實現熱加工模擬與性能測試一體化的試驗方法

2023-04-24 01:01:06 1

專利名稱：實現熱加工模擬與性能測試一體化的試驗方法
技術領域：
本發明屬於鋼鐵材料熱模擬與性能測試領域，具體地說是一種能夠實現熱加工模擬與性能測試一體化的試驗方法。
背景技術：
控制軋制和控制冷卻技術的目標是實現晶粒細化和細晶強化，改善組織性能，要更好的達到這個目的，需要研究控軋和控冷過程中各工藝參數對鋼材微觀組織、力學性能的影響規律。實際生產中控軋和控冷過程要經過坯料加熱-控制軋制-控制冷卻-組織分析-性能測試等環節，其周期長，且控軋過程受變形溫度、變形速率、變形量等諸多因素影響，控冷過程受道次停留時間、開冷溫度及終冷溫度等諸多因素影響，實際成本高，部分參 數難以達到精確控制，為上述規律的研究帶來了困難。Gleeble-3500熱模擬試驗機屬美國DSI (Dynamic Systems Inc.)科技聯合體研製生產的Gleeble系列，由加熱系統、加力系統以及計算機控制系統三大部分組成，可用於流變強度較低的所有金屬材料及其熱加工過程模擬研究。Gleeble實驗時，試樣中的均溫區寬度，沿試樣長度方向(軸向)或橫向(徑向)的溫度梯度可以隨意控制，既可進行均溫實驗，亦可進行溫度梯度控制實驗。採用Gleeble-3500熱模擬試驗機模擬控軋、控冷過程，可以精確地控制變形溫度、變形量、應變速率、冷卻速度等關鍵工藝參數，模擬實驗的結果可以反映出實際構件或材料的受熱與受力情況，從而再現出被模擬對象微觀結構和宏觀性能的變化。Gleeble-3500模擬熱加工工藝所採用的試樣形式通常為Φ8X 12mm、Φ IOX 15mm或Φ IOX 12mm,該試樣形式經Gleeble-3500熱模擬之後只適於進行組織觀察和硬度測試，拉伸試樣和衝擊試樣受尺寸限制無法加工，因而無法對熱模擬後的樣品進行力學性能測試。

發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種能夠實現熱加工模擬與性能測試一體化的試驗方法。其採用設有通孔的夾持卡具與熱模擬試驗機的不鏽鋼卡具相配合來定位加長、加粗了的模擬試樣，用以模擬熱壓縮變形過程，然後將熱加工模擬後的模擬試樣沿軸向方向加工成標準衝擊試樣進行衝擊性能測試；在模擬試樣的均溫區，沿徑向方向加工成微拉伸試樣進行常溫拉伸性能測試，從而實現熱加工與性能測試一體化。為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是
一種實現熱加工模擬與性能測試一體化的試驗方法，該方法首先製作模擬試樣進行熱加工模擬，然後將模擬試樣加工成衝擊試樣和微拉伸試樣進行性能測試，按照下述步驟進行
A、製作2根以上Φ10-15mmX 75-85mm的模擬試樣,將模擬試樣的兩端分別藉助設有通孔的夾持卡具定位在熱模擬試驗機的工作型腔內、且端部用不鏽鋼卡具限位，然後按照設定的參數進行熱壓縮變形的模擬試驗，冷卻至室溫後進行組織分析；
B、取其中一根模擬試樣，沿其軸向方向加工成標準衝擊試樣,進行衝擊試驗；C、另取模擬試樣，在均溫變形區切取厚度為f3mm的圓形薄片，切割成「工」字形的微拉伸試樣；
D、將微拉伸試樣兩端用帶有定位組件的拉伸卡具卡住，進行拉伸性能測試。採用上述技術方案產生的有益效果在於(I)採用本發明的模擬試樣進行熱加工模擬後，可先進行組織觀察和硬度測試，然後還可以切割成標準的衝擊試樣進行衝擊性能測試；(2)模擬試樣經過控軋控冷工藝模擬之後，均溫區經過高溫變形，軸向組織、性能差異很大，而徑向組織相對均勻，HVltl差別不超過15 (除去邊緣兩點)，沿模擬試樣徑向的方向切取f3mm的圓形薄片，然後將圓形薄片切割成「工」字形微拉伸試樣進行拉伸試驗，結果表明與標準試樣的拉伸性能相比，所得數據相差不大；(3)在微拉伸卡具的技術方案中，所述微拉伸卡具可精密地將微拉伸試樣的腿進行壓緊定位，以保證拉伸過程中的單軸拉應力而不產生剪切力。



圖I是本發明模擬試樣的定位結構示意 圖2是本發明從均溫區切割得到的微拉伸試樣結構示意 圖3a和圖3b分別是本發明上蓋的主視和左視結構示意 圖4a和圖4b分別是本發明夾持芯的主視結構示意圖和B-B向剖視 圖5是上蓋、夾持芯和下蓋組合後沿C-C向的斷面 圖6a 圖6e是本發明熱壓縮組織均勻性驗證結果；其中，圖6a表示顯微硬度值，圖6b表示距中心點O位置左2mm處顯微組織；圖6c表示中心點O位置處顯微組織；圖6d表示距中心點O位置右2mm處顯微組織，圖6e表示距中心點O位置右4mm處顯微組織；
圖7a和圖7b分別是採用45#時，標準試樣拉伸曲線和微拉伸試樣的拉伸曲線；
圖8a和圖Sb分別是T8鋼標準試樣的拉伸曲線(a)和微拉伸試樣的(b)拉伸曲線；其中，I、夾持卡具，2、模擬試樣,3、圓形薄片,4、微拉伸試樣,5、上蓋,6、下蓋,7、夾持芯，8、凸塊，9、通孔，A代表壓縮區域，10、不鏽鋼卡具。下面結合附圖對本發明的內容進行詳細地描述。
具體實施例方式本發明實現熱加工模擬與性能測試一體化的方法，該方法首先製作模擬試樣2進行熱加工模擬，然後將模擬試樣2加工成標準衝擊試樣和微拉伸試樣4進行性能測試，具體按照下述步驟進行
A、製作2根Φ 10-15mmX75-85mm的模擬試樣2，將模擬試樣2的兩端分別藉助設有通孔的夾持卡具I定位在Gleeble熱模擬試驗機的工作型腔內、且端部用不鏽鋼卡具10限位，然後按照設定的參數進行熱壓縮變形的模擬試驗，冷卻至室溫後進行組織分析。所述夾持卡具I由對稱的、對接邊上設有半圓形通孔的卡板對接組合而成；所述半圓形通孔的孔徑與所述模擬試樣2的外徑相匹配。現有技術中夾持卡具藉助銷軸10將模擬試樣2的兩端定位，因此不適合較長的模擬試樣。本實施例中，模擬試樣2穿過夾持卡具I的通孔，兩端用Gleeble熱模擬試驗機上配套的不鏽鋼卡具10限位，充分利用了工作型腔內的空間，可以採用75 85_長的模擬試樣。B、取其中一根模擬軋制完成後的試樣,沿其軸向方向加工成長度為55mm,橫截面為IOmnT IOmm方形截面的標準衝擊試樣，進行相關標準的規定進行衝擊試驗。C、取另外一根軋制完成後的模擬試樣，在均溫變形區切取厚度為f 3mm的圓形薄片3 (參見圖2中的虛線)，切割成「工」字形的微拉伸試樣4，參看圖2。所述微拉伸試樣4由兩條腿和腰構成。D、將微拉伸試樣兩端用帶有定位組件的拉伸卡具卡住，進行拉伸性能測試。所述拉伸卡具由平板狀的上蓋5、夾持芯7和下蓋6組成「三明治」結構；所述夾持芯7上設有與微拉伸試樣4 一端的腿和腰相匹配的通孔9 ;所述上蓋和下蓋的結構相同，其上設有與所述微拉伸試樣4的腿相對應、並與所述通孔9匹配的凸塊8。參看圖3a、圖3b 和圖4a、圖4b。使用該微拉伸卡具時，首先將微拉伸式樣4兩端的腿卡在夾持芯7的通孔9內，然後將上蓋5和下蓋6定位在夾持芯7的兩側，並將上蓋5和下蓋6的凸塊嵌定在夾持芯7的通孔9內，再將上蓋5、夾持芯7和下蓋6定位連接，形成「三明治」結構；所述上蓋、下蓋的凸塊8厚度以及微拉伸試樣4的厚度之和與夾持芯7的厚度(即通孔9的深度)相等，這樣微拉伸試樣4可以精密地定位在上蓋5和下蓋6之間，當微拉伸試樣4的兩端均被微拉伸卡具卡住進行拉伸試驗時，拉伸力與微拉伸試樣4的軸向相同,不會產生剪切力，使拉伸數據更準確。。本實施例中製作Φ 15mmX85mm的模擬試樣2,按照下述參數進行熱加工變形的模擬第一道次變形溫度1100°C，變形量35%，第二道次變形溫度850°C，變形量30%，應變速率均為ls_S第二道次變形之後弛豫50s到開冷溫度，後以5°C /s冷卻至終冷溫度，再以
O.250C /s的升溫速度控溫到返紅溫度，然後空冷到室溫。經控軋控冷模擬之後模擬試樣2的壓縮區域形式如圖I所示，在均溫變形區內電火花切取厚度為l-3mm的圓形薄樣,如圖2中的虛線所示。厚度為2mm的圓形薄樣直徑約為25_，將該圓形薄片可加工為如圖2所示形式的非標準微拉伸試樣4。所述微拉伸試樣4由用於夾持的兩腿和用於拉伸的腰形成一體結構的「工」字形。微拉伸卡具的尺寸根據微拉伸試樣4的腿寬、腰厚等尺寸來定。本實施例中，微拉伸試樣4厚2mm,上蓋5和下蓋6的凸塊厚度為Imm,夾持芯的厚度為4mm。所述微拉伸卡具易加工，且成本低，一次加工可長期使用。微拉伸試樣線切割加工時，合理調整相關參數，使試樣各表面儘量平滑，之後經砂紙打磨，減小因切痕而造成應力集中的可能性。熱壓縮後的沿模擬試樣軸向方向測定的組織均勻性驗證結果如圖6a、所示，可以看出在均溫變形區內，晶粒大小一致，組織均為粒狀貝氏體組織，且顯微硬度值變化不大介於 294. 4-298. IHvlO 之間。關於微拉伸試樣的進行拉伸試驗的準確性，通過與標準試樣進行比較來驗證。①採用45#鋼對微拉伸試驗及標準拉伸試驗數據進行了比較。標準拉伸試樣測得的應力-延伸率曲線如圖7a所示，由圖可以看出，45#鋼的屈服強度為355MPa左右，抗拉強度在600MPa左右，延伸率約為30% ;上述方法測得的拉伸應力應變曲線如圖7b所示，由圖可以看出，採用本方法測得45#鋼的屈服強度為380MPa左右，抗拉強度在640MPa左右，延伸率約為22%。與標準拉伸性能相比而言，微拉伸試驗所得數據較標準試驗數據高25-40MPa，相差不大。而由於試樣的原始標距不符合標準中短比例試樣的規定，延伸率值僅
供參考。②採用T8鋼對微拉伸試驗及標準拉伸試驗數據進行了比較。標準拉伸試樣和微拉伸試樣的應力-位移曲線如圖8a和圖Sb所示。從圖中可以看出，標準試樣的抗拉強度在1240MPa左右，而微拉伸試驗試樣的抗拉強度在1245MPa左右，相差不大。因此微拉伸試樣的拉伸結果可以用於評價標準試樣的拉伸性能。 採用本發明所測得的拉伸性能精確度較高，斷裂均發生在標距內，且與標準試樣的性能數據較為接近。
權利要求
1.一種實現熱加工模擬與性能測試一體化的試驗方法，該方法首先製作模擬試樣進行熱加工模擬，然後將模擬試樣加工成衝擊試樣和微拉伸試樣進行性能測試，其特徵在於按照下述步驟進行 A、製作2根以上Φ10-15mmX 75-85mm的模擬試樣,將模擬試樣的兩端分別藉助設有通孔的夾持卡具定位在熱模擬試驗機的工作型腔內、且端部用不鏽鋼卡具限位，然後按照設定的參數進行熱壓縮變形的模擬試驗，冷卻至室溫後進行組織分析； B、取其中一根模擬試樣，沿其軸向方向加工成標準衝擊試樣,進行衝擊試驗； C、另取模擬試樣，在均溫變形區切取厚度為f3mm的圓形薄片，切割成「工」字形的微拉伸試樣；D、將微拉伸試樣兩端用帶有定位組件的拉伸卡具卡住，進行拉伸性能測試。
2.根據權利要求I所述的實現熱加工模擬與性能測試一體化的試驗方法，其特徵在於步驟A中所述夾持卡具由對稱的、對接邊上設有半圓形通孔的、外輪廓與所述工作型腔形狀匹配的卡塊對接組合而成。
3.根據權利要求2所述的實現熱加工模擬與性能測試一體化的試驗方法，其特徵在於所述半圓形通孔的孔徑與模擬試樣的外徑相匹配。
4.根據權利要求I所述的實現熱加工模擬與性能測試一體化的試驗方法，其特徵在於所述拉伸卡具由平板狀的上蓋(5)、夾持芯(7)和下蓋(6)組成「三明治」結構；所述夾持芯(7)上設有與微拉伸試樣(4) 一端匹配的通孔(9);所述上蓋(5)和下蓋(6)的結構相同，其上設有與通孔(9)匹配的凸塊(8)。
5.根據權利要求4所述的實現熱加工模擬與性能測試一體化的試驗方法，其特徵在於所述上蓋(5)、下蓋(6)的凸塊厚度以及微拉伸試樣(4)的厚度之和與夾持芯(7)的厚度相坐寸ο
6.根據權利要求I所述的實現熱加工模擬與性能測試一體化的試驗方法，其特徵在於在拉伸試驗和衝擊試驗之前，將衝擊試樣和微拉伸試樣(4)進行打磨。
全文摘要
本發明公開了一種能夠實現熱加工模擬與性能測試一體化的試驗方法。其採用加長、加粗了的模擬試樣用以模擬控軋、控冷過程，然後將模擬試樣沿軸向方向加工成標準衝擊試樣進行衝擊性能測試；在模擬試樣的均溫變形區，沿徑向方向加工成「工」字形的微拉伸試樣並使用配套的微拉伸卡具進行常溫拉伸性能測試，從而實現熱加工與性能測試一體化。採用本發明的方法，拉伸試驗的結果與標準試樣的拉伸結果相比，數據較準確，極大提高了熱模擬試驗的效率。
文檔編號C21D8/00GK102735529SQ20121019224
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月12日 優先權日2012年6月12日
發明者劉利剛, 孔進麗, 王同良, 王玉輝, 王青峰, 範磊 申請人:燕山大學