CN116840047A - 一种Cu基形状记忆合金拉伸性能测试改进试样及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种Cu基形状记忆合金拉伸性能测试改进试样及其应用，属于性能测试领域，其包括标准拉伸试样、四个夹持垫片和多个中心插销，其中：标准拉伸试样为4D打印的Cu基形状记忆合金的板状拉伸试样，标准拉伸试样的两个夹持端上加工有中心通孔；夹持垫片分别设置在两个夹持端的两侧夹持面上；中心插销穿过中心通孔将夹持垫片与夹持端连接，中心插销的长度为夹持端厚度与两个夹持垫片厚度之和。本发明在不需要对拉伸机进行改造的基础上即可改变试样与拉伸机的界面接触方式，通过夹持垫片与中心插销的共同作用固定标准拉伸试样，从而避免其出现自动卸载的问题，成功实现Cu基形状记忆合金拉伸性能测试。
Description
技术领域
本发明属于性能测试领域，更具体地，涉及一种Cu基形状记忆合金拉伸性能测试改进试样及其应用。
背景技术
增材制造技术(俗称“3D打印”技术)是近三十年来发展起来的基于数字模型设计软件，将材料分解为逐层数据以实现累加制造实体零件的技术。具有成形速度快、生产周期短、材料利用率高、材料适应性好、无需图纸及工装设备、数字化程度高等优点，广泛应用于机械制造、航空航天、生物医疗等领域。随着高端设备的智能化发展中的重心逐渐转变为智能特性要求，4D打印技术通过3D打印技术制造特种构件实现形状、性能或功能随时间的可控变化，是实现复杂智能构件或智能材料制造的有效手段。
相较于研究最广泛的NiTi形状记忆合金，Cu基形状记忆合金以其更高且可变的相变温度，优异的导电导热特性和优良的可加工性，成为高温领域替代NiTi合金的优选材料。目前，通过选区激光熔化技术成形Cu基形状记忆合金是目前4D打印技术发展的重要研究方向之一，增材制造过程中陡峭的温度梯度可以有效的细化晶粒，降低成形合金的脆性，近净成形制造和粉末成分高效可控调节可以有效节省打印过程中的制造成本。
然而，通过对选区激光熔化技术成形Cu基形状记忆合金的研究中发现，由于Cu基形状记忆合金在变形过程中独特的双屈服现象，在第一个屈服平台会导致马氏体再取向及退孪晶现象的发生，导致试样发生软化从而在该阶段自动卸载，难以通过常用电子万能试验机实现室温拉伸性能的测量。因此，需要提出一种针对4D打印Cu基形状记忆合金的拉伸性能测试方法，以解决其在一个屈服平台会自动卸载的问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供Cu基形状记忆合金拉伸性能测试改进试样及其应用，旨在解决现有的Cu基形状记忆合金进行拉伸性能测试时会出现自动卸载的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种Cu基形状记忆合金拉伸性能测试改进试样，其包括标准拉伸试样、四个夹持垫片和多个中心插销，其中：所述标准拉伸试样为4D打印的Cu基形状记忆合金的板状拉伸试样，所述标准拉伸试样的两个夹持端上加工有中心通孔；所述夹持垫片分别设置在两个夹持端的两侧夹持面上；所述中心插销穿过中心通孔将夹持垫片与夹持端连接，所述中心插销的长度为夹持端厚度与两个夹持垫片厚度之和；工作时，通过夹持垫片与中心插销的共同作用避免拉伸性能测试时发生试样自动卸载的问题。
作为进一步优选地，所述夹持垫片和中心插销采用马氏体不锈钢、双相钢、相变诱导塑性钢或淬火分配钢制成。
作为进一步优选地，所述中心通孔与中心插销的直径相同，为3mm～5mm。
作为进一步优选地，所述中心通孔与中心插销的数量一致，为2个或4个。
按照本发明的一方面，提供了一种Cu基形状记忆合金拉伸性能改进测试方法，该方法包括如下步骤：
S1在Cu基形状记忆合金的标准拉伸试样的两个夹持端上加工出中心通孔；
S2分别在两个所述夹持端的两侧夹持面上放置夹持垫片，并利用中心插销穿过中心通孔将夹持垫片与夹持端连接，以此获得改进试样，其中所述中心插销的长度为夹持端厚度与两个夹持垫片厚度之和；
S3将步骤S2获得的改进试样固定在拉伸机上，以对其进行拉伸性能测试。
作为进一步优选地，步骤S1中，所述标准拉伸试样的制备方法为：制备Cu基形状记忆合金粉末，然后通过选区激光熔化技术对其进行成形。
作为进一步优选地，所述夹持垫片和中心插销采用马氏体不锈钢、双相钢、相变诱导塑性钢或淬火分配钢制成。
作为进一步优选地，所述中心通孔与中心插销的直径相同，为3mm～5mm。
作为进一步优选地，所述中心通孔与中心插销的数量一致，为2个或4个。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1.本发明考虑到Cu基形状记忆合金在加载过程中会自动卸载导致难以准确测定材料的力学特性和功能特性的问题，提出在标准拉伸试样的夹持端放置夹持垫片，并利用中心插销将夹持垫片与夹持端连接，从而在不需要对拉伸机进行改造的基础上即可改变试样与拉伸机的界面接触方式，通过夹持垫片与中心插销的共同作用固定标准拉伸试样，从而避免其出现自动卸载的问题，成功实现Cu基形状记忆合金拉伸性能测试；
2.尤其是，本发明通过对夹持垫片和中心插销的材质进行优化，能够进一步提高改进试样进行拉伸性能测试的稳定性和准确性；
3.同时，本发明通过对中心通孔和中心插销的直径进行优化，能够满足不同尺寸、不同形状试样的拉伸性能测试需求；
4.此外，本发明还提供了Cu基形状记忆合金拉伸性能改进测试方法，其中通过对标准拉伸试样进行改进，在其夹持端设置夹持垫片和中心插销，能够在不改造拉伸机的基础上改变试样与拉伸机的界面接触方式，从而避免其出现自动卸载的问题，成功实现Cu基形状记忆合金拉伸性能测试。
附图说明
图1是本发明实施例提供的Cu基形状记忆合金拉伸性能测试改进试样的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的开有中心通孔的标准拉伸试样的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的Cu基形状记忆合金拉伸性能改进测试方法获得的拉伸结果图；
图4是本发明对比例提供的Cu基形状记忆合金拉伸性能原始测试方法获得的拉伸结果图；
图5是本发明实施例提供的Cu-13.2Al-3.5Ni高温形状记忆合金粉末的SEM图和成形试样图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-标准拉伸试样，1.1-中心通孔，2-夹持垫片，3-中心插销。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1、2所示，按照本发明的一方面，提供了一种Cu基形状记忆合金拉伸性能测试改进试样，其包括标准拉伸试样1、四个夹持垫片2和多个中心插销3，其中：标准拉伸试样1为4D打印的Cu基形状记忆合金的板状拉伸试样，标准拉伸试样的两个夹持端上加工有中心通孔1.1；夹持垫片2分别设置在两个夹持端的两侧夹持面上；中心插销3穿过中心通孔1.1将夹持垫片2与夹持端连接，中心插销3的长度为夹持端厚度与两个夹持垫片厚度之和；工作时，通过夹持垫片2与中心插销3的共同作用避免拉伸性能测试时试样夹持端与夹头之间发生滑动，从而避免出现试样自动卸载的问题，同时利用中心插销3将夹持垫片2与标准拉伸试样1连接，一方面能够简化连接方式，另外一方面能够实现有效连接，避免在界面处出现断裂。
进一步，夹持垫片2和中心插销3采采用马氏体不锈钢、双相钢、相变诱导塑性钢或淬火分配钢制成，该材质具有更高的硬度和韧性，能够避免在拉伸的时候夹持垫片2变形，使得夹头与夹持端发生滑动。中心通孔1.1与中心插销3的直径相同，优选为3mm～5mm，能够避免标准拉伸试样1在中心插销两侧断裂，同时避免中心插销3发生断裂。中心通孔1.1与中心插销3的数量一致，优选为2个或4个。
按照本发明的一方面，提供了一种Cu基形状记忆合金拉伸性能改进测试方法，该方法包括如下步骤：
S1制备Cu基形状记忆合金粉末，然后通过选区激光熔化技术对其进行成形制得Cu基形状记忆合金的标准拉伸试样1，然后在该标准拉伸试样1的两个夹持端上加工出中心通孔1.1；
S2分别在两个夹持端的两侧夹持面上放置夹持垫片2，并利用中心插销3穿过中心通孔1.1将夹持垫片2与夹持端连接，以此获得改进试样，其中中心插销3的长度为夹持端厚度与两个夹持垫片2厚度之和；
S3将步骤S2获得的改进试样固定在拉伸机上，以对其进行拉伸性能测试。
进一步，夹持垫片2和中心插销3采采用马氏体不锈钢、双相钢、相变诱导塑性钢或淬火分配钢制成，该材质具有更高的硬度和韧性，能够避免在拉伸的时候夹持垫片2变形，使得夹头与夹持端发生滑动。中心通孔1.1与中心插销3的直径相同，优选为3mm～5mm，能够避免标准拉伸试样1在中心插销两侧断裂，同时避免中心插销3发生断裂。中心通孔1.1与中心插销3的数量一致，优选为2个或4个。
下面根据具体实施例对本发明提供的技术方案作进一步说明。
一、选区激光融化
将Cu、Al、Ni按照83.3:13.2:3.5的质量比混合获得CuAlNi形状记忆合金粉末，并将其收集在粉末缸内，对基板进行清理、喷砂、去除表面氧化层之后进行安装，最后完成刮刀的更换安装。打开抽气装置，充入氩气保护，使设备内氧气含量保证在100ppm以下，并对不锈钢基板进行预热到170℃。使用QuantAM软件完成5*5*5mm3正方体模型的建立及工艺参数的设置，选择激光线间距、曝光时间、激光功率三个变量参数作为正交试验因素，通过致密度和表面粗糙度状态确定最优工艺参数。
通过最优工艺参数在不锈钢基板上直接沉积近净成形室温拉伸性能测试的标准拉伸试样1，制备完成后通过机加工将标准拉伸试样1从基板分离，并通过磨床去除表面和侧边的粘粉和不平整现象，得到表面光滑无缺陷的规定尺寸标准拉伸试样1，该标准拉伸试样1的标距为25mm，厚度为3mm。
二、标准拉伸试样改进
为了改变试样与拉伸夹头的接触方式，在标准拉伸试样1的两个夹持端加工出中心通孔1.1，中心通孔1.1的直径为4mm，同时选取高强度的马氏体不锈钢作为夹持垫片2防止夹头破坏试样，同时通过同种材质的中心插销3固定夹持垫片2与标准拉伸试样1，夹持垫片2的尺寸为16mm*12mm*1mm，中心插销的直径为4mm，从而避免在夹持垫片2处发生试样滑移而导致测试失败，进而获得改进试样。
三、试样改进验证
依据ASTM E8/E8M-13《Standard Test Methods for Tension Testing ofMetallic Materials》进行改进试样的拉伸性能测试，拉伸与卸载速率均为0.375mm/min，发现改进试样在第一次屈服后，未发生自动卸载现象，成功克服了试样本征的拉伸难题，成功实现了室温力学性能的测试。
四、实验结果分析
图5为Cu-13.2Al-3.5Ni高温形状记忆合金粉末的SEM图和成形试样图，旋转电极雾化制造的粉末球形度良好，面扫结果显示粉末的元素分布均匀，符合选区激光熔化使用的粉末标准，并且优化后的Cu-13.2Al-3.5Ni高温形状记忆合金的成形工艺可以成功制备预期尺寸的标准拉伸试样。
图3为改进试样的最终拉伸结果，在增加夹持垫片2和中心插销3后，成功克服了试样的自动卸载现象，成功实现了沉积态Cu基形状记忆合金的室温力学性能的测试。合金的室温力学性能可以达到617MPa的抗拉强度和2.77％的延伸率，远高于图3自动卸载时材料的力学性能。
在本发明的对比例中，对未改进的标准拉伸试样1通过电子万能试验机进行室温拉伸性能测试，结果如图4所示，标准拉伸试样1在拉伸过程中超过350MPa后首先出现失稳波动现象，后续迅速发生自动卸载，在未设置卸载运行状态下进行了自动卸载至0MPa，无法完成室温力学性能的测试。拉伸试验依据ASTM E8/E8M-13《Standard Test Methods forTension Testing of Metallic Materials》，拉伸与卸载速率均为0.375mm/min。在试样卸载至50MPa后将试样从试验机取出后观察试样表面状态，发现拉伸侧夹持端在受力移动过程中，夹持夹头内侧的外凸固定端口直接镶嵌入夹持端试样内部并将铜基体拉拔而出，在拉伸夹头附近亦可发现大量铜屑。判断为试样在拉伸过程中高应力下发生软化，夹头难以固定拉伸试样从而自动卸载。
本发明针对4D打印Cu基形状记忆合金的标准拉伸试样在力学性能测试过程中，受本证物理性质影响在屈服点之后会发生剧烈软化无法紧固夹持，直接在夹持端被拉出从而发生自动卸载的技术问题。提出对标准拉伸试样进行改进，通过外加夹持垫片2并利用中心插销3进行固定，不需要对拉伸机进行改造，就可以改变试样与拉伸机的界面接触方式，利用外加的夹持垫片2避免夹头与夹持端发生相对滑动进而出现自动卸载的问题，以此实现Cu基形状记忆合金的板状拉伸试样的室温力学性能测量。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种Cu基形状记忆合金拉伸性能测试改进试样，其特征在于，该改进试样包括标准拉伸试样(1)、四个夹持垫片(2)和多个中心插销(3)，其中：所述标准拉伸试样(1)为4D打印的Cu基形状记忆合金的板状拉伸试样，所述标准拉伸试样的两个夹持端上加工有中心通孔(1.1)；所述夹持垫片(2)分别设置在两个夹持端的两侧夹持面上；所述中心插销(3)穿过中心通孔(1.1)将夹持垫片(2)与夹持端连接，所述中心插销(3)的长度为夹持端厚度与两个夹持垫片厚度之和；工作时，通过夹持垫片(2)与中心插销(3)的共同作用避免拉伸性能测试时发生试样自动卸载的问题。
2.如权利要求1所述的Cu基形状记忆合金拉伸性能测试改进试样，其特征在于，所述夹持垫片(2)和中心插销(3)采用马氏体不锈钢、双相钢、相变诱导塑性钢或淬火分配钢制成。
3.如权利要求1所述的Cu基形状记忆合金拉伸性能测试改进试样，其特征在于，所述中心通孔(1.1)与中心插销(3)的直径相同，为3mm～5mm。
4.如权利要求1所述的Cu基形状记忆合金拉伸性能测试改进试样，其特征在于，所述中心通孔(1.1)与中心插销(3)的数量一致，为2个或4个。
5.一种Cu基形状记忆合金拉伸性能改进测试方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1在Cu基形状记忆合金的标准拉伸试样(1)的两个夹持端上加工出中心通孔(1.1)；
S2分别在两个所述夹持端的两侧夹持面上放置夹持垫片(2)，并利用中心插销(3)穿过中心通孔(1.1)将夹持垫片(2)与夹持端连接，以此获得改进试样，其中所述中心插销(3)的长度为夹持端厚度与两个夹持垫片(2)厚度之和；
S3将步骤S2获得的改进试样固定在拉伸机上，以对其进行拉伸性能测试。
6.如权利要求5所述的Cu基形状记忆合金拉伸性能改进测试方法，其特征在于，步骤S1中，所述标准拉伸试样(1)的制备方法为：制备Cu基形状记忆合金粉末，然后通过选区激光熔化技术对其进行成形。
7.如权利要求5所述的Cu基形状记忆合金拉伸性能改进测试方法，其特征在于，所述夹持垫片(2)和中心插销(3)采用马氏体不锈钢、双相钢、相变诱导塑性钢或淬火分配钢制成。
8.如权利要求5所述的Cu基形状记忆合金拉伸性能改进测试方法，其特征在于，所述中心通孔(1.1)与中心插销(3)的直径相同，为3mm～5mm。
9.如权利要求5所述的Cu基形状记忆合金拉伸性能改进测试方法，其特征在于，所述中心通孔(1.1)与中心插销(3)的数量一致，为2个或4个。
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| CN202310801374.2A Pending CN116840047A (zh) | 2023-06-30 | 2023-06-30 | 一种Cu基形状记忆合金拉伸性能测试改进试样及其应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116840047A (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106769423A (zh) * | 2016-11-24 | 2017-05-31 | 中国航空工业集团公司北京航空材料研究院 | 一种适用于板状试样高温持久蠕变试验夹具 |
| US20220065763A1 (en) * | 2020-08-26 | 2022-03-03 | Beijing Institute Of Technology | Bauschinger effect test fixture |
| CN115014946A (zh) * | 2022-07-12 | 2022-09-06 | 西北工业大学 | 一种陶瓷基复合材料高温拉伸夹具工装及其试验方法 |
| CN115096701A (zh) * | 2022-03-22 | 2022-09-23 | 西北工业大学 | 用于形状记忆合金线拉伸试验的装置和方法 |
-
2023
- 2023-06-30 CN CN202310801374.2A patent/CN116840047A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106769423A (zh) * | 2016-11-24 | 2017-05-31 | 中国航空工业集团公司北京航空材料研究院 | 一种适用于板状试样高温持久蠕变试验夹具 |
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