熱模擬壓縮后試件鼓肚的原因及調(diào)整措施

　　熱模擬壓縮試驗(yàn)過(guò)程中端部的摩擦情況和試樣的溫度均勻性是影響試驗(yàn)精度的主要影響因素，下面是小編搜集整理的一篇探究熱模擬壓縮后試件鼓肚原因的論文范文，歡迎閱讀查看。

　　日本富士電波公司生產(chǎn)的Thermecmastor-Z熱模擬試驗(yàn)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱Thermec-Z)是世界上最先進(jìn)的熱模擬設(shè)備之一,可進(jìn)行常規(guī)的熱模擬壓縮、拉伸試驗(yàn)。進(jìn)行壓縮試驗(yàn)時(shí)如圖1所示,采用上下豎直方式對(duì)試樣進(jìn)行壓縮,通過(guò)壓縮試樣兩端的氮化硅墊塊直接對(duì)試樣進(jìn)行壓制。熱模擬壓縮試驗(yàn)過(guò)程中端部的摩擦情況和試樣的溫度均勻性是影響試驗(yàn)精度的主要影響因素。理論上,只有試樣均勻變形,壓縮后試樣無(wú)鼓肚,其軸向應(yīng)變和橫向應(yīng)變相等,所測(cè)的變形抗力才能反映這個(gè)試件塑性變形的真實(shí)情況。

　　而在實(shí)際過(guò)程中由于試樣的溫度不均勻性以及端部的摩擦,壓縮后的試樣通常都會(huì)出現(xiàn)或多或少的鼓肚現(xiàn)象,圖2是通常壓縮后試樣出現(xiàn)的比較嚴(yán)重的中部鼓肚現(xiàn)象。然而對(duì)于某些合金,其在高溫下進(jìn)行壓縮后呈現(xiàn)的是兩端鼓肚、啞鈴狀的特殊現(xiàn)象(以1s-1的變形速率在1000℃下變形60%),如圖3所示。本文的研究目的在于找出造成熱模擬壓縮后試樣兩端鼓肚現(xiàn)象的原因,并尋找解決辦法以改善該現(xiàn)象,從而獲得更精確的試驗(yàn)結(jié)果,提高試驗(yàn)精度。

　　1、試驗(yàn)過(guò)程

　　1.1試驗(yàn)一:試樣變形過(guò)程中溫度均勻性的測(cè)定

　　Thermec-Z不同于Gleeble的電阻加熱方式而是采用感應(yīng)加熱,因而在加熱過(guò)程中氮化硅墊塊并不加熱,其全部熱量來(lái)自于與試樣端部接觸的熱傳導(dǎo)。氮化硅是一種低熱傳導(dǎo)率的陶瓷材料,加熱保溫過(guò)程中試樣與氮化硅壓頭間的雖然存在熱傳導(dǎo),但熱量損失很小。然而在壓縮變形開(kāi)始后,由于壓力的突然增大,試樣與氮化硅壓頭接觸面積增大,熱量損失增大。為了考察試樣在壓縮過(guò)程中的熱量損失情況,我們通過(guò)熱電偶焊接在試樣的中部和端部記錄在壓縮過(guò)程中的溫度變化。

　　1.2試驗(yàn)二:變形抗力曲線的測(cè)定

　　鼓肚現(xiàn)象的產(chǎn)生必然伴隨材料的某些特殊性能,為此我們選取850、875、900、925、950、975、1000、1050℃共8個(gè)溫度點(diǎn)測(cè)定其在出現(xiàn)兩端鼓肚現(xiàn)象的1000℃附近點(diǎn)的變形抗力。

　　1.3試驗(yàn)三:兩端鼓肚現(xiàn)象的改善試驗(yàn)

　　針對(duì)試樣的兩端鼓肚現(xiàn)象,本研究的辦法是采用溫度補(bǔ)償?shù)姆绞?在試樣和氮化硅墊塊間添加一塊高強(qiáng)度金屬墊片,使得在加熱過(guò)程中與試樣一同加熱,獲得與試樣相近的溫度,如此在壓縮變形開(kāi)始后可以補(bǔ)償試樣端部的熱量損失,減少試樣端部與中心部位溫度的差異。同時(shí)在試樣端部添加潤(rùn)滑介質(zhì)以改善端部摩擦。為了研究對(duì)比,所有試驗(yàn)采用相同的加熱變形工藝如圖4所示,保溫潤(rùn)滑改進(jìn)措施如表1所示。

　　2、結(jié)果與分析

　　2.1試驗(yàn)一結(jié)果分析

　　根據(jù)試驗(yàn)一測(cè)得,試樣直接與氮化硅墊塊接觸,壓縮變形過(guò)程中試樣端部溫降大約在15℃左右,而同期試樣中部溫降僅在4℃左右(如圖5所示)。這一測(cè)定結(jié)果也證明在壓縮過(guò)程中試樣端部的熱量損失增大、試樣的溫度均勻性變差,而試樣的溫度均勻性是造成鼓肚現(xiàn)象的重要影響因素。

　　2.2試驗(yàn)二結(jié)果分析

　　如圖6所示,其變形抗力并非如通常材料隨著溫度的升高應(yīng)力單調(diào)遞減,而是在950~1000℃間變形抗力突然急劇增大,也就是說(shuō)在這一溫度范圍內(nèi)微小的溫度差異會(huì)導(dǎo)致材料性能上的巨大差異。正是材料的這一特性加上試驗(yàn)一測(cè)定出試樣中部與端部的溫度差異,使得在進(jìn)行1000℃的壓縮變形試驗(yàn)時(shí),變形主要發(fā)生在溫度降低、變形抗力也較低的試樣兩端,從而形成了試樣兩端鼓肚的特殊現(xiàn)象。

　　2.3試驗(yàn)三結(jié)果分析

　　從圖7~9的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,即使針對(duì)于相同的加熱變形工藝,采用不同的保溫和潤(rùn)滑方式對(duì)于試驗(yàn)的結(jié)果影響也非常大。

　　我們可以用試樣端部和中部的直徑比值來(lái)衡量壓縮后試樣兩端鼓肚現(xiàn)象的嚴(yán)重程度,即:k=D端部/D中部,良好的表形k值應(yīng)當(dāng)小于1且數(shù)值接近于1,表示變形主要發(fā)生在試樣中部,且鼓肚現(xiàn)象不嚴(yán)重。由圖9可以看到Test1、Test2和Test3的k值都大于1,表示有明顯的兩端鼓肚現(xiàn)象,而Test4和Test5采用金屬墊片后k值小于1并且接近1,呈現(xiàn)出略微的中部鼓肚現(xiàn)象,是我們可以接受的試驗(yàn)結(jié)果。

　　Test1不采用任何保溫潤(rùn)滑措施、讓試樣直接接觸氮化硅壓頭,變形過(guò)程開(kāi)始后由于試樣和氮化硅壓頭間的壓力增大、接觸面積增大,熱量損失增大,試樣端部和中心部位溫度差異增大,試樣的溫度均勻性變差,并且試樣端部沒(méi)有做潤(rùn)滑,兩者共同作用使得變形主要發(fā)生在溫度較低、變形抗力較低的試樣端部,造成了試樣的兩端鼓肚現(xiàn)象。

　　Test2在試樣和氮化硅墊塊之間添加了云母片,由于云母片仍然是一種隔熱材料,在變形過(guò)程中試樣端部的保溫效果仍然較差,試樣的溫度均勻性與Test1相當(dāng),從圖7的流變應(yīng)力曲線和圖8的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看鼓肚現(xiàn)象并沒(méi)有明顯改善。有研究表明在試樣溫度均勻性一致的情況下,摩擦因數(shù)的變化對(duì)于載荷力并沒(méi)有明顯的影響,也就是說(shuō),針對(duì)不同的潤(rùn)滑介質(zhì)所獲得的應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)該相似,本試驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

　　Test1和Test2在試樣溫度均勻性一致的情況下,其測(cè)得的流變應(yīng)力曲線差異很小。

　　而針對(duì)于僅添石墨片的Test3,由于石墨在高溫狀態(tài)下具有一定的保溫效果,但效果并不明顯,同時(shí)由于石墨具有優(yōu)良的潤(rùn)滑效果,反而加重了試樣兩端鼓肚的現(xiàn)象,流變應(yīng)力也大幅降低,誤差增大。因而可以得出結(jié)論:試樣端部的摩擦潤(rùn)滑情況對(duì)于鼓肚現(xiàn)象有很大影響,在試樣溫度均勻性條件沒(méi)有得到改善的條件下,端部潤(rùn)滑條件的改善反而加重了試樣的兩端鼓肚現(xiàn)象。

　　Test4采用金屬墊片與云母片一同使用,在試樣加熱過(guò)程中金屬墊片也一同加熱,獲得與試樣相近的溫度。在壓縮變形過(guò)程中如圖10所示,試樣端部溫降僅有5℃左右,減少了試樣端部與中心部位溫度的差異,極大的改善了變形過(guò)程中試樣的溫度均勻性,對(duì)于試樣兩端鼓肚現(xiàn)象的改善起了非常明顯的效果,相應(yīng)的流變應(yīng)力曲線應(yīng)力值增高、反映了材料的真實(shí)應(yīng)力鼓肚現(xiàn)象的出現(xiàn)主要影響因素有兩個(gè):變形過(guò)程中試樣溫度的均勻性和試樣端部的摩擦潤(rùn)滑。將Test4與Test1、Test2、Test3進(jìn)行對(duì)比,可以看到即使在試樣端部潤(rùn)滑條件并沒(méi)有多大改善的條件下,增加金屬墊片改善試樣在壓縮過(guò)程中的溫度均勻性已經(jīng)可以極大的改善試樣的兩端鼓肚現(xiàn)象。因此可以得出結(jié)論:試樣在壓縮過(guò)程中的溫度不均勻性是造成鼓肚現(xiàn)象的首要影響因素,同時(shí)對(duì)于應(yīng)力應(yīng)變曲線的精確獲取也會(huì)產(chǎn)生較大影響,而試樣端部的摩擦情況對(duì)于鼓肚現(xiàn)象同樣有影響,但并非主要影響因素。

　　Test5將金屬墊片和石墨片一起使用,利用金屬墊片和石墨片的共同作用改善試驗(yàn)端部的保溫效果、利用石墨片對(duì)試樣端部進(jìn)行潤(rùn)滑,可以看到Test5得到了最優(yōu)的試驗(yàn)結(jié)果,鼓肚現(xiàn)象得到了最大程度的改善,獲得了更精確的結(jié)果。

　　3、結(jié)論

　　1)壓縮試樣兩端鼓肚主要由試樣的溫度不均勻和試樣端部的摩擦兩方面造成。

　　2)試驗(yàn)溫度的不均性是造成試樣兩端鼓肚的主要因素,針對(duì)此,采用在試樣兩端添加金屬墊片與試樣一同加熱可以極大改善試樣的溫度均勻性,基本就可以解決試樣的兩端鼓肚問(wèn)題,同時(shí)也可以獲得更精確的應(yīng)力應(yīng)變曲線,提高了試驗(yàn)精度。

　　3)在試樣溫度均勻性沒(méi)有得到明顯改善的條件下,改善試樣端部的潤(rùn)滑條件反而會(huì)加重試樣兩端的鼓肚現(xiàn)象。

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