲电源2-1的两端分别通过一个黄铜端子2-2连接不锈钢支座1-6，所述的脉冲电源2-1、微弯曲试样1-4、两个黄铜端子2-2和不锈钢支座1-6之间形成电流回路。
所述的陶瓷凸模1-3和陶瓷支撑1-7用于将通电的微弯曲试样1-4与微型材料试验装置1绝缘。所述的是陶瓷凸模1-3和陶瓷支撑1-7为使用高抗压强度的绝缘材料制作而成的陶瓷凸模和陶瓷支撑。所述的高抗压强度的绝缘材料为氧化锆陶瓷或氧化铝陶瓷。
所述的温控及温度采集装置3包括红外热成像仪3-1和电吹风机3-2，所述的红外热成像仪3-1和电吹风机3-2通过支架安装于微型材料试验装置1上微弯曲试样1-4的两侧。所述的红外热成像仪3-1接受微弯曲试样1-4的红外辐射能量分布图进而获得红外热像图，达到非接触测量试样温度的目的；所述的电吹风机3-2用于加快试样表面空气流动，促进试样与空气的热交换，达到降低试样表面温度的目的。所述的电吹风机3-2的出风口与微弯曲试样1-4的距离可调整。
电辅助微弯曲试验在微型材料试验装置1上进行，通过力和位移传感器获得位移和力的试验数据。设置脉冲电源的输出电流I(A)、电压U(V)、频率f(Hz)和占空比u(％)。先启动脉冲电源2-1和温控及温度采集装置3，然后启动微型材料试验机；试验结束后停止脉冲电源2-1、温控及温度采集装置3和微型材料试验机，完成电辅助微弯曲试验及相关实验参数的采集。
具体实施方式二：结合图4说明本实施方式，使用黄铜端子2-2和导线将脉冲电源2-1与不锈钢支座1-6连接并将电路导通，保证电致塑性效应均匀作用在微弯曲试样1-4。
具体实施方式三：陶瓷凸模1-3和陶瓷支撑1-7使用氧化锆陶瓷制造，保证电流只在黄铜端子2-2、脉冲电源2-1、不锈钢支脚1-5、不锈钢支座1-6和微弯曲试样1-4之间形成回路，防止电流对微型材料试样装置造成破坏与干扰。
具体实施方式四：结合图3说明本实施方式，不锈钢夹板1-2和陶瓷凸模1-3之间采取过盈配合，铆接连接方式，定位简单，凸模更换方便，适合三点微弯曲试验。
具体实施方式五：实验过程中，试样部分热量会传递至陶瓷凸模，结合图3说明本实施方式，陶瓷凸模1-3设有冷却水孔，用于在实验过程中进行冷却。
具体实施方式六：不锈钢支脚1-5通过螺栓连接在不锈钢支座1-6上，并且可以方便地调节支脚间距和跨距大小，试样厚度范围为0mm～1mm，跨距调节范围0mm～50mm。
具体实施方式七：本发明的电流辅助微弯曲力学性能测试装置中，导线、黄铜端子2-2、脉冲电源2-1、不锈钢支座1-6和微弯曲试样1-4形成导电回路，该回路中的电流为脉冲电流，脉冲电源的输出电压最高30V，输出电流最高1000A，试样温升控制在50℃以内。
具体实施方式八：微型材料试验装置1凸模向上运动，对试样施加载荷将其弯曲，行程最大10mm，载荷不超过5000N。
本发明的使用过程是：
1、试样夹持，将微弯曲试样1-4通过不锈钢支脚1-5夹持在不锈钢支座1-6上；
2、启动脉冲电流装置，脉冲电流能够产生直流和矩形方波电流，通过脉冲电源2-1、导线、黄铜端子2-2、不锈钢支座1-6和微弯曲试样1-4形成导电回路；
3、温度控制及温度数据采集，红外热成像仪3-1能接受微弯曲试样1-4的红外辐射能量分布图进而获得红外热像图，其与物体表面的热分布场对应，达到非接触测量试样温度的目的；电吹风机3-2用于加快试样表面空气流动，促进试样与空气的热交换，达到降低试样表面温度的目的；
4、电辅助微弯曲试验，试样通电后，在微型材料试验机上进行微弯曲试验，通过试验机自身的位移与力传感器获得力学性能实验数据。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种金属薄板电流辅助微弯曲力学性能测试装置，该装置用于微弯曲试样(1-4)的测试，其特征在于，该装置包括：
微型材料试验装置(1)，用于固定微弯曲试样(1-4)并对其进行微弯曲试验；
电流输出装置(2)，用于给微弯曲试样(1-4)通电；
温控及温度采集装置(3)，用于测量微弯曲试样(1-4)的温度和降低微弯曲试样(1-4)的表面温度；
数据采集装置(4)，分别连接微型材料试验装置(1)、电流输出装置(2)和温控及温度采集装置(3)，用于完成电辅助微弯曲实验的实验数据采集。
2.根据权利要求1所述的一种金属薄板电流辅助微弯曲力学性能测试装置，其特征在于，所述的微型材料试验装置(1)包括力和位移传感器(1-1)、不锈钢夹板(1-2)、陶瓷凸模(1-3)、不锈钢支脚(1-5)、不锈钢支座(1-6)和陶瓷支撑(1-7)；
所述的力和位移传感器(1-1)安装于微型材料试验装置(1)内下部，所述的陶瓷凸模(1-3)通过不锈钢夹板(1-2)连接力和位移传感器(1-1)；所述的微弯曲试样(1-4)通过不锈钢支脚(1-5)夹持在不锈钢支座(1-6)上，所述的不锈钢支座(1-6)通过陶瓷支撑(1-7)固定于微型材料试验装置(1)上，所述的陶瓷凸模(1-3)向上运动，对微弯曲试样(1-4)施加载荷将其弯曲，所述的力和位移传感器(1-1)将微弯曲试样(1-4)的载荷和位移的试验数据传输至数据采集装置(4)。
3.根据权利要求2所述的一种金属薄板电流辅助微弯曲力学性能测试装置，其特征在于，所述的不锈钢支脚(1-5)的间距和不锈钢支座(1-6)的跨距根据微弯曲试样(1-4)的尺寸调整。
4.根据权利要求2所述的一种金属薄板电流辅助微弯曲力学性能测试装置，其特征在于，所述的不锈钢夹板(1-2)和陶瓷凸模(1-3)之间采取过盈配合和铆接的方式连接。
5.根据权利要求2所述的一种金属薄板电流辅助微弯曲力学性能测试装置，其特征在于，所述的陶瓷凸模(1-3)设有冷却水孔，用于在通电过程中对自身进行冷却。
6.根据权利要求2所述的一种金属薄板电流辅助微弯曲力学性能测试装置，其特征在于，所述的电流输出装置(2)包括脉冲电源(2-1)和黄铜端子(2-2)，所述的脉冲电源(2-1)的两端分别通过一个黄铜端子(2-2)连接不锈钢支座(1-6)，所述的脉冲电源(2-1)、微弯曲试样(1-4)、两个黄铜端子(2-2)和不锈钢支座(1-6)之间形成电流回路。
7.根据权利要求2所述的一种金属薄板电流辅助微弯曲力学性能测试装置，其特征在于，所述的陶瓷凸模(1-3)和陶瓷支撑(1-7)用于将通电的微弯曲试样(1-4)与微型材料试验装置(1)绝缘。
8.根据权利要求7所述的一种金属薄板电流辅助微弯曲力学性能测试装置，其特征在于，所述的陶瓷凸模(1-3)为使用高抗压强度的绝缘材料制作而成的陶瓷凸模，所述的陶瓷支撑(1-7)为使用高抗压强度的绝缘材料制作而成的陶瓷支撑，其中所述的高抗压强度的绝缘材料为氧化锆陶瓷或氧化铝陶瓷。
9.根据权利要求1所述的一种金属薄板电流辅助微弯曲力学性能测试装置，其特征在于，所述的温控及温度采集装置(3)包括红外热成像仪(3-1)和电吹风机(3-2)，所述的红外热成像仪(3-1)和电吹风机(3-2)通过支架安装于微型材料试验装置(1)上的微弯曲试样(1-4)两侧；
所述的红外热成像仪(3-1)接收微弯曲试样(1-4)的红外辐射能量分布图进而获得红外热像图，达到非接触测量试样温度的目的；所述的电吹风机(3-2)用于加快试样表面空气流动，促进试样与空气的热交换，达到降低试样表面温度的目的。
10.根据权利要求9所述的一种金属薄板电流辅助微弯曲力学性能测试装置，其特征在于，所述的电吹风机(3-2)的出风口与微弯曲试样(1-4)的距离可调整。
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