热模拟试验的试样和热模拟试验的方法与流程

本发明涉及材料技术领域，具体地，涉及热模拟试验的试样和热模拟试验的方法。

背景技术：

2011年，美国提出创新研发模式，通过“理性设计-高效实验-大数据技术”的深度融合和全过程协同创新，加速新材料发展的“材料基因工程”计划。该计划的关键技术为高通量计算方法，高通量实验方法和材料大数据库技术。其中高通量实验方法是指理性设计指导下的高效实验，通过高通量的实验方法来提高实验研究的效率。锻造热模拟技术(即热模拟试验)是一种常见的模拟锻件锻造过程的方法，常见的模拟机器有美国的gleeble系列、日本的thermecmaster系列，通过设置一定的温度范围和应变速率范围，将加工的试样在指定的温度和应变速率下进行压缩模拟的锻造过程。然而，这种传统的热模拟试验每次只能模拟一种温度和应变速率对应的工况，效率低下，并不适宜模拟大的温度梯度和变形梯度的锻件的锻造过程。

因而，现有的热模拟试验的相关技术仍有待改进。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种沿轴线方向上的不同截面的温度、应变速率、应变不同、在发生热变形以后不同位置的微观组织、机械性能不同、实现模拟不同温度、应变速率、应变工况的效果、可以用于模拟各种合金材料的受热及变形过程、提高实验效率、或者实现高通量的热模拟试验技术的试样。

在本发明的一个方面，本发明提供了一种热模拟试验的试样。根据本发明的实施例，该热模拟试验的试样的形状为圆台形。发明人发现，由于该试样在沿圆台形轴线方向上的不同截面的面积不同，因此在利用该试样进行热模拟试验时，沿圆台形轴线方向上的不同截面的温度、应变速率和应变不同，且在该试样发生热变形以后，该试样上不同位置的微观组织和机械性能也不同，实现了模拟不同温度、应变速率和应变工况的效果，且可以用于模拟各种合金材料的受热及变形过程，从而提高实验效率，进而实现高通量的热模拟试验技术。

根据本发明的实施例，所述试样的目标尺寸参数是通过以下步骤确定的：提供所述试样的预设高度h0，以及所述预设高度h0与所述试样的上底面半径r1、下底面半径r2之和的预设比值k；将所述试样的母线与下底面之间的夹角θ取一系列不同的数值，根据几何关系，确定所述试样的一系列尺寸参数，以得到一系列具有所述尺寸参数的待分析试样，其中，所述尺寸参数包括所述预设高度h0、所述夹角θ、所述上底面半径r1和所述下底面半径r2；分别将一系列所述待分析试样进行有限元分析，选择热分析通量最高的分析结果对应的所述尺寸参数，作为所述试样的目标尺寸参数。

根据本发明的实施例，具有所述目标尺寸参数的所述试样适于由所述热模拟试验的夹具所固定。

根据本发明的实施例，所述预设高度h0为10mm～14mm。

根据本发明的实施例，所述上底面半径r1大于或等于0.5mm且小于4mm。

根据本发明的实施例，所述下底面半径r2大于4mm且小于或等于7.5mm。

根据本发明的实施例，所述夹角θ大于或等于60°且小于90°。

根据本发明的实施例，所述夹角θ为80°。

根据本发明的实施例，所述试样满足以下条件的至少之一：在进行热模拟试验时，沿所述试样的轴线方向上，温度呈梯度分布；在进行热模拟试验时，沿所述试样的轴线方向上，应变呈梯度分布。

根据本发明的实施例，所述试样适用于gleeble热模拟试验机，所述试样的高度为10mm～14mm、上底面半径r1大于或等于0.5mm且小于4mm、下底面半径r2大于4mm且小于或等于7.5mm、母线与下底面之间的夹角θ大于或等于60°且小于90°。

在本发明的另一个方面，本发明提供了一种热模拟试验的方法。根据本发明的实施例，所述热模拟试验是利用前面所述的试样进行的。发明人发现，该方法操作简单、方便，容易实现，且可以实现模拟不同温度、应变速率和应变工况的效果，可以用于模拟各种合金材料的受热及变形过程，实验效率高，可以实现高通量的热模拟试验。

附图说明

图1显示了本发明一个实施例中热模拟试验的试样的剖面结构示意图。

图2分别显示了图1的实施例中确定热模拟试验的试样p-p’截面s1和q-q’截面s2的平面结构示意图。

图3显示了本发明一个实施例中确定热模拟试验的试样的目标尺寸参数的步骤的流程示意图。

图4显示了本发明实施例1中热模拟试验的试样照片。

图5显示了本发明实施例1中热模拟试验的试样在进行热模拟试验的照片。

图6显示了本发明实施例1中热模拟试验的试样在进行热模拟试验时，通过该试样轴线的剖面上不同位置的应变随时间的变化曲线。

图7显示了本发明实施例1中热模拟试验的试样在进行热模拟试验后，通过该试样轴线的剖面上不同位置的微观组织形貌图。

附图标记：

100：试样200：夹具

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

在本发明的一个方面，本发明提供了一种热模拟试验的试样。根据本发明的实施例，参照图1和图4，该热模拟试验的试样100的形状为圆台形。发明人发现，由于该试样100在沿圆台形轴线(如图1中虚线ab所示)方向上的不同截面的面积不同(例如，参照图1和图2，p-p’截面s1和q-q’截面s2的面积明显不同，且在该试样100沿圆台形轴线ab方向上的任意位置取两个不同的截面，其面积也不同)，因此在利用该试样100进行热模拟试验时，沿圆台形轴线ab方向上的不同截面的温度、应变速率和应变不同，且在该试样100发生热变形以后，该试样100上不同位置的微观组织和机械性能也不同，实现了模拟不同温度、应变速率和应变工况的效果，且可以用于模拟各种合金材料的受热及变形过程，从而提高实验效率，进而实现高通量的热模拟试验技术。

根据本发明的实施例，该试样100的尺寸并不受特别限制，只要该试样100的形状为圆台形，即可实现模拟不同温度、应变速率和应变工况的效果，且可以用于模拟各种合金材料的受热及变形过程，从而提高实验效率，进而实现高通量的热模拟试验技术的技术效果。换句话说，该圆台形的上底面半径、下底面半径、高度以及母线与下底面之间的夹角等尺寸参数，本领域技术人员可以根据实际需要进行灵活选择。

根据本发明的实施例，进一步地，针对不同品牌、不同型号的热模拟试验机，其对于热模拟试验的试样的尺寸参数的要求是不同的，主要原因在于热模拟试验机的夹具的尺寸需要与试样的尺寸相配合，但不同热模拟试验机的夹具的尺寸不同。因此，在利用本发明所述的试样进行热模拟试验时，需要根据所采用的热模拟试验机的品牌和型号来进一步选择该试样的尺寸参数。

根据本发明的实施例，参照图1和图3，所述试样100的目标尺寸参数是通过以下步骤确定的(需要说明的是，此处的目标尺寸参数是指将该试样用于进行热模拟试验时该试样的尺寸参数)：

s100：提供所述试样100的预设高度h0，以及所述预设高度h0与所述试样100的上底面半径r1、下底面半径r2之和的预设比值k。

根据本发明的实施例，前面所述的预设高度h0和预设比值k，均可根据不同品牌、不同型号的热模拟试验机对于热模拟试验的试样的尺寸参数的要求来获得。由此，通过不同品牌、不同型号的热模拟试验机对于热模拟试验的试样的尺寸参数的要求，得到所述试样100的预设高度h0和预设比值k，以将其用于表示试样100中的其他尺寸参数，从而求解试样100中的其他尺寸参数。

根据本发明的实施例，由前面所述可得，可通过不同品牌、不同型号的热模拟试验机对于热模拟试验的试样的尺寸参数的要求，得到所述试样100的预设高度h0和预设比值k的具体数值，且有：

由此，可将所述预设比值k用于表示试样100中的其他尺寸参数，从而求解试样100中的其他尺寸参数。

s200：将所述试样100的母线与下底面之间的夹角θ取一系列不同的数值，根据几何关系，确定所述试样的一系列尺寸参数，以得到一系列具有所述尺寸参数的待分析试样，其中，所述尺寸参数包括所述预设高度h0、所述夹角θ、所述上底面半径r1和所述下底面半径r2。

根据本发明的实施例，具体地，参照图1，由平面几何关系可得，所述试样100的母线与下底面之间的夹角θ、预设高度h0和所述试样100的上底面半径r1、所述下底面半径r2之间的关系式，即：

根据前面所述的式(1)和式(2)，可得：

由此，式(3)即为用前面所述的试样100的母线与下底面之间的夹角θ、预设高度h0和预设比值k来表示所述试样100的上底面半径r1、所述下底面半径r2。

根据本发明的实施例，由于预设高度h0和预设比值k均是可以通过不同品牌、不同型号的热模拟试验机对于热模拟试验的试样100的尺寸参数的要求所得到的确定的数值，因此根据式(3)，将所述试样100的母线与下底面之间的夹角θ取一系列不同的数值，即可确定所述试样100的一系列尺寸参数，其中，所述尺寸参数包括所述预设高度h0、所述夹角θ、所述上底面半径r1和所述下底面半径r2，进而得到一系列具有所述尺寸参数的待分析试样，以利于确定所述试样100的目标尺寸参数。

s300：分别将一系列所述待分析试样进行有限元分析，选择热分析通量最高的分析结果对应的所述尺寸参数，作为所述试样100的目标尺寸参数。

根据本发明的实施例，此处的热分析通量最高的分析结果所表示的就是在将该试样100进行一次热模拟试验时，其试样100中具有不同温度、应变速率、应变的不同位置最多的试样对应的所述分析结果，且在该试样100发生热变形以后，该试样上具有不同微观组织和机械性能的不同位置也最多的试样对应的所述分析结果，选择上述热分析通量最高的分析结果对应的所述尺寸参数，作为所述试样100的目标尺寸参数，从而在利用该试样100进行热模拟试验时，处于不同工况的位置最多，沿圆台形轴线方向上具有不同温度、应变速率和应变的不同位置最多，且在该试样发生热变形以后，该试样上具有不同微观组织和机械性能的不同位置也最多，从而进一步实现了模拟不同温度、应变速率和应变工况的效果，且可以用于模拟各种合金材料的受热及变形过程，从而进一步提高实验效率，进而进一步实现高通量的热模拟试验技术。

根据本发明的实施例，进行有限元分析的方法不受特别限制，例如可以采用deform3d有限元分析软件进行前面所述的有限元分析，在此不再过多赘述。

根据本发明的实施例，由上述步骤确定的目标尺寸参数后制作所得到的热模拟试验的试样100，参照图5，其适于由所述热模拟试验的夹具200所固定，且在进行热模拟试验时，处于不同工况的位置最多，沿圆台形轴线方向上具有不同温度、应变速率和应变的不同位置最多，且在该试样发生热变形以后，该试样上具有不同微观组织和机械性能的不同位置也最多，从而进一步实现了模拟不同温度、应变速率和应变工况的效果，且可以用于模拟各种合金材料的受热及变形过程，从而进一步提高实验效率，进而进一步实现高通量的热模拟试验技术。

根据本发明的实施例，所述预设高度h0可以为10mm～14mm。在本发明的一些实施例中，所述预设高度h0可以具体为10mm、11mm、12mm、13mm或者14mm等。由此，该试样100适于由所述热模拟试验的夹具200所固定，且在进行热模拟试验时，处于不同工况的位置多，沿圆台形轴线方向上具有不同温度、应变速率和应变的不同位置多，且在该试样发生热变形以后，该试样上具有不同微观组织和机械性能的不同位置也多，从而进一步实现了模拟不同温度、应变速率和应变工况的效果，且可以用于模拟各种合金材料的受热及变形过程，从而进一步提高实验效率，进而进一步实现高通量的热模拟试验技术。

根据本发明的实施例，所述上底面半径r1可以大于或等于0.5mm且小于4mm。在本发明的一些实施例中，所述上底面半径r1可以具体为0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm或者3.5mm等。由此，该试样100适于由所述热模拟试验的夹具200所固定，且在进行热模拟试验时，处于不同工况的位置多，沿圆台形轴线方向上具有不同温度、应变速率和应变的不同位置多，且在该试样发生热变形以后，该试样上具有不同微观组织和机械性能的不同位置也多，从而进一步实现了模拟不同温度、应变速率和应变工况的效果，且可以用于模拟各种合金材料的受热及变形过程，从而进一步提高实验效率，进而进一步实现高通量的热模拟试验技术。

根据本发明的实施例，所述下底面半径r2可以大于4mm且小于或等于7.5mm。在本发明的一些实施例中，所述下底面半径r2可以具体为4.5mm、5mm、5.5mm、6mm、6.5mm、7mm或者7.5mm、等。由此，该试样100适于由所述热模拟试验的夹具200所固定，且在进行热模拟试验时，处于不同工况的位置多，沿圆台形轴线方向上具有不同温度、应变速率和应变的不同位置多，且在该试样发生热变形以后，该试样上具有不同微观组织和机械性能的不同位置也多，从而进一步实现了模拟不同温度、应变速率和应变工况的效果，且可以用于模拟各种合金材料的受热及变形过程，从而进一步提高实验效率，进而进一步实现高通量的热模拟试验技术。

根据本发明的实施例，所述夹角θ大于或等于60°且小于90°。在本发明的一些实施例中，所述夹角θ可以具体为60°、65°、70°、75°、80°或者85°等。更进一步地，所述夹角θ可以为80°。由此，该试样100适于由所述热模拟试验的夹具200所固定，且在进行热模拟试验时，处于不同工况的位置多，沿圆台形轴线方向上具有不同温度、应变速率和应变的不同位置多，且在该试样发生热变形以后，该试样上具有不同微观组织和机械性能的不同位置也多，从而进一步实现了模拟不同温度、应变速率和应变工况的效果，且可以用于模拟各种合金材料的受热及变形过程，从而进一步提高实验效率，进而进一步实现高通量的热模拟试验技术。

根据本发明的实施例，所述试样100适用于各种品牌和型号的热模拟试验机。在本发明的一些实施例中，所述试样100特别适用于gleeble热模拟试验机，尤其是gleeble-1500d热模拟试验机。

根据本发明的实施例，所述试样100适用于模拟各种合金材料的受热及变形过程。在本发明的一些实施例中，所述试样100特别适用于模拟模具钢5crnimov的受热及变形过程。

根据本发明的实施例，本发明所述的热模拟试验的试样100，参照图5，在试样100的内部取一小段微元，其长度为δl，则有下式：

其中，δq为微元上产生的热量、i为通过试样的电流、δr为微元的电阻、ρ为试样100的电阻率、s为试样100的横截面积、t为通电时间。由上式可知，若在所述试样100的两个不同的位置，分别取两个具有相同长度δl的微元，以两个不同位置的具有相同长度δl的微元为研究对象，对于两个不同的微元而言，由于通过试样100的电流i相同，微元的电阻δr、试样100的电阻率ρ、和通电时间t均相同，因而在两个不同的微元上产生的热量δq，仅与该微元所在的位置位于所述试样100截面的横截面积s有关(需要说明的是，本领域技术人员可以理解，此处所说的横截面积即是前面所述的沿圆台形轴线方向上的不同截面的面积)。因此，该试样100在进行热模拟试验时，沿所述试样100的轴线方向上，温度呈梯度分布，从而进一步实现了模拟不同温度、应变速率和应变工况的效果，且可以用于模拟各种合金材料的受热及变形过程，从而进一步提高实验效率，进而进一步实现高通量的热模拟试验技术。

根据本发明的实施例，由于该试样在沿圆台形轴线方向上的不同截面的面积不同，因此在利用该试样进行单轴压缩热模拟试验时，所述试样100截面的横截面积s较小的位置变形量大；所述试样100截面的横截面积s较大的位置变形量小。因而，该试样100在进行热模拟试验时，沿所述试样100的轴线方向上，应变呈梯度分布，从而进一步实现了模拟不同温度、应变速率和应变工况的效果，且可以用于模拟各种合金材料的受热及变形过程，从而进一步提高实验效率，进而进一步实现高通量的热模拟试验技术。

在本发明的另一个方面，本发明提供了一种热模拟试验的方法。根据本发明的实施例，所述热模拟试验是利用前面所述的试样进行的。发明人发现，该方法操作简单、方便，容易实现，且可以实现模拟不同温度、应变速率和应变工况的效果，可以用于模拟各种合金材料的受热及变形过程，实验效率高，可以实现高通量的热模拟试验。

根据本发明的实施例，除前面所述的步骤外，本领域技术人员可以理解，该热模拟试验的方法还包括其他常规热模拟试验的步骤，所用的设备、仪器等，也均可选用常规热模拟试验中的设备、仪器，在此不再过多赘述。

下面详细描述本发明的实施例。

实施例1

以模具钢5crnimov为例来说明确定本发明所述的热模拟试验的试样的目标尺寸参数的步骤。

首先，根据gleeble-1500d热模拟试验机中的夹具对试样尺寸的要求，确定提供试样的预设高度h0为12mm，以及试样的上底面半径r1、下底面半径r2之和与所述预设高度h0的预设比值k为1.5，则有：

h0＝12mm；

得，r1+r2＝8mm；

然后，确定试样母线与下底面之间的夹角θ，根据：

和r1+r2＝8

得到：

采用有限元分析软件(deform3d)模拟试样母线与下底面之间的夹角θ60°～85°的变形情况，具体尺寸参数如表1所示。

表1试样母线与下底面之间的夹角为60°～85°时的具体尺寸参数

根据有限元分析结果，选择热分析通量最高的分析结果对应的尺寸参数，即母线与下底面之间的夹角θ＝80°时的尺寸参数，作为试样的目标尺寸参数(该目标尺寸参数的试样，不同位置的应变随时间的变化曲线参照图6)，该目标尺寸参数包括：预设高度h0为12mm，母线与下底面之间的夹角θ＝80°，上底面半径r1＝5.058mm；下底面半径r2＝2.942mm。

按照目标尺寸参数加工出由模具钢5crnimov形成的试样100(结构示意图参见图4)。

将加工好的试样100在gleeble1500d热模拟机上用夹具200固定，进行热模拟试验(进行热模拟试验时装置的示意图参照图5)。

将经过热模拟试验的试样100沿轴线切开并观察微观组织，研究不同的微观组织(如图7所示，点a、点b、点c和点d处的微观组织均不同，其中，标尺的长度为100μm)，进而实现了模拟不同温度、应变速率和应变工况的效果，且可以用于模拟各种合金材料的受热及变形过程，从而提高实验效率，进而实现高通量的热模拟试验技术。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。