CN113125258A - 一种测量金属材料力学性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于材料力学性能检测领域，提供了一种金属材料力学性能检测的方法，目的在于解决快速、无损评价产品力学性能困难的问题，尤其适用于材料加工行业在生产车间进行退火效果表征和退火制度优选的工作。具体为将一个直径为
Figure DDA0002998910520000011
的钢球连续的压入进金属材料的表面，记录每一次的载荷值和钢球的压入深度，并将载荷值和钢球的压入深度换算成应力值和应变值，得到应力和应变的关系。通过检测压力值和压头的位移能快速判定材料的力学性能，由于不论是压力还是位移都能够被精确的测量，所以本发明的方法具用非常高的准确性。

Description

一种测量金属材料力学性能的方法
技术领域
本发明属于材料力学性能检测领域，特别提供一种测量金属材料力学性能的方法。
背景技术
在材料变形加工行业，从坯料到最终的制成品，要经过多道次的变形加工，两道次变形加工中间要进行退火处理，采用合适的退火制度和退火处理达到预期效果是顺利进行下一道次冷变形的关键。材料力学性能的大小是表征退火效果的重要评价指标，因此需要一种快速、方便、非破坏、准确性高并能够在生产现场使用的材料力学性能测量方法。
最常采用的测量材料退火后力学性能的方法是单向拉伸试验和布氏硬度试验。
在单向拉伸试验过程中，首先要制备试样，然后在试样两端加载单向拉伸力，直至试样被拉断，计算加载过程中试样所受的应力和应变，绘制成曲线，并通过特征值来表征材料的力学性能。单向拉伸试验准确性高，但要破坏工件、专门制备试样，试验周期长，不适合在生产现场使用。
布氏硬度试验是用一个固定载荷将一个钢球压入工件表面，通过测量压痕在垂直于载荷方向平面上的投影面积，计算出布氏硬度值，以此来表征材料的力学性能。布氏硬度试验虽然不用破坏工件、试验周期短和能够在生产现场使用，但影响因素多，测量压痕的投影面积存在较大的误差，测量的准确度差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测量金属材料力学性能的方法，能够在生产现场快速精确评价材料的力学性能。
本发明技术方案如下：
本发明提供了一种测量金属材料力学性能的方法，具体为将一个直径为
Figure BDA0002998910500000021
的钢球连续的压入进金属材料的表面，记录每一次的载荷值和钢球的压入深度，并将载荷值和钢球的压入深度换算成应力值和应变值，得到应力和应变的关系。
载荷和压入深度的关系决定于试验条件和材料的力学性能，当试验条件固定时，这一关系唯一取决于材料的力学性能，因此可以通过该方法比较不同材料或同种材料不同状态的力学性能。
本发明通过施加一系列递进的载荷，将一个钢球连续压入进材料表面，材料将针对这一侵入行为产生一定的反应，不同力学性能的材料其反应强弱不一样，检测出这一反应的大小，并计算出应力应变的关系，就能够表征出材料的力学性能。
进一步地，首先施加接触载荷P0，P0的范围为1N～20N。
进一步地，每一次载荷增量ΔP的范围为5N～50N。
进一步地，钢球的压入深度最大值为钢球半径的1/3。
进一步地，应力值σ的计算方法为式(Ⅰ)所示：
Figure BDA0002998910500000031
式中，σi——第i次加载时的应力值，MPa；
Pi——第i次加载时施加的载荷，N；
Si'——第i次加载时压痕在垂直于应力方向平面上的投影面积，mm2；
i——施加载荷的顺序数；
ΔP——每一次施加的载荷增量，N；
R——钢球的半径，mm；
hi——第i次加载时钢球的压入深度，mm；
h0——加载接触载荷时钢球的压入深度，mm。
进一步地，应变值ε的计算方法为式(Ⅱ)所示：
Figure BDA0002998910500000032
式中，εi——第i次加载时的应变值，％；
Si——第i次加载时压痕的表面积，mm2；
Si'——第i次加载时压痕在垂直于应力方向平面上的投影面积，mm2；
R——钢球的半径；
hi——第i次加载时钢球的压入深度，mm；
h0——加载接触载荷时钢球的压入深度，mm。
本发明所述的测量金属材料力学性能的方法，综合了单向拉伸试验和布氏硬度试验两种方法的优点，由于不用制备试样，只需在工件上测量，且测量时间短，可以在生产现场使用；又由于只需要测量载荷大小和钢球的压入深度，测量准确度高，可以分辨出细微的差别。所以，该方法可以用在生产现场从事优选退火制度和评价退火效果的工作。
附图说明
图1为本发明所述测量金属材料力学性能的方法示意图。
图2为采用本发明所述的方法测量2024铝合金管材不同状态的力学性能图。
图3为本发明所述方法与采用单向拉伸试验方法测量同一根7475铝合金管材产品力学性能的对比图。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供了一种测量金属材料力学性能的方法，参考图1，具体为将一个直径为
Figure BDA0002998910500000041
的钢球连续的压入进金属材料的表面，记录每一次的载荷值和钢球的压入深度，并将载荷值和钢球的压入深度换算成应力值和应变值，得到应力和应变的关系。
载荷和压入深度的关系决定于试验条件和材料的力学性能，当试验条件固定时，这一关系唯一取决于材料的力学性能，因此可以通过该方法比较不同材料或同种材料不同状态的力学性能。
本实施例通过施加一系列递进的载荷，将一个钢球连续压入进材料表面，材料将针对这一侵入行为产生一定的反应，不同力学性能的材料其反应强弱不一样，检测出这一反应的大小，并计算出应力应变的关系，就能够表征出材料的力学性能。
进一步地，首先施加接触载荷P0，P0的范围为1N～20N。
进一步地，每一次载荷增量ΔP的范围为5N～50N。
进一步地，钢球的压入深度最大值为钢球半径的1/3。
进一步地，应力值σ的计算方法为式(Ⅰ)所示：
Figure BDA0002998910500000051
式中，σi——第i次加载时的应力值，MPa；
Pi——第i次加载时施加的载荷，N；
Si'——第i次加载时压痕在垂直于应力方向平面上的投影面积，mm2；
i——施加载荷的顺序数；
ΔP——每一次施加的载荷增量，N；
R——钢球的半径，mm；
hi——第i次加载时钢球的压入深度，mm；
h0——加载接触载荷时钢球的压入深度，mm。
进一步地，应变值ε的计算方法为式(Ⅱ)所示：
Figure BDA0002998910500000052
式中，εi——第i次加载时的应变值，％；
Si——第i次加载时压痕的表面积，mm2；
Si'——第i次加载时压痕在垂直于应力方向平面上的投影面积，mm2；
R——钢球的半径；
hi——第i次加载时钢球的压入深度，mm；
h0——加载接触载荷时钢球的压入深度，mm。
使用一个简单的装置就可以实现本实施例所述的测量过程。首先加工一个C形框架，框架下横梁设置一个砧板，便于放置工件，上横梁装备一个液压缸作为施加载荷的机构；然后将钢球与液压缸的活塞杆装配在一起，并配备压力传感器和位移传感器，就构成了测量工件力学性能的装置。
将工件放在砧板上，通过液压缸将钢球压在工件上，逐次进行加载，读出载荷值和压头的位移值，直到钢球压入进至1/3R的深度。
根据本发明的方法，使用上述装置，进行了2024铝合金管材退火制度优化的工作，比较了不同状态管材的力学性能。选用φ5mm的淬火工具钢钢球，接触载荷F0选为9.8N，每次加载都是在上次加载的基础上增加3kgf，试验结果见图2。
图2曲线中对应的状态如下：
时效态：固溶+人工时效处理；
冷拔态：～20％的冷拔变形处理；
回复态：冷拔态的管材经过240℃(或260℃)、1小时～3小时加热后空冷；
退火态：冷拔态的管材经过415℃(或380℃)加热1～2小时后，随炉冷却、或炉冷到345℃后空冷、或空冷后再加热到不同温度保温后空冷。
通过该方法优化了现场的退火工艺，在保证退火效果不变的前提下，每一次退火的占炉时间由～10小时缩短到了～5小时。
实施例2
本实施进行了7475铝合金冷拔态管材的力学性能测量；方法与实施例1相同，，接触载荷F0选为9.8N每次加载都是在上次加载的基础上增加3kgf；使用与实施例1相同的简易装置，同一根管材，通过管剖条制备了标准试样，利用拉伸试验机测量了力学性能。两种不同方法所得到的力学性能曲线被放在同一张图上进行比较，见图3。
本发明未尽事宜为公知技术。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种测量金属材料力学性能的方法，其特征在于：将一个直径为
Figure FDA0002998910490000011
的钢球连续的压入进金属材料的表面，记录每一次的载荷值和钢球的压入深度，并将载荷值和钢球的压入深度换算成应力值和应变值，得到应力和应变的关系。
2.根据权利要求1所述的测量金属材料力学性能的方法，其特征在于：首先施加接触载荷P0，P0的范围为1N～20N。
3.根据权利要求1所述的测量金属材料力学性能的方法，其特征在于：每一次载荷增量ΔP的范围为5N～50N。
4.根据权利要求1所述的测量金属材料力学性能的方法，其特征在于：钢球的压入深度最大值为钢球半径的1/3。
5.根据权利要求1所述的测量金属材料力学性能的方法，其特征在于：应力值σ的计算方法为式(Ⅰ)所示：
Figure FDA0002998910490000012
式中，σi——第i次加载时的应力值，MPa；
Pi——第i次加载时施加的载荷，N；
Si'——第i次加载时压痕在垂直于应力方向平面上的投影面积，mm2；
i——施加载荷的顺序数；
ΔP——每一次施加的载荷增量，N；
R——钢球的半径，mm；
hi——第i次加载时钢球的压入深度，mm；
h0——加载接触载荷时钢球的压入深度，mm。
6.根据权利要求1所述的测量金属材料力学性能的方法，其特征在于：应变值ε的计算方法为式(Ⅱ)所示：
Figure FDA0002998910490000021
式中，εi——第i次加载时的应变值，％；
Si——第i次加载时压痕的表面积，mm2；
Si'——第i次加载时压痕在垂直于应力方向平面上的投影面积，mm2；
R——钢球的半径；
hi——第i次加载时钢球的压入深度，mm；
h0——加载接触载荷时钢球的压入深度，mm。
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