專利名稱：實(shí)現(xiàn)熱加工模擬與性能測(cè)試一體化的試驗(yàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鋼鐵材料熱模擬與性能測(cè)試領(lǐng)域，具體地說(shuō)是一種能夠?qū)崿F(xiàn)熱加工模擬與性能測(cè)試一體化的試驗(yàn)方法。
背景技術(shù)：
控制軋制和控制冷卻技術(shù)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化和細(xì)晶強(qiáng)化，改善組織性能，要更好的達(dá)到這個(gè)目的，需要研究控軋和控冷過(guò)程中各工藝參數(shù)對(duì)鋼材微觀組織、力學(xué)性能的影響規(guī)律。實(shí)際生產(chǎn)中控軋和控冷過(guò)程要經(jīng)過(guò)坯料加熱-控制軋制-控制冷卻-組織分析-性能測(cè)試等環(huán)節(jié)，其周期長(zhǎng)，且控軋過(guò)程受變形溫度、變形速率、變形量等諸多因素影響，控冷過(guò)程受道次停留時(shí)間、開冷溫度及終冷溫度等諸多因素影響，實(shí)際成本高，部分參 數(shù)難以達(dá)到精確控制，為上述規(guī)律的研究帶來(lái)了困難。Gleeble-3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)屬美國(guó)DSI (Dynamic Systems Inc.)科技聯(lián)合體研制生產(chǎn)的Gleeble系列，由加熱系統(tǒng)、加力系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)三大部分組成，可用于流變強(qiáng)度較低的所有金屬材料及其熱加工過(guò)程模擬研究。Gleeble實(shí)驗(yàn)時(shí)，試樣中的均溫區(qū)寬度，沿試樣長(zhǎng)度方向(軸向)或橫向(徑向)的溫度梯度可以隨意控制，既可進(jìn)行均溫實(shí)驗(yàn)，亦可進(jìn)行溫度梯度控制實(shí)驗(yàn)。采用Gleeble-3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)模擬控軋、控冷過(guò)程，可以精確地控制變形溫度、變形量、應(yīng)變速率、冷卻速度等關(guān)鍵工藝參數(shù)，模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以反映出實(shí)際構(gòu)件或材料的受熱與受力情況，從而再現(xiàn)出被模擬對(duì)象微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能的變化。Gleeble-3500模擬熱加工工藝所采用的試樣形式通常為Φ8X 12mm、Φ IOX 15mm或Φ IOX 12mm,該試樣形式經(jīng)Gleeble-3500熱模擬之后只適于進(jìn)行組織觀察和硬度測(cè)試，拉伸試樣和沖擊試樣受尺寸限制無(wú)法加工，因而無(wú)法對(duì)熱模擬后的樣品進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)熱加工模擬與性能測(cè)試一體化的試驗(yàn)方法。其采用設(shè)有通孔的夾持卡具與熱模擬試驗(yàn)機(jī)的不銹鋼卡具相配合來(lái)定位加長(zhǎng)、加粗了的模擬試樣，用以模擬熱壓縮變形過(guò)程，然后將熱加工模擬后的模擬試樣沿軸向方向加工成標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣進(jìn)行沖擊性能測(cè)試；在模擬試樣的均溫區(qū)，沿徑向方向加工成微拉伸試樣進(jìn)行常溫拉伸性能測(cè)試，從而實(shí)現(xiàn)熱加工與性能測(cè)試一體化。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是
一種實(shí)現(xiàn)熱加工模擬與性能測(cè)試一體化的試驗(yàn)方法，該方法首先制作模擬試樣進(jìn)行熱加工模擬，然后將模擬試樣加工成沖擊試樣和微拉伸試樣進(jìn)行性能測(cè)試，按照下述步驟進(jìn)行
A、制作2根以上Φ10-15mmX 75-85mm的模擬試樣,將模擬試樣的兩端分別借助設(shè)有通孔的夾持卡具定位在熱模擬試驗(yàn)機(jī)的工作型腔內(nèi)、且端部用不銹鋼卡具限位，然后按照設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行熱壓縮變形的模擬試驗(yàn)，冷卻至室溫后進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣,進(jìn)行沖擊試驗(yàn)；C、另取模擬試樣，在均溫變形區(qū)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(jìn)行拉伸性能測(cè)試。采用上述技術(shù)方案產(chǎn)生的有益效果在于(I)采用本發(fā)明的模擬試樣進(jìn)行熱加工模擬后，可先進(jìn)行組織觀察和硬度測(cè)試，然后還可以切割成標(biāo)準(zhǔn)的沖擊試樣進(jìn)行沖擊性能測(cè)試；(2)模擬試樣經(jīng)過(guò)控軋控冷工藝模擬之后，均溫區(qū)經(jīng)過(guò)高溫變形，軸向組織、性能差異很大，而徑向組織相對(duì)均勻，HVltl差別不超過(guò)15 (除去邊緣兩點(diǎn))，沿模擬試樣徑向的方向切取f3mm的圓形薄片，然后將圓形薄片切割成“工”字形微拉伸試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明與標(biāo)準(zhǔn)試樣的拉伸性能相比，所得數(shù)據(jù)相差不大；(3)在微拉伸卡具的技術(shù)方案中，所述微拉伸卡具可精密地將微拉伸試樣的腿進(jìn)行壓緊定位，以保證拉伸過(guò)程中的單軸拉應(yīng)力而不產(chǎn)生剪切力。



圖I是本發(fā)明模擬試樣的定位結(jié)構(gòu)示意 圖2是本發(fā)明從均溫區(qū)切割得到的微拉伸試樣結(jié)構(gòu)示意 圖3a和圖3b分別是本發(fā)明上蓋的主視和左視結(jié)構(gòu)示意 圖4a和圖4b分別是本發(fā)明夾持芯的主視結(jié)構(gòu)示意圖和B-B向剖視 圖5是上蓋、夾持芯和下蓋組合后沿C-C向的斷面 圖6a 圖6e是本發(fā)明熱壓縮組織均勻性驗(yàn)證結(jié)果；其中，圖6a表示顯微硬度值，圖6b表示距中心點(diǎn)O位置左2mm處顯微組織；圖6c表示中心點(diǎn)O位置處顯微組織；圖6d表示距中心點(diǎn)O位置右2mm處顯微組織，圖6e表示距中心點(diǎn)O位置右4mm處顯微組織；
圖7a和圖7b分別是采用45#時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(qū)域，10、不銹鋼卡具。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)地描述。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明實(shí)現(xiàn)熱加工模擬與性能測(cè)試一體化的方法，該方法首先制作模擬試樣2進(jìn)行熱加工模擬，然后將模擬試樣2加工成標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣和微拉伸試樣4進(jìn)行性能測(cè)試，具體按照下述步驟進(jìn)行
A、制作2根Φ 10-15mmX75-85mm的模擬試樣2，將模擬試樣2的兩端分別借助設(shè)有通孔的夾持卡具I定位在Gleeble熱模擬試驗(yàn)機(jī)的工作型腔內(nèi)、且端部用不銹鋼卡具10限位，然后按照設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行熱壓縮變形的模擬試驗(yàn)，冷卻至室溫后進(jìn)行組織分析。所述夾持卡具I由對(duì)稱的、對(duì)接邊上設(shè)有半圓形通孔的卡板對(duì)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?，F(xiàn)有技術(shù)中夾持卡具借助銷軸10將模擬試樣2的兩端定位，因此不適合較長(zhǎng)的模擬試樣。本實(shí)施例中，模擬試樣2穿過(guò)夾持卡具I的通孔，兩端用Gleeble熱模擬試驗(yàn)機(jī)上配套的不銹鋼卡具10限位，充分利用了工作型腔內(nèi)的空間，可以采用75 85_長(zhǎng)的模擬試樣。B、取其中一根模擬軋制完成后的試樣,沿其軸向方向加工成長(zhǎng)度為55mm,橫截面為IOmnT IOmm方形截面的標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣，進(jìn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。C、取另外一根軋制完成后的模擬試樣，在均溫變形區(qū)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(gòu)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(jìn)行拉伸性能測(cè)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(jié)構(gòu)；所述夾持芯7上設(shè)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(jié)構(gòu)相同，其上設(shè)有與所述微拉伸試樣4的腿相對(duì)應(yīng)、并與所述通孔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(shí)，首先將微拉伸式樣4兩端的腿卡在夾持芯7的通孔9內(nèi)，然后將上蓋5和下蓋6定位在夾持芯7的兩側(cè)，并將上蓋5和下蓋6的凸塊嵌定在夾持芯7的通孔9內(nèi)，再將上蓋5、夾持芯7和下蓋6定位連接，形成“三明治”結(jié)構(gòu)；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(dāng)微拉伸試樣4的兩端均被微拉伸卡具卡住進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，拉伸力與微拉伸試樣4的軸向相同,不會(huì)產(chǎn)生剪切力，使拉伸數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。。本實(shí)施例中制作Φ 15mmX85mm的模擬試樣2,按照下述參數(shù)進(jìn)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(yīng)變速率均為ls_S第二道次變形之后弛豫50s到開冷溫度，后以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，然后空冷到室溫。經(jīng)控軋控冷模擬之后模擬試樣2的壓縮區(qū)域形式如圖I所示，在均溫變形區(qū)內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)微拉伸試樣4。所述微拉伸試樣4由用于夾持的兩腿和用于拉伸的腰形成一體結(jié)構(gòu)的“工”字形。微拉伸卡具的尺寸根據(jù)微拉伸試樣4的腿寬、腰厚等尺寸來(lái)定。本實(shí)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(zhǎng)期使用。微拉伸試樣線切割加工時(shí)，合理調(diào)整相關(guān)參數(shù)，使試樣各表面盡量平滑，之后經(jīng)砂紙打磨，減小因切痕而造成應(yīng)力集中的可能性。熱壓縮后的沿模擬試樣軸向方向測(cè)定的組織均勻性驗(yàn)證結(jié)果如圖6a、所示，可以看出在均溫變形區(qū)內(nèi)，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于 294. 4-298. IHvlO 之間。關(guān)于微拉伸試樣的進(jìn)行拉伸試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行比較來(lái)驗(yàn)證。①采用45#鋼對(duì)微拉伸試驗(yàn)及標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣測(cè)得的應(yīng)力-延伸率曲線如圖7a所示，由圖可以看出，45#鋼的屈服強(qiáng)度為355MPa左右，抗拉強(qiáng)度在600MPa左右，延伸率約為30% ;上述方法測(cè)得的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖7b所示，由圖可以看出，采用本方法測(cè)得45#鋼的屈服強(qiáng)度為380MPa左右，抗拉強(qiáng)度在640MPa左右，延伸率約為22%。與標(biāo)準(zhǔn)拉伸性能相比而言，微拉伸試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)較標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)高25-40MPa，相差不大。而由于試樣的原始標(biāo)距不符合標(biāo)準(zhǔn)中短比例試樣的規(guī)定，延伸率值僅
供參考。②采用T8鋼對(duì)微拉伸試驗(yàn)及標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣和微拉伸試樣的應(yīng)力-位移曲線如圖8a和圖Sb所示。從圖中可以看出，標(biāo)準(zhǔn)試樣的抗拉強(qiáng)度在1240MPa左右，而微拉伸試驗(yàn)試樣的抗拉強(qiáng)度在1245MPa左右，相差不大。因此微拉伸試樣的拉伸結(jié)果可以用于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)試樣的拉伸性能。 采用本發(fā)明所測(cè)得的拉伸性能精確度較高，斷裂均發(fā)生在標(biāo)距內(nèi)，且與標(biāo)準(zhǔn)試樣的性能數(shù)據(jù)較為接近。
權(quán)利要求
1.一種實(shí)現(xiàn)熱加工模擬與性能測(cè)試一體化的試驗(yàn)方法，該方法首先制作模擬試樣進(jìn)行熱加工模擬，然后將模擬試樣加工成沖擊試樣和微拉伸試樣進(jìn)行性能測(cè)試，其特征在于按照下述步驟進(jìn)行 A、制作2根以上Φ10-15mmX 75-85mm的模擬試樣,將模擬試樣的兩端分別借助設(shè)有通孔的夾持卡具定位在熱模擬試驗(yàn)機(jī)的工作型腔內(nèi)、且端部用不銹鋼卡具限位，然后按照設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行熱壓縮變形的模擬試驗(yàn)，冷卻至室溫后進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣,進(jìn)行沖擊試驗(yàn)； C、另取模擬試樣，在均溫變形區(qū)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(jìn)行拉伸性能測(cè)試。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的實(shí)現(xiàn)熱加工模擬與性能測(cè)試一體化的試驗(yàn)方法，其特征在于步驟A中所述夾持卡具由對(duì)稱的、對(duì)接邊上設(shè)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(duì)接組合而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的實(shí)現(xiàn)熱加工模擬與性能測(cè)試一體化的試驗(yàn)方法，其特征在于所述半圓形通孔的孔徑與模擬試樣的外徑相匹配。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的實(shí)現(xiàn)熱加工模擬與性能測(cè)試一體化的試驗(yàn)方法，其特征在于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(jié)構(gòu)；所述夾持芯(7)上設(shè)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(jié)構(gòu)相同，其上設(shè)有與通孔(9)匹配的凸塊(8)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的實(shí)現(xiàn)熱加工模擬與性能測(cè)試一體化的試驗(yàn)方法，其特征在于所述上蓋(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(jù)權(quán)利要求I所述的實(shí)現(xiàn)熱加工模擬與性能測(cè)試一體化的試驗(yàn)方法，其特征在于在拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)之前，將沖擊試樣和微拉伸試樣(4)進(jìn)行打磨。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種能夠?qū)崿F(xiàn)熱加工模擬與性能測(cè)試一體化的試驗(yàn)方法。其采用加長(zhǎng)、加粗了的模擬試樣用以模擬控軋、控冷過(guò)程，然后將模擬試樣沿軸向方向加工成標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣進(jìn)行沖擊性能測(cè)試；在模擬試樣的均溫變形區(qū)，沿徑向方向加工成“工”字形的微拉伸試樣并使用配套的微拉伸卡具進(jìn)行常溫拉伸性能測(cè)試，從而實(shí)現(xiàn)熱加工與性能測(cè)試一體化。采用本發(fā)明的方法，拉伸試驗(yàn)的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)試樣的拉伸結(jié)果相比，數(shù)據(jù)較準(zhǔn)確，極大提高了熱模擬試驗(yàn)的效率。
文檔編號(hào)C21D8/00GK102735529SQ20121019224
公開日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2012年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月12日
發(fā)明者劉利剛, 孔進(jìn)麗, 王同良, 王玉輝, 王青峰, 范磊 申請(qǐng)人:燕山大學(xué)