CN112964568A - 一种使用L-gauge进行高应变速率单轴压缩试验的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种使用L‑gauge进行高应变速率单轴压缩试验的方法，涉及对热模拟试验机通用单元的主轴改造：拆除活动主轴a和活动主轴b的联轴器；试样安装在活动主轴b与固定主轴c之间；选择L‑gauge作为应力/应变的试验模式，压缩试验时通过活动主轴a给试样施加应力使试样发生轴向压缩应变，试样的压缩量由L‑gauge检测；压缩完成后系统采集压缩阶段的时间、温度、应力、应变和L‑gauge数据，并绘制真应力—应变曲线。本申请实现了在热模拟试验机通用单元内进行高应变速率的单轴压缩试验，并且使用轴向应变L‑gauge代替位移stroke来精确测定轴向位移变化，从而得到准确而光滑的真应力‑应变曲线及材料高温状态下的相关微观信息。

Description

一种使用L-gauge进行高应变速率单轴压缩试验的方法
技术领域
本发明涉及对金属试样进行热模拟试验的方法，特别涉及一种使用L-gauge对金属试样进行高应变速率单轴压缩试验的方法，属于钢铁冶金物理模拟技术领域。
背景技术
不同的热变形工艺尤其是不同的应变速率对金属材料最终的组织与性能产生直接的影响，现有的热模拟试验机一般具有通用单元和液压楔单元两部分可以切换使用，其中液压楔部分主要用来模拟一些热压缩方面的试验，通用单元做一些热拉伸及热膨胀特性等试验。中国国内约有150台不同型号的热模拟试验机，部分用户没有配备液压楔单元即无法进行热压缩试验，且液压楔和通用单元切换使用过程很繁琐，试验机设备本身也容易产生损坏，所以有些用户开始研究在通用单元内开展单轴压缩试验。
单轴压缩试验的应变速率一般为10-2～102s-1，s-1是真应变单位，对于一般的φ8×12mm的圆柱试样，压缩的时间约为0.00693～69s左右。热模拟试验机当前通用单元的主轴、空气锤和试验程序(方法)无法满足高应变速率的单轴压缩试验的要求，特别是应变速率大于10s-1的单轴压缩试验，这主要是通用单元系统响应的速度和试验方法所导致的。
发明内容
为了能够在热模拟试验机通用单元也能进行高应变速率的单轴压缩试验，并且使用轴向应变L-gauge代替位移stroke来精确测定轴向位移变化，从而得到准确而光滑的真应力-应变曲线及材料高温状态下的相关微观信息。
具体地，本发明的目的是提供一种使用L-gauge进行高应变速率单轴压缩试验的方法，该方法能够在热模拟试验机的通用单元内完成，即使没有配备液压楔单元的热模拟试验机也能够完成。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种使用L-gauge进行高应变速率单轴压缩试验的方法，涉及
(A)对热模拟试验机通用单元的主轴改造：改造前的主轴包括轴向依次设置的活动主轴a、活动主轴b和固定主轴c，活动主轴a和活动主轴b通过联轴器连接作为整体与固定主轴c保持离合关系，所述改造是指拆除所述联轴器，让活动主轴a和活动主轴b也保持离合关系；
(B)在改装后的主轴上安装L-gauge应变测量机构用来测量安装在活动主轴b和固定主轴c之间的试样的轴向位移变化；
(C)主轴位移调试：对活动主轴a进行前进和后退位移调试，启动设置在活动主轴b轴向前侧的空气锤，用于调节压缩活动主轴b与固定主轴c之间的间隙，此方法用于给安装在活动主轴b和固定主轴c之间的试样施压用于压紧试样；
(D)试样安装：先在活动主轴b和固定主轴c相对的轴头分别套上压缩砧头，在压缩砧头表面装上石墨片，准备试样，在试样的中间位置点焊热电偶，并在试样两端黏上钽片，然后将试样安装到两压缩砧头之间，启动工艺(C)的所述空气锤将试样压紧；
(E)试验方法：选择L-gauge作为应力/应变的试验模式，对试样所在的真空腔真空，试验过程包括先后进行的加热阶段和压缩阶段，其中加热阶段是将试样升温至完全奥氏体化1200～1250℃，并在均热段保温5～10min，然后冷却至750～1200℃范围内并保温消除温度梯度；压缩阶段开始前对试样停止加热，压缩前活动主轴a后退s，在计算压缩时间时应考虑s，通过活动主轴a给试样施加应力使试样发生轴向压缩应变，试样的压缩量由工艺(B)中的L-gauge应变测量机构检测，
(F)数据分析：压缩完成后系统采集压缩阶段的时间、温度、应力、应变和L-gauge数据，并绘制真应力—应变曲线，所述真应力是指试样发生真应变时的应力，所述应变是指试样发生真应变时的变形量；
(G)形貌分析：压缩完成后主轴释放试样，将试样水淬，观察试样的微观形貌。
作为优选实施方式之一，工艺(B)中，所述L-gauge应变测量机构包括活动安装面板、固定安装面板、活动长针和L-gague位移传感器，所述L-gauge位移传感器固定安装在所述活动安装面板上，所述活动长针的一端活动穿插在L-gague位移传感器的感应滑槽内，另一端通过簧片被压紧固定在固定安装面板上的弧形槽内；所述活动安装面板对应安装到活动主轴b上，所述固定安装面板对应安装到固定主轴c上，活动主轴b与固定主轴c的相对位移直接触发所述活动长针在所述感应滑槽内的位移，所述位移被L-gague位移传感器检测。
进一步地，在所述L-gauge应变测量机构与主轴的安装的过程中，应对活动长针在感应滑槽内的初始位置进行调节，确保活动长针在感应滑槽内的位移量不超过L-gague位移传感器的量程，在安装结束后，还需要对活动长针在固定安装面板上的固定状态进行确认，以手动拿不开为准。
作为优选实施方式之一，工艺(C)中，所述空气锤用于压紧试样所施加的空气锤力大小为60～70kgf。
作为优选实施方式之一，工艺(D)中，所述试样可以是φ8×12mm的圆柱试样。
进一步地，工艺(E)中，根据施加的应力大小，试样可发生工程应变或真应变，应变方式不同，程序设定的总压缩时间的计算方法也不同，具体如下：
若发生的是工程应变：以压缩速度v1压缩试样，试样的压下量为s1，试样压缩时间t1＝s1/v1，速度一致则程序设定的工程应变条件下的总压缩时间t2＝(s1+s)/v1；
若发生的是真应变：以压缩速度v2压缩试样，试样的压下量为s2，则试样压缩时间为t3＝-(ln(l0-s2)/l0)/v2，式中l0是试样的初始长度，平均压缩速度v＝s2/t3，则程序设定的真应变条件下的总压缩时间t4＝(s2+s)/v。
进一步地，工艺(E)中，试样的加热速度不大于5℃/s。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本申请对主轴进行改造，利用L-gauge来测量试样压缩过程中的压下量，相对于传统的stroke模式控制精度更高，数据连续性好，可以得到更准确的数据和光滑的真应力-应变曲线。
本申请是在(Gleeble-3800)热模拟试验机上精确测量金属材料在高应变速率试验条件下的真应力-应变曲线，以及通过使用L-gauge来测量试样轴向位移的变化，压缩完将试样入水淬火保留高温态组织形貌，从而研究金属材料不同热变形条件下的组织性能。
附图说明
图1为本发明实施例中L-gauge应变测量机构的结构示意图；
图2为本发明实施例中试样的安装示意图；
图3为本发明实施例中两个应变速率下的真应力-应变曲线；
图4为本发明实施例中试样淬火后的金相组织图；
图中1活动安装面板1、固定安装面板2、活动长针3、L-gague位移传感器4、簧片5，试样6、压缩砧头7、石墨片8。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细描述，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
以某管线钢制作试样，在Gleeble-3800热模拟试验机上对本发明涉及的使用L-gauge进行高应变速率单轴压缩试验的方法作进一步详细描述。具体步骤如下
(1)为了更精确的测量试样轴向位移的变化，采用L-gauge模式代替stroke模式。如图1所示，L-gauge应变测量机构包括活动安装面板1、固定安装面板2、活动长针3和L-gague位移传感器4，L-gauge位移传感器4固定安装在活动安装面板1上，活动长针3的一端活动穿插在L-gague位移传感器4的感应滑槽内，另一端通过簧片5被压紧固定在固定安装面板2上的弧形槽内。
打开真空腔后门，将活动安装面板1对应安装到活动主轴b上，固定安装面板2对应安装到固定主轴c上，活动主轴b与固定主轴c的相对位移直接触发活动长针3在感应滑槽内的位移，前述位移被L-gague位移传感器检测。安装过程中，应对活动长针在感应滑槽内的初始位置进行调节，确保活动长针在感应滑槽内的位移量不超过L-gague位移传感器的量程，并满足试样压缩过程中压下量的要求，一般也不要在零位以免产生误解。在安装结束后，还需要对活动长针在固定安装面板上的固定状态进行确认，以手动拿不开为准。
(2)对热模拟试验机通用单元的主轴改造：改造前的主轴包括从左向右轴向依次设置的活动主轴a、活动主轴b和固定主轴c，活动主轴a和活动主轴b通过联轴器连接作为整体与固定主轴c保持离合关系打开主机单元前侧的面板，手托住联轴器下半部分，用内六角旋开上方的四个螺丝，拆卸联轴器，让活动主轴a和活动主轴b也保持离合关系。
(3)打开tensile，按AIR RAM按钮，活动主轴向左移动；同样地，打开compression，按下AIR RAM，主轴向右移动，此方法可用于安装和拆卸试样，空气锥设置在活动主轴b的外侧，空气锤力的大小可通过控制柜上的AirRamPres来观察，调节时先关闭空气锤按钮，拉开Air Ram Pressure中间部分，顺时针为增大，调节完成后打开AIR RAM按钮观察力的大小值。
(4)安装试样，如图2所示，将热电偶点焊在φ8×12mm试样6的中间位置，在压缩砧头7两端装上石墨片8以减小摩擦，并在试样两端黏上钽片，压缩砧头7与石墨片8之间，石墨片8与钽片之间，钽片和试样6之间都涂以高温润滑剂。用热模拟试验机的空气锤将试样压缩固定在压缩砧头之间，控制空气锤气压使试样承受60～70kgf的压力。
(5)设置试验方法，在stress/strain中选择L-gauge，选择高压，加热前对试样施加力的大小应大于控制柜上Force显示的力即应大于用于夹紧试样所需要的压力，以免stroke会向前移即试样未被有效夹紧状态下活动主轴会发生微移动；以4-5℃/s的加热速度将试样加热至1220℃，保温5min，再以3℃/s的冷却速度冷却至950℃，保温1min，停止加热，后面试验过程中都不加热，选择L-Gauge Stroke，然后选择stroke模式，先控制活动主轴a后退3mm，但计算压缩时间时应考虑进去，如发生工程应变的话，以100mm/s的压缩速度压下6mm，压缩时间为t＝6/100＝0.06s，压缩过程中压缩速度一致则程序设定的总压缩时间应t1＝(3+6)/100＝0.09s；如发生真应变的话，应变速率为10s-1，压下量为6mm，则压缩时间t3＝-(ln(12-6)/12)/10＝0.06931，平均压缩速度v＝6/0.06931＝86.5676m/s，程序设定的总压缩时间应t4＝(3+s)/86.5676＝0.10396s。
(6)系统采集试验过程中的时间、温度、应力、应变和L-gauge等数据，利用origin软件处理分析数据及关系曲线，分别得到图3的真应力-应变曲线，同时程序设定压缩完成后锤头后退1.5mm，以便可以拿出试样直接水淬，保留高温态组织形貌，通过将试样表面腐蚀后可以观察晶粒度组织照片，如图4所示。
通过此方法，不仅可以得到光滑准确的真应力-应变曲线，用来进行变形抗力，再结晶等方面的研究，同时，对试样淬火可以保留高温态的组织形貌，对试样不同工艺条件下的晶粒度和碳氮化合物的析出方面的研究也很有意义。
除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种使用L-gauge进行高应变速率单轴压缩试验的方法，其特征在于：涉及
(A)对热模拟试验机通用单元的主轴改造：改造前的主轴包括轴向依次设置的活动主轴a、活动主轴b和固定主轴c，活动主轴a和活动主轴b通过联轴器连接作为整体与固定主轴c保持离合关系，所述改造是指拆除所述联轴器，让活动主轴a和活动主轴b也保持离合关系；
(B)在改装后的主轴上安装L-gauge应变测量机构用来测量安装在活动主轴b和固定主轴c之间的试样的轴向位移变化；
(C)主轴位移调试：对活动主轴a进行前进和后退位移调试，启动设置在活动主轴b轴向前侧的空气锤，用于调节压缩活动主轴b与固定主轴c之间的间隙，此方法用于给安装在活动主轴b和固定主轴c之间的试样施压用于压紧试样；
(D)试样安装：先在活动主轴b和固定主轴c相对的轴头分别套上压缩砧头，在压缩砧头表面装上石墨片，准备试样，在试样的中间位置点焊热电偶，并在试样两端黏上钽片，然后将试样安装到两压缩砧头之间，启动工艺(C)的所述空气锤将试样压紧；
(E)试验方法：选择L-gauge作为应力/应变的试验模式，对试样所在的真空腔抽真空，试验过程包括先后进行的加热阶段和压缩阶段，其中加热阶段是将试样升温至完全奥氏体化1200～1250℃，并在均热段保温5～10min，然后冷却至750～1200℃范围内并保温消除温度梯度；压缩阶段开始前对试样停止加热，压缩前活动主轴a后退s，在计算压缩时间时应考虑s，通过活动主轴a给试样施加应力使试样发生轴向压缩应变，试样的压缩量由工艺(B)中的L-gauge应变测量机构检测；
(F)数据分析：压缩完成后系统采集压缩阶段的时间、温度、应力、应变和L-gauge数据，并绘制真应力—应变曲线，所述真应力是指试样发生真应变时的应力，所述应变是指试样发生真应变时的变形量；
(G)形貌分析：压缩完成后主轴释放试样，将试样水淬，观察试样的微观形貌。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：工艺(B)中，所述L-gauge应变测量机构包括活动安装面板、固定安装面板、活动长针和L-gague位移传感器，所述L-gauge位移传感器固定安装在所述活动安装面板上，所述活动长针的一端活动穿插在L-gague位移传感器的感应滑槽内，另一端通过簧片被压紧固定在固定安装面板上的弧形槽内；
所述活动安装面板对应安装到活动主轴b上，所述固定安装面板对应安装到固定主轴c上，活动主轴b与固定主轴c的相对位移直接触发所述活动长针在所述感应滑槽内的位移，所述位移被L-gague位移传感器检测。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：在所述L-gauge应变测量机构与主轴的安装的过程中，应对活动长针在感应滑槽内的初始位置进行调节，确保活动长针在感应滑槽内的位移量不超过L-gague位移传感器的量程，在安装结束后，还需要对活动长针在固定安装面板上的固定状态进行确认，以手动拿不开为准。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：工艺(C)中，所述空气锤用于压紧试样所施加的空气锤力大小为60～70kgf。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：工艺(D)中，所述试样可以是φ8×12mm的圆柱试样。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：工艺(E)中，根据施加的应力大小，试样可发生工程应变或真应变，应变方式不同，程序设定的总压缩时间的计算方法也不同，具体如下：
若发生的是工程应变：以压缩速度v1压缩试样，试样的压下量为s1，试样压缩时间t1＝s1/v1，速度一致则程序设定的工程应变条件下的总压缩时间t2＝(s1+s)/v1；
若发生的是真应变：以压缩速度v2压缩试样，试样的压下量为s2，则试样压缩时间为t3＝-(ln(l0-s2)/l0)/v2，式中l0是试样的初始长度，平均压缩速度v＝s2/t3，则程序设定的真应变条件下的总压缩时间t4＝(s2+s)/v。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：工艺(E)中，试样的加热速度不大于5℃/s。
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