一种确定金属流变失稳条件的试验装置及方法与流程

本发明涉及塑性加工领域，特别是涉及一种工业模具、确定金属流变失稳条件的试验装置及方法。

背景技术：

金属材料热态变形过程从热力学意义上讲是一个远离平衡的非线性、不可逆的热力学过程。利用金属材料热态变形过程中发生的晶粒破碎和球化，动态回复和再结晶，相变和超塑性等一些列稳态的物理冶金过程，可实现金属材料及构件的组织和性能的精确控制。局部流动或局部塑性失稳是锻造过程中的基本现象之一。而金属材料热态变形过程中的流变失稳现象(主要包括绝热剪切带、局部塑性流动和开裂等)则被视为塑性加工过程中的常见缺陷。其中，材料局部塑性流动会造成锻件内部的局部区域出现明显的变化，对最终锻件的组织性能产生不利的影响；而当局部变形剧烈时，锻件内部容易产生空洞，发展成细小的微裂纹，最终导致锻件的开裂。因此，准确可靠地获得金属塑性变形过程中材料局部流动或局部失稳以及绝热剪切的临界条件，进而获得能够有效避免此类缺陷的工艺参数范围，对材料塑性变形工艺设计和零部件的质量评估都是十分重要的。

目前，通过gleeble系统的热压缩试验、常规拉伸试验和扭转试验、sphb试验系统等，可进行金属材料准静态和动态加载条件下的材料力学行为和失效研究，但部分实验中试验件在加载过程中，试验件两边容易翘起，影响实验结果。其中，基于hopkinson杆的试验装置是材料局部流动和绝热剪切行为研究中最常用的加载手段(中国发明专利申请公开说明书cn201120493448.3和中国发明专利申请公开说明书cn200810017503.4)。该类装置基于扭杆或压杆研究在压缩或剪切状态下材料的绝热剪切行为；或通过设计异形试样，包括帽形试样、斜圆柱样、阶梯圆柱样、圆台样、哑铃样、缺口圆柱样等，或改变加载方式，如双剪、冲压、切削实验装置，从而减小试样有效变形区长度来实现样品局域的高应变率剪切加载。目前，sphb压杆试验技术已发展为获得10²～10⁴s^-1应变率范围内材料应力-应变关系的主要试验手段。然而，一方面，以上实验装置属于通用试验装置，一般对试样尺寸有特殊要求，且采用的试样尺寸与实际工况有较大差别，其试验结果需要进一步在实际工况中进行验证；另一方面，金属材料在塑性加工过程中塑性流变失稳往往发生于复杂应力状态条件下，常规的热压缩试验、拉伸试验、扭转试验只能获得简单应力状态(比如单向拉伸或压缩，单剪切应力状态)，sphb试验结果也只涉及在特定假设条件下的单向压应力状态分析结果。可见，现有的相关技术并不能够满足确定实际工况中金属材料塑性流变失稳条件的需求。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种工业模具、确定金属流变失稳条件的试验装置及方法，能够确定实际工况条件下金属塑性变形过程流变失稳现象的临界工艺条件，能够通过一次试验获得多个变形程度的剪切变形，提高试验效率和材料利用率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种确定金属流变失稳条件的试验装置，所述试验装置包括压力加载设备、压头和工业模具，所述工业模具包括上模具和下模具，所述上模具上设置有多个上模具凸台和多个上模具凹槽，所述上模具凸台与所述上模具凹槽间隔设置，所述上模具凸台的高度可调；所述下模具上设置有多个下模具凸台和多个下模具凹槽，所述下模具凸台与所述下模具凹槽间隔设置；所述上模具凸台与所述下模具凹槽相互耦合，所述上模具凹槽与所述下模具凸台相互耦合；所述压头与所述压力加载设备相连接，工作时，所述压头压在所述上模具上，所述上模具、下模具和压头的中心轴线位于同一直线上。

可选的，所有所述下模具凸台的高度相同。

可选的，所述上模具凸台、上模具凹槽、下模具凸台和下模具凹槽的型面均为扇环形，所述上模具凸台和上模具凹槽以所述上模具的中心为圆心呈圆环状布置，所述下模具凸台和下模具凹槽以所述下模具的中心为圆心呈圆环状布置。

可选的，所述下模具的中心处设置有定位凸台，所述定位凸台与每一个所述下模具凸台朝向所述下模具中心的一面固定连接。

可选的，所述定位凸台为径向定位凸台，所述径向定位凸台为圆柱状，其高度为3-5mm。

可选的，所述装置还包括模座，所述下模具安装于所述模座中，所述上模具、下模具、压头和模座的中心轴线位于同一直线上。

可选的，所述上模具和所述模座、所述下模具与所述模座均为间隙配合。

可选的，所述模座的壁上设置有观察槽，所述观察槽用于观察金属试验件的形变情况。

本发明还提供了一种确定金属流变失稳条件的方法，所述方法应用于确定金属流变失稳条件的试验装置中，所述试验装置包括压力加载设备、压头、模座和工业模具，所述工业模具包括上模具和下模具，所述上模具上设置有多个上模具凸台和多个上模具凹槽，所述上模具凸台与所述上模具凹槽间隔设置，所述上模具凸台的高度可调；所述下模具上设置有多个下模具凸台和多个下模具凹槽，所述下模具凸台与所述下模具凹槽间隔设置；所述上模具凸台与所述下模具凹槽相互耦合，所述上模具凹槽与所述下模具凸台相互耦合；所述压头与所述压力加载设备相连接，所述下模具安装于所述模座中，所述上模具、下模具、压头和模座的中心轴线位于同一直线上；

所述方法包括：

调节各上模具凸台的高度，使相邻的所述上模具凸台具有高度差，相对的所述上模具凸台高度相同；

将金属试验件在加热炉内加热到锻造温度；

将上模具和下模具置于加热炉内进行预热；

将预热后的所述下模具置于模座中，并用销钉将所述下模具和所述模座进行连接；

将加热后的所述金属试验件放置在所述下模具上；

将加热后的所述上模具置于所述金属试验件上，并用销钉将所述上模具与所述下模具、所述模座分别进行连接和定位；

启动压力加载装置进行加载，通过压头对试验件进行压缩，观察所述金属试验件的变形情况；

如果所述金属试验件未出现裂纹，则将所述金属试验件翻转，再次进行压缩，直至所述金属试验件出现裂纹；

对压缩后所述金属试验件的剪切变形区进行高低倍微观组织观察，判断所述金属试验件材料的塑性流变失稳情况及组织特征；

对所述金属试验件的压缩变形过程进行数值仿真，分析剪切变形区的力学状态，结合所述金属试验件材料的塑性流变失稳情况及组织特征，确定所述金属试验件材料塑性变形流变失稳现象发生时的力学状态及变形参数范围。

可选的，所述上模具和下模具的欲加热温度小于等于所述金属试验件的加热温度，且所述上模具和下模具的加热温度均小于等于900℃。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明通过设置具有多个凸台和凹槽的上模具和下模具，且上模具的凸台高度可调，使得在一次试验中，可以获得试验件的多个变形程度的剪切变形，提高试验效率和材料利用率，此外，本申请提供的试验装置对试验件的尺寸大小没有要求，能够直接对实际工况中的试样进行试验，测量结果更加的准确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例确定金属流变失稳条件的试验装置结构示意图；

图2为本发明实施例上模具结构图；

图3为本发明实施例下模具结构图；

图4为本发明实施例确定金属流变失稳条件的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种工业模具、确定金属流变失稳条件的试验装置及方法，能够确定实际工况条件下金属塑性变形过程流变失稳现象的临界工艺条件，能够通过一次试验获得多个变形程度的剪切变形，提高试验效率和材料利用率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例确定金属流变失稳条件的试验装置结构示意图，如图1所示，试验装置包括压力加载设备、压头3、模座4和工业模具，所述下模具2安装于所述模座4中，所述压头3与所述压力加载设备相连接，工作时，所述压头3压在所述上模具上，压头3通过销钉8、9与压力加载设备进行定位和连接，所述工业模具包括上模具1和下模具2，所述上模具1、下模具2、压头3和模座4的中心轴线位于同一直线上。所述上模具1与模座4、下模具2与所述模座4均为间隙配合。所述模座4通过所述小丁5、6与所述下模具2进行定位和配合。所述模座4的壁上设置有观察槽10，所述观察槽10用于观察金属试验件7的形变情况。

所述压力加载设备为通用的液压机、机械压力机或螺旋压力机。

图2为本发明实施例上模具结构图，如图2所示，所述上模具1的下端面上设置有多个上模具凸台201和多个上模具凹槽202，所述上模具凸台201与所述上模具凹槽202间隔设置，所述上模具凸台201的高度可调；图3为本发明实施例下模具结构图，如图3所示，所述下模具上设置有多个下模具凸台301和多个下模具凹槽302，所述下模具凸台301与所述下模具凹槽302间隔设置；所述上模具凸台201与所述下模具凹槽302相互耦合，所述上模具凹202与所述下模具凸台301相互耦合。所有所述下模具凸台301的高度相同。

作为本发明的一个优选的实施例，所述上模具凸台201、上模具凹槽202、下模具凸台301和下模具凹槽302的型面可以为扇环形，所述上模具凸台201和上模具凹槽202以所述上模具的中心为圆心呈圆环状布置，所述下模具凸台301和下模具凹槽302以所述下模具的中心为圆心呈圆环状布置。而且，上模具和下模具的扇环形凸台和扇环形凹槽的圆心角相等。

作为本发明的一个优选的实施例，所述下模具的中心处设置有定位凸台，所述定位凸台与每一个所述下模具凸台朝向所述下模具中心的一面固定连接。所述定位凸台为径向定位凸台，所述径向定位凸台可以为圆柱状，其高度为3-5mm。

位于扇环形凸台与扇环形凹槽耦合区域为变形区，改变上模具扇环形凸台的高度，使得试验件获得不同变形程度的剪切变形区，且上模具扇环形凸台高度越大，在此变形区内试验件的变形越大，在扇环形凸台两侧过渡区域，试验件的剪切变形也越剧烈；反之，上模具扇环形凸台的高度越小，在此变形区内试验件的变形越小，在凸台两侧过渡区域试验件的剪切变形也越小。

观察槽10的宽度为扇环形凸台宽度的1-1.5倍，且观察槽的中心轴线与上模具最高扇环形凸台的边缘重合。

本发明提供的确定金属流变失稳条件的试验装置通过设置具有多个凸台和凹槽的上模具和下模具，且上模具的凸台高度可调，使得在一次试验中，可以获得试验件的多个变形程度的剪切变形，提高试验效率和材料利用率，此外，本申请提供的试验装置对试验件的尺寸大小没有特殊要求，能够直接对实际工况中的试样进行试验，测量结果更加的准确。

本发明还提供了一种确定金属流变失稳条件的方法，所述方法应用于确定金属流变失稳条件的试验装置中，所述试验装置包括压力加载设备、压头、模座和工业模具，所述工业模具包括上模具和下模具，所述上模具上设置有多个上模具凸台和多个上模具凹槽，所述上模具凸台与所述上模具凹槽间隔设置，所述上模具凸台的高度可调；所述下模具上设置有多个下模具凸台和多个下模具凹槽，所述下模具凸台与所述下模具凹槽间隔设置；所述上模具凸台与所述下模具凹槽相互耦合，所述上模具凹槽与所述下模具凸台相互耦合；所述压头与所述压力加载设备相连接，所述下模具安装于所述模座中，所述上模具、下模具、压头和模座的中心轴线位于同一直线上。

图4为本发明实施例确定金属流变失稳条件的方法流程图，如图4所示，所述方法具体包括以下步骤：

步骤401：调节各上模具凸台的高度，使相邻的所述上模具凸台具有高度差，相对的所述上模具凸台高度相同；

步骤402：将金属试验件在加热炉内加热到锻造温度；

步骤403：将上模具和下模具置于加热炉内进行预热；

步骤404：将预热后的所述下模具置于模座中，并用销钉将所述下模具和所述模座进行连接；

步骤405：将加热后的所述金属试验件放置在所述下模具上；

步骤406：将加热后的所述上模具置于所述金属试验件上，并用销钉将所述上模具与所述下模具、所述模座分别进行连接和定位；

步骤407：启动压力加载装置进行加载，通过压头对试验件进行压缩，观察所述金属试验件的变形情况；

步骤408：如果所述金属试验件未出现裂纹，则将所述金属试验件翻转，再次进行压缩，直至所述金属试验件出现裂纹；

步骤409：对压缩后所述金属试验件的剪切变形区进行高低倍微观组织观察，判断所述金属试验件材料的塑性流变失稳情况及组织特征；

步骤410：对所述金属试验件的压缩变形过程进行数值仿真，分析剪切变形区的力学状态，结合所述金属试验件材料的塑性流变失稳情况及组织特征，确定所述金属试验件材料塑性变形流变失稳现象发生时的力学状态及变形参数范围。

所述上模具和下模具的欲加热温度小于等于所述金属试验件的加热温度，且所述上模具和下模具的加热温度均小于等于900℃。

作为本发明一个具体的实施例，上模具和下模具上的扇环形凸台的端面为扇形型面，试验件置于下模具和上模具扇环形凸台的扇形型面之间；上模具、下模具和试验件均置于模座中；在模座的环壁上设置有观察槽以便观察试验件的变形情况；模座通过销钉与压力加载设备进行定位和连接；压头通过销钉与压力加载设备进行定位和连接。

为使上模具、下模具、压头、模座及试验件的中心轴线位于同一直线上，上模具和下模具及模座对应位置设置有销钉孔并利用销钉5、6定位；压头与加载设备之间、上模具与压头之间也采用该方法定位和对中。

上模具与模座、下模具与模座均为间隙配合，考虑到本实施例采用的模具材质，间隙取为2mm。

试验件为环形试样可有效避免其压缩过程中发生翘曲，本实施例中试验件材质为gh4169合金，来源于抚钢生产的φ250棒材，炉号为09242200261，冶炼方法为真空感应加真空自耗，试验环件尺寸为φ100×φ60×20mm，成形工艺为：下料-镦粗-冲孔-机加。

下模具中心部位定位凸台高度3～5mm，定位凸台外径等于试验件的内径，用来径向定位试验件。

本实施例中，下模具定位凸台高度为3mm，定位凸台外径等于60mm。

上模具和下模具设置有上下对应的若干扇环形型面；试验件变形时在与上模具和下模具的扇环形凸台到扇环形凹槽的过渡区域产生剪切变形，用于观察实验材料的塑性流变失稳现象。

本实施例中，上模具和下模具设置有上下对应的4组扇环形型面，可于试验件上获得两组即八个变形程度不同的剪切变形区。也可以设置为更多对扇形环面。

下模具的扇环形凸台的扇形型面位于同一水平面。

本实施例中，上模具的扇环形凸台的扇环形型面中，互为中心对称的两个扇环形的上模具凸台的扇环形型面分别具有相同高度，并位于同一水平面，而相邻的两扇环形上模具凸台的扇环形型面存在高度差2mm，扇环形上模具凸台高度越大，在此变形区内试验件的变形越大，试验件在扇环形凸台两侧过渡区域发生的剪切变形也越剧烈；反之，上模具凸台高度越小，在此变形区内试验件的变形越小，试验件在扇环形凸台两侧过渡区域发生的剪切变形也越小。

模座上的观察槽的宽度为模具扇环形凸台的宽度的1～1.5倍，本实施例中为1.3倍；观察槽的中心线位于试验件剪切变形最大的部位即上模具最高扇形凸台的边缘。

本实施例中，压力加载设备为液压机，型号为yl32—315四柱液压机，最大载荷3150kn，工作时滑块行程速度为10mm/s，上模具和下模具的材质为k403；模座具的材质为模具钢。

本实施例在确定金属流变失稳条件时，先将试验件在加热炉内加热到锻造温度；将上模具和下模具置于加热炉内进行预热。将涂好玻璃润滑剂的gh4169试验件放入电阻炉内加热，加热过程为：加热到900℃保温40min，之后再继续加热到始锻温度990℃并保温40min；模具预热过程为：将上模具和下模具置于加热炉内加热至900℃，保温时间≥2小时。试验件保温结束后，首先将下模具取出放入模座内，随后快速取出试验件及上模具置于下模具上，上模具和下模具与试验件之间的相对位置由左右两端的销钉进行定位和对中。利用下模具的定位凸台对试验件进行径向定位。试验选取两个环形试验件进行压缩，其中1个，标记为no.1只进行一火压缩，另外1个试验件，标记为no.2进行两火翻面压缩，no.1试验件压缩时对应模具最高凸台部位高度方向最大压下量为10mm，此剪切变形区域记为1-a区；由于模具相邻凸台存在2mm高度差，则no.1试验件压下量较小部位的高度压下量则为8mm，此剪切变形区域记为1-b区。类似的，no.2试验件压缩时对应模具最高凸台部位高度方向最大压下量分别为：第一火10mm，第二火13mm，此剪切变形区域记为2-a区；压下量较小部位的高度压下量分别为第一火8mm，第二火10mm，此剪切变形区域记为2-b区。通过模座上预留的观察槽观察试验件的变形情况，若出现裂纹则停止压缩；若第一次压缩未观察到裂纹，可对试验件重新加热，翻面后重复进行多火次的压缩试验，使试验件获得更大的累积变形，直到在剪切变形区域观察到裂纹产生为止。

从实验结果看，no.1试验件在压缩过程中未出现裂纹，no.2实验件在第二火压缩过程中出现了裂纹，压缩试验结束。

对压缩后试验件no.1和no.2的剪切变形区进行高低倍微观组织观察，可以看出，在本实施例给出的试验条件下，试验件no.1发生了塑性失稳，塑性失稳部分的组织为细小等轴晶粒且平均尺寸为2μm。no.2的剪切变形区2-a出现了裂纹。

对试验件no.1和no.2压缩变形过程进行数值仿真，分析各剪切变形区的力学状态，结合上述组织分析结果，确定试验材料塑性变形流变失稳现象发生时的力学状态及对应的变形参数范围。

采用deform3d软件进行试验件压缩变形过程进行数值仿真，建立有限元模型及主要边界条件列于附表1。

附表1

采用本实施例的数值仿真和微观组织观察结果，确定了normalizedcockcroft&latham断裂准则(式(1))(以下简称为正则化c&l准则)的断裂阈值：

其中εr为发生断裂时应变；εep等效应变；σ主应力；cc断裂韧性阈值，一般通过物理实验和数值计算确定。

本实施例中εr＝1.84，σeq＝260mpa，ω＝148mpa，最终确定的断裂阈值cc为1.05。

本发明提供的确定金属流变失稳条件的试验装置及方法通过设置具有多个凸台和凹槽的上模具和下模具，且上模具的凸台高度可调，使得在一次试验中，可以获得试验件的多个变形程度的剪切变形，提高试验效率和材料利用率，此外，本申请提供的试验装置对试验件的尺寸大小没有要求，能够直接对实际工况中的试样进行试验，测量结果更加的准确。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。