CN114047061A - 适用于爆炸焊接界面原位拉伸剪切性能测试的试样 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于爆炸焊接界面原位拉伸剪切性能测试的试样，属于界面静态剪切力学性能测试技术领域。所述试样为加工有两个U型缺口的中心对称结构复合板，所述复合板包含两块相同尺寸的板材且两块板材之间通过爆炸焊接连接，每块板材上加工有一个U型缺口，还可以在每个U型缺口中接近中心对称点的根部加工一个诱导缺口，确保拉伸剪切力集中在焊接界面处，同时使试样的失效也发生在焊接界面处。本发明通过试样结构的优化，结合原位拉伸试验装置技术和扫描电子显微镜，能够实现对爆炸焊接界面原位拉伸剪切加载过程的监测，从而实现对不同参数爆炸焊接复合板界面强度拉伸剪切力学性能的评估。

Description

适用于爆炸焊接界面原位拉伸剪切性能测试的试样
技术领域
本发明涉及一种适用于爆炸焊接界面原位拉伸剪切性能测试的试样，属于界面静态剪切力学性能测试技术领域。
背景技术
随着科技发展，爆炸焊接复合材料已被广泛应用于航空航天、石油、化工、造船、机械、电子、电力等工业工程领域。其中，爆炸焊接是可以把物理和化学性能相同、相近及相差悬殊的金属进行组合，甚至可以把不能或难于制成的产品进行组合到一起的有效手段。爆炸焊接的焊接质量主要以爆炸焊接不同板材复合界面的抗拉、抗剪、抗弯曲强度，复合板界面的结晶脆化程度，以及复合板的硬度、抗腐蚀能力的变化等来衡量。目前对爆炸焊接复合板的复合界面的力学性能研究主要在静态力学方面，对于爆炸焊接界面准静剪切的力学性能及其失效过程机理研究比较少。在工业的生产应用当中，焊接界面的准静态剪切力学性能是衡量焊接质量的一个重要标准，特别是在航空航天、石油、化工、造船、机械、电子、电力等工业工程领域采用爆炸焊接制备的过渡接头、复合板及其零部件等，在不同的应用工况条件下常常在焊接界面处会发生剪切失效。但是对于剪切失效的过程及其失效机理迫于试验条件的限制，未能得到充分的认知。于是，对爆炸焊接界面的拉伸剪切力学性能及其失效的机理过程研究是工业应用当中需要解决的一个课题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种适用于爆炸焊接界面原位拉伸剪切性能测试的试样，通过设计特定结构的试样，结合原位拉伸试验装置技术和扫描电子显微镜(SEM)，能够实现对爆炸焊接界面原位拉伸剪切加载过程的监测，从而能够获得爆炸焊接界面拉伸剪切性能及其失效演化机理。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
适用于爆炸焊接界面原位拉伸剪切性能测试的试样，所述试样为加工有两个U型缺口的中心对称结构复合板，所述复合板包含两块相同尺寸的板材且两块板材之间通过爆炸焊接连接，每块板材上加工有一个U型缺口。另外，两块板材的材质可以相同，也可以不相同。
以U型缺口的宽度方向(或者爆炸焊接界面方向)为长度方向，试样的长度与每块板材的长度相等；以U型缺口的深度方向为宽度方向，试样的宽度为两块板材宽度之和；与U型缺口的宽度方向以及深度方向分别垂直的方向为厚度方向，试样的厚度与每块板材的厚度相等；
在试样长度方向上，试样的宽度由两端至中间呈现由大变小后保持不变的现象，在中间形成等宽段区域；试样的长度记为L，试样的最大宽度记为W，试样的等宽段区域的宽度记为w3，试样的厚度记为H；两个U型缺口位于等宽段区域，两个U型缺口在长度方向的垂直距离记为l0，则l0＝w3/2，或者l0＞w3/2，或者l0＜w3/2，l0与w3/2的差值绝对值不大于0.5mm；U型缺口的深度记为w1，则w1＝w3/2±0.1mm。
进一步地，两个U型缺口中接近中心对称点的根部均加工有一个诱导缺口，诱导缺口在试样长度方向的开口尺寸记为l2，在宽度方向的开口尺寸记为w2，U型缺口的宽度以及深度分别记为l1、w1，则l2＜l1，w2＜w1；相应地，此时两个诱导缺口在长度方向的垂直距离记为l0，则l0＝w3/2，或者l0＞w3/2，或者l0＜w3/2，且l0与w3/2的差值绝对值不大于0.5mm；
进一步地，l2＝0.3mm～0.5mm，w2＝(0.2～0.3)w1。
进一步地，l0＝w3/2。
进一步地，U型缺口的宽度记为l1，l1＝1mm～2mm。
进一步地，H为1mm～2mm。
进一步地，等宽段区域的长度记为l3，l3＝15mm～30mm。
利用原位拉伸试验装置对经过不同温度下热处理的试样进行测试，通过改变加载速率实现对试样不同应变率的加载，结合扫描电子显微镜，对爆炸焊接界面的失效过程及其裂纹扩展进行监测；通过对监测所获得的数据进行后续处理，可以获得爆炸焊接复合板不同热处理后界面强度拉伸剪切力学性能的应力应变关系及其静态演化失效机理，从而实现对不同参数爆炸焊接复合板界面强度拉伸剪切力学性能的评估。
有益效果：
本发明所述的试样中，在试样两侧呈中心对称加工的两个U型缺口，以及在U型缺口根部加工的辅助诱导缺口，主要是确保拉伸剪切力集中在焊接界面处，同时使试样的失效也发生在焊接界面处，从而能够更好地研究焊接界面的拉伸剪切强度及其失效过程和机理。本发明通过优化试样的结构，在原位拉伸剪切实验中采用扫描电子显微镜进行焊接界面的失效过程观察，实现在静态力学条件下焊接界面在微观尺度的失效机理及其失效过程的研究分析，为获得良好的爆炸焊接复合板及降低产品的废品率、提高产品的质量和寿命有着重要的参考价值，同时对指导爆炸焊接复合板的实际生产加工以及爆炸焊接参数的选取都有着重要的指导作用。
附图说明
图1为实施例1中所述试样的结构示意图。
图2为实施例1中所述试样经过原位拉伸剪切失效后的实物图。
图3为实施例1中所述试样失效后的断裂界面进行EDS分析的SEM图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述，其中，所述方法如无特别说明均为常规方法，所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。另外，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
以长×宽×厚为750mm×350mm×130mm的大面积钛(TA2)-钢(Q235)爆炸焊接复合板为研究对象，研究其经过不同热处理后的爆炸焊接界面原位拉伸剪切的力学性能及其失效机理，具体包括以下步骤：
(1)通过机加工从大面积复合板上获得长度为55mm、最大宽度为15mm以及厚度为1mm的小面积复合板，在其长度方向上复合板的宽度由两端至中间呈现由大变小后保持不变的现象，在小面积复合板长度方向的中间形成长度为38mm以及宽度为5mm的等宽段区域；小面积复合板包含两块尺寸相同的钛板和钢板，钛板和钢板的爆炸焊接界面位于小面积复合板的宽度中心线上；
在小面积复合板的等宽段区域的钛板上和钢板上分别加工一个U型缺口，两个U型缺口呈中心对称结构，且两个U型缺口中接近中心对称点的根部均加工有一个诱导缺口，则得到适用于爆炸焊接界面原位拉伸剪切性能测试的试样，如图1所示；
所述试样的长度记为L，L＝55mm，试样的长度与试样中钛板或钢板的长度相等；试样的最大宽度记为W，W＝15mm，试样的宽度为试样中钛板和钢板的宽度之和；试样的厚度记为H，H＝1mm，试样的厚度与试样中钛板或钢板的厚度相同；试样等宽段区域的宽度记为w3，w3＝5mm；
U型缺口的深度记为w1以及宽度记为l1，则w1＝2.5mm，l1＝2mm；
U型缺口中加工的诱导缺口在长度方向的开口尺寸记为l2，在宽度方向的开口尺寸记为w2，在厚度方向的开口尺寸记为h2(h2≤H)，则l2＝1mm，w2＝1mm，h2＝0.5mm；
两个U型缺口中加工的诱导缺口在长度方向的垂直距离记为l0，l0＝2.5mm；
(2)先对试样进行退火处理(退火温度500℃～1000℃)，再对试样进行抛光处理使其表面光洁度达到0.4～0.6，之后用酒精清洗晾干备用；
(3)将试样安装在带有扫描电子显微镜的原位拉伸实验装置中，通过改变加载速率实现对试样不同应变率的加载，结合扫描电子显微镜，对爆炸焊接界面的失效过程及其裂纹扩展进行监测；
(4)通过对监测所获得的数据进行后续处理，可以获得爆炸焊接复合板不同热处理后界面强度拉伸剪切力学性能的应力应变关系及其静态演化失效机理，从而实现对不同参数爆炸焊接复合板界面强度拉伸剪切力学性能的评估。
试样在原位拉伸剪切过程中发生失效，失效后的实物图如2所示，说明复合板是从爆炸焊接界面处发生断裂的。对图3中的断裂界面进行元素分析(EDS)，测得Ti的百分含量为84.63％以及Fe的百分含量为15.37％，说明是从爆炸焊接界面处发生断裂的。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、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.适用于爆炸焊接界面原位拉伸剪切性能测试的试样，其特征在于：所述试样为加工有两个U型缺口的中心对称结构复合板，所述复合板包含两块相同尺寸的板材且两块板材之间通过爆炸焊接连接，每块板材上加工有一个U型缺口。
2.根据权利要求1所述的适用于爆炸焊接界面原位拉伸剪切性能测试的试样，其特征在于：以所述U型缺口的宽度方向为长度方向，以所述U型缺口的深度方向为宽度方向，与所述U型缺口的宽度方向以及深度方向分别垂直的方向为厚度方向；
在所述试样长度方向上，所述试样的宽度由两端至中间呈现由大变小后保持不变的现象，在中间形成等宽段区域；所述试样的长度记为L，最大宽度记为W，厚度记为H，等宽段区域的宽度记为w3；
两个U型缺口位于等宽段区域，两个U型缺口在长度方向的垂直距离记为l0，l0与w3/2的差值绝对值不大于0.5mm；U型缺口的深度记为w1，则w1＝w3/2±0.1mm。
3.根据权利要求1或2所述的适用于爆炸焊接界面原位拉伸剪切性能测试的试样，其特征在于：两个U型缺口中接近中心对称点的根部均加工有一个诱导缺口，诱导缺口在所述试样长度方向的开口尺寸记为l2，在宽度方向的开口尺寸记为w2；U型缺口的宽度以及深度分别记为l1、w1；
则l2＜l1，w2＜w1；相应地，此时两个诱导缺口在长度方向的垂直距离记为l0，l0与w3/2的差值绝对值不大于0.5mm。
4.根据权利要求3所述的适用于爆炸焊接界面原位拉伸剪切性能测试的试样，其特征在于：l2＝0.3mm～0.5mm，w2＝(0.2～0.3)w1。
5.根据权利要求2所述的适用于爆炸焊接界面原位拉伸剪切性能测试的试样，其特征在于：l0＝w3/2。
6.根据权利要求2所述的适用于爆炸焊接界面原位拉伸剪切性能测试的试样，其特征在于：U型缺口的宽度记为l1，l1＝1mm～2mm。
7.根据权利要求2所述的适用于爆炸焊接界面原位拉伸剪切性能测试的试样，其特征在于：H为1mm～2mm。
8.根据权利要求2所述的适用于爆炸焊接界面原位拉伸剪切性能测试的试样，其特征在于：等宽段区域的长度记为l3，l3＝15mm～30mm。
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