一种异种材料结合过程中结合强度的测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及材料强度检测技术，特别是针对异种材料结合过程测试结合强度的方 法。
【背景技术】
[0002] 异种材料热结合过程主要通过热乳制方法和扩散焊接方法，以得到强度较大，结 合率较高的稳定结合界面。在目前的实验研究以及测试研究中，界面结合强度研究以及强 度测量方法局限于结合反应完成后，界面组织温度回归常温，界面两侧金属扩散充分后，检 测界面冷态强度以及结合效果。这就使得异种材料在结合过程中的界面强度无法获悉，只 能通过简单公式预测或进行递推。本发明是对于异种材料结合过程，界面热态结合强度进 行准确检测。
[0003] 热乳制过程以及扩散焊接过程中，界面结合强度以及结合率直接影响到成品复合 材料结合界面的强度，特别是对于复合板热复合乳制，组坯真空度、加热温度、乳制制度以 及热处理过程都对于界面的结合有直接影响。目前有学者利用热模拟实验机设计扩散焊接 的热模拟实验，没有对于复合乳制过程进行实验，没有针对复合界面热态下强度进行实验 设计。
【发明内容】
[0004] 为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种方法简单、数据精确的异种材料结 合过程中结合强度的测试方法。
[0005] 本发明的技术方案：一种异种材料结合过程中结合强度的测试方法，该方法通过 仿真软件对异种材料结合过程进行分析，提取有效结合参数并做相应简化；将仿真相关数 据输入试验机，设定"时间-应力"的实验测试曲线，同时设定拉伸速度输入测试设备作为 反应参数；
[0006] 按照Gleeble 3500实验设备操作要求进行试样装卡，实验参数通过输入试验机 参数完成；通过对比实验过程界面受应力应变参数与实际反应过程界面状态参数，对于界 面实际强度参数进行测试，得到界面的结合强度参数，该方法具体包括以下步骤：
[0007] 步骤1.建立模型：
[0008] 利用有限元软件，按照实际乳制过程，乳板以及乳辊实际尺寸建立仿真模型，
[0009] 输入测试金属材料参数，包括：密度、弹性参数、塑性参数、热膨胀系数、热传导系 数，
[0010] 按照实际乳制过程，装配，设定乳制温度、乳辊温度、板坯和乳辊速度，
[0011] 按照软件要求操作，读取仿真结果中乳制稳定区域异种材料界面间节点应力S22 和S12随时间变化的曲线；
[0012] 步骤2简化：定义垂直界面方向为Y方向，乳制方向为X方向，与X，Y正交方向为 Z方向。复合乳制过程以及扩散焊接过程，由于复合材料宽度远大于厚度，故忽略Z方向的 受力情况，简化为二维受力分析，分别读取界面应力〇￥和τ xy
[0013] σ，卩S22,表示垂直界面的正应力，τ xy即S12,表示压下方向以及乳制方向平面 的剪应力数值最大值，若％> 5 τ xy，则可忽略剪应力作用，认为界面合力与界面垂直，界 面应力大小取〇￥;若σ y<5T xy，则需要对于界面受力〇￥和τ xy进行力的合成，方法是得 到的应力值为
，计算合力与界面夹角为
[0014] 对于应力随时间变化的曲线进行简化，以便输入试验机进行热模拟测试。简化原 则有：
[0015] (1)界面应力与时间的曲线简化为直线，且须保持界面应力极值保持不变，
[0016] ⑵简化前后，界面应力与时间的积分相等；
[0017] 步骤3:试样准备
[0018] 将异种材料的金属分别切割加工成小圆柱，尺寸为?10X55mm，端部长度IOmm套 螺纹，根据步骤2得到界面夹角为β，用砂纸将端面与圆柱轴线的角度打磨至界面夹角 β ;
[0019] 步骤4.试验参数
[0020] 4. 1试样连接方式：使用固定式卡头，将步骤3得到的圆柱试样进行紧固连接，采 用螺旋旋口的方式进行连接，螺丝旋紧，安装在测试装置内，压头对试样施加 IMPa预应力， 抽真空至0. 1~IPa，进行等速加热，加热速率为< 10°C /s，加热至900~1200°C ;
[0021] 4. 2保持此时位移不变，进行下压，下压采用"时间-应力"方式下压；
[0022] 4. 3下压完成后，保持此时位移不变，改应力控制，施加预应力为l_5MPa，保持 30s ；
[0023] 4. 4保持此时位置不变，改为应变控制，设定拉伸速度0. 001~0. 01/s，进行拉伸， 直到拉断；
[0024] 步骤5.数据读取：读取拉伸载荷与拉伸应变的曲线，定义为曲线1，代表结合界面 在此温度以及此种受力作用下的界面结合强度数值。对基体材料在此拉伸速度下进行测 试，得到基体材料的应力应变曲线，定义为曲线2 ;读取曲线1最大应力值σ 1以及所对应 的应变ε i，在曲线2中读出应变ε 2所对应的应力值σ 2,界面的结合率为4 = 3。
[0025] 本发明的有益效果是：由于采用上述技术方案，该方法具有以下特点，
[0026] 1利用仿真软件可以精确地获悉异种材料结合界面在乳制过程中的真实应力应变 过程，可以实现对不同温度、乳制速度、压下率、不同金属材料以及金属层厚度比条件下界 面结合情况。
[0027] 2将界面应力与时间的参数曲线输入GLEEBLE3500热模拟试验机，可以准确地模 拟界面受力状态，并通过对于界面拉伸得到界面结合强度的应力应变曲线。
[0028] 3拉伸过程中测量得到的强度为应力应变曲线，通过对比结合强度曲线与基体材 料界面拉伸强度曲线进行分析比较，可以准确预测界面结合率以及界面结合强度。
[0029] 4利用此方法可以快速准确的预测结合界面热态强度，从而判断界面的结合状态。
【附图说明】
[0030] 图1为界面应力与应变的关系曲线不意图。
[0031] 图2为基体金属应力与应变关系曲线示意图。
[0032] 图3为界面节点S22随时间变化关系图。
[0033] 图4为界面节点S12随时间变化关系图。
[0034] 图5为界面应力简化示意图。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
[0036] 如1-5所示，本发明是一种异种材料结合过程中结合强度的测试方法，具体包括 以下步骤：
[0037] 步骤1.建立模型：
[0038] 利用有限元软件，按照实际乳制过程，乳板以及乳辊实际尺寸建立仿真模型；
[0039] 输入测试金属材料参数，包括：密度、弹性参数、塑性参数、热膨胀系数、热传导系 数，
[0040] 按照实际乳制过程，装配，设定乳制温度、乳辊温度、板坯和乳辊速度，
[0041] 按照软件要求操作，读取仿真结果中乳制稳定区域异种材料界面间节点应力S22 和S12随时间变化的曲线；
[0042] 步骤2简化：定义垂直界面方向为Y方向，乳制方向为X方向，正交方向为Z方向， 对于乳制过程以及扩散焊接过程，由于复合材料宽度远大于厚度，故忽略Z方向的受力情 况，简化为二维受力分析，分别读取界面义〇 ￥和τ xy
[0043] σ ￥即S22,表示垂直界面的正应力，τ xy即S12,表示压下方向以及乳制方向平面 的剪应力数值最大值，若％> 5 τ xy，则可忽略剪应力作用，认为界面合力与界面垂直，界 面应力大小取〇y;若〇 xy，则需要对于界面受力％和τ xy进行力的合成，根据以下 公式
求出合应力，计算合力与界面夹角为
将界面应力与时间的 曲线进行简化，以输入试验机进行实验，简化原则为：
[0044] (1)保持界面最大应力值不变
[0045] (2)简化前后应力与时间的积分差异小于5%
[0046] 步骤3 :试样准备
[0047] 将异种材料的金属分别切割加工成小圆柱，尺寸为?10X55mm，端部长度IOmm套 螺纹，根据步骤2得到界面夹角为β，用砂纸将端面与圆柱轴线的角度打磨至界面夹角 β ;
[0048]