专利名称：实现热加工模拟与性能测试一体化的试验方法
技术领域：
本发明属于钢铁材料热模拟与性能测试领域，具体地说是一种能够实现热加工模拟与性能测试一体化的试验方法。
背景技术：
控制轧制和控制冷却技术的目标是实现晶粒细化和细晶强化，改善组织性能，要更好的达到这个目的，需要研究控轧和控冷过程中各工艺参数对钢材微观组织、力学性能的影响规律。实际生产中控轧和控冷过程要经过坯料加热-控制轧制-控制冷却-组织分析-性能测试等环节，其周期长，且控轧过程受变形温度、变形速率、变形量等诸多因素影响，控冷过程受道次停留时间、开冷温度及终冷温度等诸多因素影响，实际成本高，部分参 数难以达到精确控制，为上述规律的研究带来了困难。Gleeble-3500热模拟试验机属美国DSI (Dynamic Systems Inc.)科技联合体研制生产的Gleeble系列，由加热系统、加力系统以及计算机控制系统三大部分组成，可用于流变强度较低的所有金属材料及其热加工过程模拟研究。Gleeble实验时，试样中的均温区宽度，沿试样长度方向(轴向)或横向(径向)的温度梯度可以随意控制，既可进行均温实验，亦可进行温度梯度控制实验。采用Gleeble-3500热模拟试验机模拟控轧、控冷过程，可以精确地控制变形温度、变形量、应变速率、冷却速度等关键工艺参数，模拟实验的结果可以反映出实际构件或材料的受热与受力情况，从而再现出被模拟对象微观结构和宏观性能的变化。Gleeble-3500模拟热加工工艺所采用的试样形式通常为Φ8X 12mm、Φ IOX 15mm或Φ IOX 12mm,该试样形式经Gleeble-3500热模拟之后只适于进行组织观察和硬度测试，拉伸试样和冲击试样受尺寸限制无法加工，因而无法对热模拟后的样品进行力学性能测试。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够实现热加工模拟与性能测试一体化的试验方法。其采用设有通孔的夹持卡具与热模拟试验机的不锈钢卡具相配合来定位加长、加粗了的模拟试样，用以模拟热压缩变形过程，然后将热加工模拟后的模拟试样沿轴向方向加工成标准冲击试样进行冲击性能测试；在模拟试样的均温区，沿径向方向加工成微拉伸试样进行常温拉伸性能测试，从而实现热加工与性能测试一体化。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是
一种实现热加工模拟与性能测试一体化的试验方法，该方法首先制作模拟试样进行热加工模拟，然后将模拟试样加工成冲击试样和微拉伸试样进行性能测试，按照下述步骤进行
A、制作2根以上Φ10-15mmX 75-85mm的模拟试样,将模拟试样的两端分别借助设有通孔的夹持卡具定位在热模拟试验机的工作型腔内、且端部用不锈钢卡具限位，然后按照设定的参数进行热压缩变形的模拟试验，冷却至室温后进行组织分析；
B、取其中一根模拟试样，沿其轴向方向加工成标准冲击试样,进行冲击试验；C、另取模拟试样，在均温变形区切取厚度为f3mm的圆形薄片，切割成“工”字形的微拉伸试样；
D、将微拉伸试样两端用带有定位组件的拉伸卡具卡住，进行拉伸性能测试。采用上述技术方案产生的有益效果在于(I)采用本发明的模拟试样进行热加工模拟后，可先进行组织观察和硬度测试，然后还可以切割成标准的冲击试样进行冲击性能测试；(2)模拟试样经过控轧控冷工艺模拟之后，均温区经过高温变形，轴向组织、性能差异很大，而径向组织相对均匀，HVltl差别不超过15 (除去边缘两点)，沿模拟试样径向的方向切取f3mm的圆形薄片，然后将圆形薄片切割成“工”字形微拉伸试样进行拉伸试验，结果表明与标准试样的拉伸性能相比，所得数据相差不大；(3)在微拉伸卡具的技术方案中，所述微拉伸卡具可精密地将微拉伸试样的腿进行压紧定位，以保证拉伸过程中的单轴拉应力而不产生剪切力。
图I是本发明模拟试样的定位结构示意 图2是本发明从均温区切割得到的微拉伸试样结构示意 图3a和图3b分别是本发明上盖的主视和左视结构示意 图4a和图4b分别是本发明夹持芯的主视结构示意图和B-B向剖视 图5是上盖、夹持芯和下盖组合后沿C-C向的断面 图6a 图6e是本发明热压缩组织均匀性验证结果；其中，图6a表示显微硬度值，图6b表示距中心点O位置左2mm处显微组织；图6c表示中心点O位置处显微组织；图6d表示距中心点O位置右2mm处显微组织，图6e表示距中心点O位置右4mm处显微组织；
图7a和图7b分别是采用45#时，标准试样拉伸曲线和微拉伸试样的拉伸曲线；
图8a和图Sb分别是T8钢标准试样的拉伸曲线(a)和微拉伸试样的(b)拉伸曲线；其中，I、夹持卡具，2、模拟试样,3、圆形薄片,4、微拉伸试样,5、上盖,6、下盖,7、夹持芯，8、凸块，9、通孔，A代表压缩区域，10、不锈钢卡具。下面结合附图对本发明的内容进行详细地描述。
具体实施例方式本发明实现热加工模拟与性能测试一体化的方法，该方法首先制作模拟试样2进行热加工模拟，然后将模拟试样2加工成标准冲击试样和微拉伸试样4进行性能测试，具体按照下述步骤进行
A、制作2根Φ 10-15mmX75-85mm的模拟试样2，将模拟试样2的两端分别借助设有通孔的夹持卡具I定位在Gleeble热模拟试验机的工作型腔内、且端部用不锈钢卡具10限位，然后按照设定的参数进行热压缩变形的模拟试验，冷却至室温后进行组织分析。所述夹持卡具I由对称的、对接边上设有半圆形通孔的卡板对接组合而成；所述半圆形通孔的孔径与所述模拟试样2的外径相匹配。现有技术中夹持卡具借助销轴10将模拟试样2的两端定位，因此不适合较长的模拟试样。本实施例中，模拟试样2穿过夹持卡具I的通孔，两端用Gleeble热模拟试验机上配套的不锈钢卡具10限位，充分利用了工作型腔内的空间，可以采用75 85_长的模拟试样。B、取其中一根模拟轧制完成后的试样,沿其轴向方向加工成长度为55mm,横截面为IOmnT IOmm方形截面的标准冲击试样，进行相关标准的规定进行冲击试验。C、取另外一根轧制完成后的模拟试样，在均温变形区切取厚度为f 3mm的圆形薄片3 (参见图2中的虚线)，切割成“工”字形的微拉伸试样4，参看图2。所述微拉伸试样4由两条腿和腰构成。D、将微拉伸试样两端用带有定位组件的拉伸卡具卡住，进行拉伸性能测试。所述拉伸卡具由平板状的上盖5、夹持芯7和下盖6组成“三明治”结构；所述夹持芯7上设有与微拉伸试样4 一端的腿和腰相匹配的通孔9 ;所述上盖和下盖的结构相同，其上设有与所述微拉伸试样4的腿相对应、并与所述通孔9匹配的凸块8。参看图3a、图3b 和图4a、图4b。使用该微拉伸卡具时，首先将微拉伸式样4两端的腿卡在夹持芯7的通孔9内，然后将上盖5和下盖6定位在夹持芯7的两侧，并将上盖5和下盖6的凸块嵌定在夹持芯7的通孔9内，再将上盖5、夹持芯7和下盖6定位连接，形成“三明治”结构；所述上盖、下盖的凸块8厚度以及微拉伸试样4的厚度之和与夹持芯7的厚度(即通孔9的深度)相等，这样微拉伸试样4可以精密地定位在上盖5和下盖6之间，当微拉伸试样4的两端均被微拉伸卡具卡住进行拉伸试验时，拉伸力与微拉伸试样4的轴向相同,不会产生剪切力，使拉伸数据更准确。。本实施例中制作Φ 15mmX85mm的模拟试样2,按照下述参数进行热加工变形的模拟第一道次变形温度1100°C，变形量35%，第二道次变形温度850°C，变形量30%，应变速率均为ls_S第二道次变形之后弛豫50s到开冷温度，后以5°C /s冷却至终冷温度，再以
O.250C /s的升温速度控温到返红温度，然后空冷到室温。经控轧控冷模拟之后模拟试样2的压缩区域形式如图I所示，在均温变形区内电火花切取厚度为l-3mm的圆形薄样,如图2中的虚线所示。厚度为2mm的圆形薄样直径约为25_，将该圆形薄片可加工为如图2所示形式的非标准微拉伸试样4。所述微拉伸试样4由用于夹持的两腿和用于拉伸的腰形成一体结构的“工”字形。微拉伸卡具的尺寸根据微拉伸试样4的腿宽、腰厚等尺寸来定。本实施例中，微拉伸试样4厚2mm,上盖5和下盖6的凸块厚度为Imm,夹持芯的厚度为4mm。所述微拉伸卡具易加工，且成本低，一次加工可长期使用。微拉伸试样线切割加工时，合理调整相关参数，使试样各表面尽量平滑，之后经砂纸打磨，减小因切痕而造成应力集中的可能性。热压缩后的沿模拟试样轴向方向测定的组织均匀性验证结果如图6a、所示，可以看出在均温变形区内，晶粒大小一致，组织均为粒状贝氏体组织，且显微硬度值变化不大介于 294. 4-298. IHvlO 之间。关于微拉伸试样的进行拉伸试验的准确性，通过与标准试样进行比较来验证。①采用45#钢对微拉伸试验及标准拉伸试验数据进行了比较。标准拉伸试样测得的应力-延伸率曲线如图7a所示，由图可以看出，45#钢的屈服强度为355MPa左右，抗拉强度在600MPa左右，延伸率约为30% ;上述方法测得的拉伸应力应变曲线如图7b所示，由图可以看出，采用本方法测得45#钢的屈服强度为380MPa左右，抗拉强度在640MPa左右，延伸率约为22%。与标准拉伸性能相比而言，微拉伸试验所得数据较标准试验数据高25-40MPa，相差不大。而由于试样的原始标距不符合标准中短比例试样的规定，延伸率值仅
供参考。②采用T8钢对微拉伸试验及标准拉伸试验数据进行了比较。标准拉伸试样和微拉伸试样的应力-位移曲线如图8a和图Sb所示。从图中可以看出，标准试样的抗拉强度在1240MPa左右，而微拉伸试验试样的抗拉强度在1245MPa左右，相差不大。因此微拉伸试样的拉伸结果可以用于评价标准试样的拉伸性能。 采用本发明所测得的拉伸性能精确度较高，断裂均发生在标距内，且与标准试样的性能数据较为接近。
权利要求
1.一种实现热加工模拟与性能测试一体化的试验方法，该方法首先制作模拟试样进行热加工模拟，然后将模拟试样加工成冲击试样和微拉伸试样进行性能测试，其特征在于按照下述步骤进行 A、制作2根以上Φ10-15mmX 75-85mm的模拟试样,将模拟试样的两端分别借助设有通孔的夹持卡具定位在热模拟试验机的工作型腔内、且端部用不锈钢卡具限位，然后按照设定的参数进行热压缩变形的模拟试验，冷却至室温后进行组织分析； B、取其中一根模拟试样，沿其轴向方向加工成标准冲击试样,进行冲击试验； C、另取模拟试样，在均温变形区切取厚度为f3mm的圆形薄片，切割成“工”字形的微拉伸试样；D、将微拉伸试样两端用带有定位组件的拉伸卡具卡住，进行拉伸性能测试。
2.根据权利要求I所述的实现热加工模拟与性能测试一体化的试验方法，其特征在于步骤A中所述夹持卡具由对称的、对接边上设有半圆形通孔的、外轮廓与所述工作型腔形状匹配的卡块对接组合而成。
3.根据权利要求2所述的实现热加工模拟与性能测试一体化的试验方法，其特征在于所述半圆形通孔的孔径与模拟试样的外径相匹配。
4.根据权利要求I所述的实现热加工模拟与性能测试一体化的试验方法，其特征在于所述拉伸卡具由平板状的上盖(5)、夹持芯(7)和下盖(6)组成“三明治”结构；所述夹持芯(7)上设有与微拉伸试样(4) 一端匹配的通孔(9);所述上盖(5)和下盖(6)的结构相同，其上设有与通孔(9)匹配的凸块(8)。
5.根据权利要求4所述的实现热加工模拟与性能测试一体化的试验方法，其特征在于所述上盖(5)、下盖(6)的凸块厚度以及微拉伸试样(4)的厚度之和与夹持芯(7)的厚度相坐寸ο
6.根据权利要求I所述的实现热加工模拟与性能测试一体化的试验方法，其特征在于在拉伸试验和冲击试验之前，将冲击试样和微拉伸试样(4)进行打磨。
全文摘要
本发明公开了一种能够实现热加工模拟与性能测试一体化的试验方法。其采用加长、加粗了的模拟试样用以模拟控轧、控冷过程，然后将模拟试样沿轴向方向加工成标准冲击试样进行冲击性能测试；在模拟试样的均温变形区，沿径向方向加工成“工”字形的微拉伸试样并使用配套的微拉伸卡具进行常温拉伸性能测试，从而实现热加工与性能测试一体化。采用本发明的方法，拉伸试验的结果与标准试样的拉伸结果相比，数据较准确，极大提高了热模拟试验的效率。
文档编号C21D8/00GK102735529SQ20121019224
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月12日 优先权日2012年6月12日
发明者刘利刚, 孔进丽, 王同良, 王玉辉, 王青峰, 范磊 申请人:燕山大学