CN116296874A - 电阻型热力模拟试验机高温拉伸试样熔断面修正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高温拉伸试验金属试样断面熔化时断面修正方法，尤其涉及一种电阻型热力模拟试验机高温拉伸试样熔断面修正方法；使试样轴线垂直于溶液的液面，置于该溶液内；在置入的过程中每次下降相同的距离d，mm；试样下降时，记录溶液液面的升高H，mm；溶液与浸入其中的试样的总体积V，ml；绘制溶液与浸入溶液部分试样的总体积V，ml和试样下降距离d之间的关系曲线；对曲线进行一阶微分，得到曲线的斜率随着试样下降距离d的变化关系曲线；根据试样变形前后体积不变规律得
修正后的伸长量Δl由如下公式计算，Δl＝2(L1+L2‑L0)。针对断口因熔融被破坏的情况，对断口进行修正，实现对断口延伸率和断面收缩率准确的测量与计算。
Description
技术领域
本发明涉及高温拉伸试验金属试样断面熔化时断面修正方法，尤其涉及一种电阻型热力模拟试验机高温拉伸试样熔断面修正方法。
背景技术
电阻型热力模拟试验机采用电阻加热原理进行热/力模拟试验，该试验机是一个材料热力学加工性能分析系统，具有急(慢)速升温降温、急(慢)速拉压变形、并同时记录温度、力、应力、应变等参数变化曲线的功能。该设备可对金属材料的冶炼、铸造、锻压、成形、热处理及焊接工艺等各个制备阶段的工艺与材料性能的变化之间的关系进行精确的模拟。
目前，普遍采用热力模拟试验机，将试样加热到高温区，在高温区保温一段时间，然后降到某一温度，最后以一定的拉伸速率进行高温拉伸，直至将试样拉断，模拟连铸坯弯矫工艺过程，对拉断后试样的横断面面积进行分析或对拉断后试样的拉伸长度进行分析，从而获得断面收缩率或伸长率，以研究铸坯在连铸过程中的塑性性能。连铸坯塑性的好坏与铸坯在连铸至弯曲矫直工艺过程之后是否产生裂纹有着密切的关系，因此，准确计算出断后试样的断面收缩率至关重要。
然而，试样在电阻型热力模拟试验机内被视作闭合电路的电阻，试样在高温状态下被拉断的瞬间，通过试样的电流极其不稳定，电流的热输入使试样的温度瞬间升高，极易超过试样的熔点，导致试样断口熔化，最终使试样的横断面面积和伸长量难于测量，从而难于对试样的断面收缩率或伸长率进行准确的计算。
现有技术仅仅适用于形状、尺寸规则的拉伸断裂试样，201110081820.4公开了“柱状拉伸试样断后伸长率和断面收缩率测量的装卡装置”，CN200620045221.1公开了“圆形试样断后伸长率和断面收缩率的快速测量装置”。所采用的断面收缩率计算方法只适用于断口为圆形的规则截面。圆形或椭圆形横断面形状规则的断口能够通过游标卡尺测量直径或长短轴长度，然后根据圆形或椭圆形的面积计算公式计算出其面积；但是，若出现高温拉断试样时断口因熔融被破坏的情况，就无法进行有效的测量与计算。
因此，针对试样在高温被拉断时，断口因熔融被破坏的情况，亟待提出一种有效的断口修正方法，以实现断面收缩率或伸长率的有效测量与计算。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种电阻型热力模拟试验机高温拉伸试样熔断面修正方法。针对高温拉断试样时断口因熔融被破坏的情况，对断口进行修正，实现对断口延伸率和断面收缩率准确的测量与计算。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种电阻型热力模拟试验机高温拉伸试样熔断面修正方法，该方法具体包括如下步骤：
步骤1、选用棒状的圆柱体试样，通过电阻型热力模拟试验机，按照预定的实验方案对模拟试样进行加热、保温、降温，然后进行拉伸，直至将试样拉断，得到断成两段的试样，取其中一段试样。
步骤2、取一个容器置于水平面上，将不与试样发生反应的溶液注入容器内。将步骤1中取出的一段试样，使其轴线垂直于溶液的液面，沿着垂直于溶液液面的方向，缓慢置于该溶液内。
在置入的过程中，可以采用两种方式：一是每次下降相同的距离d，mm；二是试样匀速下降，下降速度为v，mm/s。
试样下降时，记录溶液液面的升高H，mm，溶液与浸入其中的试样的总体积v，ml。
步骤3、绘制溶液与浸入其中的试样的总体积V，ml和试样下降距离d之间的关系曲线，或溶液与浸入其中的试样的总体积V，ml和试样下降时间t，s，之间的关系曲线。
试样刚浸入溶液时，曲线呈现直线上升。当试样的台状部分浸入溶液时，此时的截面随着试样的下降逐渐减小，曲线斜率也随之减小，直至试样下降至断口熔融部分处。
步骤4、基于步骤3绘制的曲线分析，对曲线进行一阶微分，得到曲线的斜率随着试样下降距离d或曲线的斜率随着试样下降时间t的变化关系曲线。
最大体积增量ΔV1对应试样最大横截面面积S1，最小体积增量ΔV2对应试样最小横截面面积S2。根据体积增量与横截面面积成正比，得出如下公式：
K＝ΔV1/S1＝ΔV2/S2 (1)
式中：K为常数；
ΔV1为最大体积增量，ml；
S1为最大横截面面积，mm2；
ΔV2为最小体积增量，ml；
S2最小横截面面积，mm2；
对于介于最大体积增量ΔV1与最小体积增量ΔV2之间的体积增量ΔV，ml，引起体积增量ΔV对应试样的横截面面积S，mm2，由如下公式表示为
K＝ΔV/S (2)
步骤5、选取步骤4曲线中下降的一段进行多项式拟合得到如下公式
ΔV＝f(l) (3)
ΔV＝f(t) (4)
分别将公式(3)、公式(4)与公式(2)联立得
步骤6、试样原始长度为2L0，mm；横截面面积为S0，mm2，则变形前其一半的体积为L0S0，试样拉伸变形断裂后的体积由两部分组成，一部分为未变形的圆柱体，长度为L1，mm，另一部分为变形的台状体，高度为L2，mm。
根据试样变形前后体积不变规律得
L2＝vt0 (9)
由公式(7)或公式(8)得到L2或t0，再将l＝L2代入公式(5)或t＝t0代入公式(6)，即可求出修正后的横截面面积S，而修正后的伸长量Δl由如下公式计算
Δl＝2(L1+L2-L0) (10)
与现有方法相比，本发明的有益效果是：
本发明通过建立浸入溶液过程中引起的体积增量与试样下降距离或试样匀速下降时间的关系曲线，找到试样横截面面积沿着轴向的变化规律，结合试样变形前后体积不变，对试样熔断断口对横截面面积或伸长量的影响进行修正，避免了直接测量导致的人为误差，基于此得到的断面收缩率或伸长率更准确。
附图说明
图1是本发明溶液与浸入其中的试样的总体积V和试样下降距离d之间的关系曲线示意图；
图2是本发明溶液与浸入其中的试样的总体积V和试样下降时间t之间的关系曲线示意图；
图3是本发明溶液与浸入其中的试样的总体积增量ΔV与试样下降距离d之间的关系曲线示意图；
图4是本发明溶液与浸入其中的试样的总体积增量ΔV与试样下降时间t之间的关系曲线示意图；
图5是本发明实施例1、3测定的溶液与浸入其中的试样的总体积V和试样下降距离d之间的关系曲线图；
图6是本发明实施例1、3测定的溶液与浸入其中的试样的总体积增量ΔV和试样下降距离d之间的关系曲线图；
图7是本发明实施例2、4测定的溶液与浸入其中的试样的总体积V和试样下降时间t之间的关系曲线图；
图8是本发明实施例2、4测定的溶液与浸入其中的试样的总体积增量ΔV和试样下降时间t之间的关系曲线。
具体实施方式
本发明公开了一种电阻型热力模拟试验机高温拉伸试样熔断面修正方法。本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。
一种电阻型热力模拟试验机高温拉伸试样熔断面修正方法，该方法具体包括如下步骤：
步骤1、通过模拟实验获得试样。选用模拟试样为棒状的圆柱体，通过电阻型热力模拟试验机，按照预定的实验方案对模拟试样进行加热、保温、降温，然后在600～1400℃下进行拉伸，直至将试样拉断，得到断成两段的试样，取其中的一段。
步骤2、取一盛满足量溶液的容器，将其置于水平面上，溶液不与试样发生反应。将步骤1中取出的一段试样，使其轴线垂直于溶液的液面，沿着垂直于溶液液面的方向，缓慢置于该溶液内。
在置入的过程中，可以采用两种方式：一是每次下降相同的距离d，mm；二是试样匀速下降，下降速度为v，mm/s。
下降时，记录溶液液面的升高，溶液与浸入其中的试样的总体积v，ml。
步骤3、绘制步骤2中，溶液与浸入其中的试样的总体积v和试样下降距离d之间的关系曲线，或溶液与浸入其中的试样的总体积v和试样下降时间t，s，之间的关系曲线，如图1和2所示。
试样刚浸入溶液时，试样使液面上升，使溶液体积产生增量，增量为圆柱体浸入溶液部分的体积，由于圆柱体截面处处相等，因此，曲线呈现直线上升。当试样的台状部分浸入溶液时，此时的截面随着试样的下降，逐渐减小，因此，曲线的斜率也随之减小，直至试样下降至断口熔融部分处。
步骤4、基于步骤3绘制的曲线分析，对曲线进行一阶微分，得到曲线的斜率随着试样下降距离d或曲线的斜率随着试样下降时间t的变化关系曲线，曲线斜率对应体积增量，如图3和4所示。
最大体积增量ΔV1对应试样最大横截面面积S1，最小体积增量ΔV2对应试样最小横截面面积S2。根据体积增量与横截面面积成正比，得出如下公式：
K＝ΔV1/S1＝ΔV2/S2 (1)
式中：K为常数；
ΔV1为最大体积增量，ml；
S1为最大横截面面积，mm2；
ΔV2为最小体积增量，ml；
S2最小横截面面积，mm2；
对于介于最大体积增量ΔV1与最小体积增量ΔV2之间的体积增量ΔV，ml，引起体积增量ΔV对应试样的横截面面积S，mm2，由如下公式表示为
K＝ΔV S (2)
步骤5、对步骤4中的图3或图4中的曲线，选取曲线中下降的一段进行多项式拟合得到如下公式
ΔV＝f(l) (3)
ΔV＝f(t) (4)
分别将公式(3)、公式(4)与公式(2)联立得
步骤6、试样原始长度为2L0，mm；横截面面积为S0，mm2，则变形前其一半的体积为L0S0，试样拉伸变形断裂后的体积由两部分组成，一部分为未变形的圆柱体，长度为L1，mm，另一部分为变形的台状体，高度为L2，mm。
根据试样变形前后体积不变规律得
L2＝vt0 (9)
由公式(7)或公式(8)得到L2或t0，再将l＝L2代入公式(5)或t＝t0代入公式(6)，即可求出修正后的横截面面积S，而修正后的伸长量Δl由如下公式计算
Δl＝2(L1+L2-L0) (10)
【实施例】
实施例1：一种电阻型热力模拟试验机高温拉伸试样熔断面修正方法，该方法具体包括如下步骤：
1、通过模拟实验获得试样。
选用材料为一种低碳钢，并加工成模拟试样，尺寸为Φ10×125mm的圆柱体，通过Gleeble-3800电阻型热力模拟试验机，将其加热至1300℃，保温5分钟，之后以3℃/s的速度降温至1000℃，之后保温1分钟进行拉伸，拉伸速率设为1×10-3s-1，直至将试样拉断，得到断成两段的试样。
基于试样在高温下变形行为特点，试样断成两段，每一段近断口处的一端呈台状，其余部分呈圆柱状；
2、取一盛满足量水的容器，置于水平面上。将步骤1中取其中一段试样，使其轴线垂直于水的液面，缓慢置于水中。在置入的过程中，每次下降相同的距离0.5毫米。
3、绘制步骤2中，水与浸入水中部分试样的总体积和试样下降距离之间的关系曲线，如图5所示；
4、基于步骤3绘制的曲线分析，对曲线进行一阶微分，得到曲线的斜率随着试样下降距离l变化关系曲线，如图6所示。
曲线斜率对应体积增量，最大体积增量ΔV1对应试样最大横截面面积S1，最小体积增量ΔV2对应试样最小横截面面积S2。根据公式(1)得K值为1，由公式(2)知ΔV＝S。
5、对图6中的曲线中下降段，采用三阶多项式拟合得到
ΔV＝-3687+244.6l-4.99l2+0.03l3 (11)
S＝-3687+244.6l-4.99l2+0.03l3 (12)
6、试样原始长度为125mm，横截面面积为78.5mm2，则变形前其一半的体积为4906.25mm3，未变形的圆柱体长度为52.5mm，将其代入公式(7)中得到L2为13.5mm，将l＝13.5mm代入公式(5)得到横截面面积为21.7mm2。再由公式(10)计算得到伸长量为3.5mm。
实施例2：一种电阻型热力模拟试验机高温拉伸试样熔断面修正方法，该方法具体包括如下步骤：
1、通过模拟实验获得试样。
选用材料为一种低碳钢，并加工成模拟试样，尺寸为Φ10×125mm的圆柱体，通过Gleeble-3800电阻型热力模拟试验机将其加热至1300℃，保温5分钟，之后以3℃/s的速度降温至1000℃，之后保温1分钟进行拉伸，拉伸速率设为1×10-3s-1，直至将试样拉断，得到断成两段的试样。
基于试样在高温下变形行为特点，试样断成两段，每一段近断口处的一端呈台状，其余部分呈圆柱状。
2、取一盛满足量水的容器，置于水平面上。将步骤1中取其中一段试样，使其轴线垂直于水的液面，缓慢置于水中。在置入的过程中，试样匀速下降，下降速度为v＝1mm/s。
3、绘制步骤2中，水与浸入水中部分试样的总体积和试样下降时间之间的关系曲线，如图7所示。
4、基于步骤3绘制的曲线分析，对曲线进行一阶微分，得到曲线的斜率随着试样下降时间t变化关系曲线，如图8所示。
曲线斜率对应体积增量，最大体积增量ΔV1对应试样最大横截面面积S1，最小体积增量ΔV2对应试样最小横截面面积S2。根据公式(1)得K值为1，由公式(2)知ΔV＝S；
对图6中的曲线中下降段，采用三阶多项式拟合得到
ΔV＝-3467.5+228.5t-4.63t2+0.03t3 (13)
S＝-3467.5+228.5t-4.63t2+0.03t3 (14)
6、试样原始长度为125mm，横截面面积为78.5mm2，则变形前其一半的体积为4906.25mm3，未变形的圆柱体长度为52.5mm，将其代入公式(8)中得到t0为13.5s，将t0＝13.5s代入公式(6)得到横截面面积为21.7mm2。
将t0＝13.5s代入公式(9)得到L2＝13.5mm，再由公式(10)计算得到伸长量为3.5mm。
实施例3：一种电阻型热力模拟试验机高温拉伸试样熔断面修正方法，该方法具体包括如下步骤：
1、通过模拟实验获得试样。选用材料为一种低碳钢，并加工成模拟试样，尺寸为Φ10×125mm的圆柱体，通过Gleeble-3800电阻型热力模拟试验机将其加热至1300℃，保温5分钟，之后以3℃/s的速度降温至700℃，之后保温1分钟进行拉伸，拉伸速率设为1×10-3s-1，直至将试样拉断，得到断成两段的试样。基于试样在高温下变形行为特点，试样断成两段，每一段近断口处的一端呈台状，其余部分呈圆柱状。
2、取一盛满足量水的容器，置于水平面上。将步骤1中取其中一段试样，使其轴线垂直于水的液面，缓慢置于水中。在置入的过程中，每次下降相同的距离0.5毫米。
3、绘制步骤2中，水与浸入水中部分试样的总体积和试样下降距离之间的关系曲线，如图5所示。
4、基于步骤3绘制的曲线分析，对曲线进行一阶微分，得到曲线的斜率随着试样下降距离l变化关系曲线，如图6所示。曲线斜率对应体积增量，最大体积增量ΔV1对应试样最大横截面面积S1，最小体积增量ΔV2对应试样最小横截面面积S2。根据公式(1)得K值为1，由公式(2)知ΔV＝S；
5、对图中的曲线中下降段，采用三阶多项式拟合得到
ΔV＝-3016+193.1l-5.2l2+0.028l3 (11)
S＝-3016+193.1l-5.2l2+0.028l3 (12)
6、试样原始长度为125mm，横截面面积为78.5mm2，则变形前其一半的体积为4906.25mm3，未变形的圆柱体长度为53.1mm，将其代入公式(7)中得到L2为11.9mm，将l＝11.9mm代入公式(5)得到横截面面积为68.6mm2。再由公式(10)计算得到伸长量为2.5mm。
实施例4：一种电阻型热力模拟试验机高温拉伸试样熔断面修正方法，该方法具体包括如下步骤：
1、通过模拟实验获得试样。选用材料为一种低碳钢，并加工成模拟试样，尺寸为Φ10×125mm的圆柱体，通过Gleeble-3800电阻型热力模拟试验机将其加热至1300℃，保温5分钟，之后以3℃/s的速度降温至700℃，之后保温1分钟进行拉伸，拉伸速率设为1×10-3s-1，直至将试样拉断，得到断成两段的试样。基于试样在高温下变形行为特点，试样断成两段，每一段近断口处的一端呈台状，其余部分呈圆柱状。
2、取一盛满足量水的容器，置于水平面上。将步骤1中取其中一段试样，使其轴线垂直于水的液面，缓慢置于水中。在置入的过程中，试样匀速下降，下降速度为v＝1mm/s。
3、绘制步骤2中，水与浸入水中部分试样的总体积和试样下降时间之间的关系曲线，如图7所示。
4、基于步骤3绘制的曲线分析，对曲线进行一阶微分，得到曲线的斜率随着试样下降时间t变化关系曲线，如图8所示。曲线斜率对应体积增量，最大体积增量ΔV1对应试样最大横截面面积S1，最小体积增量ΔV2对应试样最小横截面面积S2。根据公式(1)得K值为1，由公式(2)知ΔV＝S；
对图中的曲线中下降段，采用三阶多项式拟合得到
ΔV＝-3966.3+198.5t-5.01t2+0.028t3 (13)
S＝-3966.3+198.5t-5.01t2+0.028t3 (14)
试样原始长度为125mm，横截面面积为78.5mm2，则变形前其一半的体积为4906.25mm3，未变形的圆柱体长度为53.1mm，将其代入公式(8)中得到t0为11.9s，将t0＝11.9s代入公式(6)得到横截面面积为68.6mm2。
将t0＝11.9s代入公式(9)得到L2＝11.9mm，再由公式(10)计算得到伸长量为2.5mm。
本发明通过建立浸入溶液过程中引起的体积增量与试样下降距离或试样匀速下降时间的关系曲线，找到试样横截面面积沿着轴向的变化规律，结合试样变形前后体积不变，对试样熔断断口对横截面面积或伸长量的影响进行修正，避免了直接测量导致的人为误差，基于此得到的断面收缩率或伸长率更准确。
本发明针对高温拉断试样时断口因熔融被破坏的情况，对断口进行修正，实现对断口延伸率和断面收缩率准确的测量与计算。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.电阻型热力模拟试验机高温拉伸试样熔断面修正方法，该方法具体包括如下步骤：
步骤1)采用棒状的试样，对试样进行加热、保温、降温，然后进行拉伸，直至将试样拉断，得到断成两段的试样；取其中一段试样；
步骤2)取一个容器置于水平面上，将不与试样发生反应的溶液注入容器内；将台状试样轴线垂直于溶液的液面，沿着垂直于溶液液面的方向，置于溶液内；
在置入的过程中每次下降相同的距离d，mm；
试样下降时，记录溶液液面的升高H，mm；溶液与浸入其中的试样的总体积V，ml；
步骤3)绘制溶液与浸入其中的试样的总体积V，ml和试样下降距离d之间的关系曲线；
步骤4)对曲线进行一阶微分，得到曲线的斜率随着试样下降距离d的变化关系曲线；
最大体积增量ΔV1对应试样最大横截面面积S1，最小体积增量ΔV2对应试样最小横截面面积S2；根据体积增量与横截面面积成正比，得出如下公式：
K＝ΔV1/S1＝ΔV2/S2 (1)
式中：K为常数；
ΔV1为最大体积增量，ml；
S1为最大横截面面积，mm2；
ΔV2为最小体积增量，ml；
S2最小横截面面积，mm2；
对于介于最大体积增量ΔV1与最小体积增量ΔV2之间的体积增量ΔV，ml，引起体积增量ΔV对应试样的横截面面积S，mm2，由如下公式表示为
K＝ΔV/S (2)
步骤5)选取步骤4)曲线中下降的一段进行多项式拟合得到如下公式
ΔV＝f(l) (3)
将公式(3)与公式(2)联立得
步骤6)试样原始长度为2L0，mm；横截面面积为S0，mm2，则变形前其一半的体积为L0S0，试样拉伸变形断裂后的体积由两部分组成，一部分为未变形的圆柱体，长度为L1，mm，另一部分为变形的台状体，高度为L2，mm；
根据试样变形前后体积不变规律得
L2＝vt0 (9)
由公式(7)得到L2，再将l＝L2代入公式(5)，即可求出修正后的横截面面积S，mm2，而修正后的伸长量Δl由如下公式计算
Δl＝2(L1+L2-L0) (10)。
2.根据权利要求1所述的电阻型热力模拟试验机高温拉伸试样熔断面修正方法，其特征在于，所述步骤1)选用棒状的圆柱体试样。
3.根据权利要求1所述的电阻型热力模拟试验机高温拉伸试样熔断面修正方法，其特征在于，所述步骤2)在置入的过程中试样匀速下降，下降速度为v，mm/s。
4.根据权利要求3所述的电阻型热力模拟试验机高温拉伸试样熔断面修正方法，其特征在于，所述步骤3)绘制溶液与浸入溶液部分试样的总体积V，ml和试样下降时间t，s，之间的关系曲线。
5.根据权利要求4所述的电阻型热力模拟试验机高温拉伸试样熔断面修正方法，其特征在于，所述步骤4)对曲线进行一阶微分，得到曲线的斜率随着试样下降时间t的变化关系曲线。
6.根据权利要求5所述的电阻型热力模拟试验机高温拉伸试样熔断面修正方法，其特征在于，所述步骤5)选取步骤4曲线中下降的一段进行多项式拟合得到如下公式
ΔV＝f(t) (4)
将公式(4)与公式(2)联立得
7.根据权利要求6所述的电阻型热力模拟试验机高温拉伸试样熔断面修正方法，其特征在于，所述步骤6)根据试样变形前后体积不变规律得
L2＝vt0 (9)
由公式(8)得到t0，再将t＝t0代入公式(6)，即可求出修正后的横截面面积S，mm2，修正后的伸长量Δl由如下公式计算Δl＝2(L1+L2-L0)(10)。
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