实现高静水压力及精确测温控温的试样设计及实验方法与流程

技术领域：

本发明涉及金属材料塑性可加工性评价领域，具体涉及一种实现高静水压力及精确测温控温的试样设计及实验方法，能够实现较高的静水压力，并可以精确测量和控制变形过程试样温度。

背景技术：
：

目前，金属材料试样在自由压缩过程中其芯部的应力三轴度约为-1。虽然处于三向压应力状态，但无法达到较高的静水压力水平。为了获得较高的静水压力，必须在自由压缩的试样表面采用环形包套的方式进行包套压缩。文献(essak,kacmarciki,hartleyp,etal.upsettingofbi-metallicringbillets.journalofmaterialsprocessingtechnology,2012,212(4):817-824.)通过有限元数值模拟与实验相结合的方式研究不同包套环材料及不同厚度的包套环材料，在室温压缩过程中，包套环内壁与内部试样的接触情况。结果表明：当包套环高径比>1.5时，其内壁与试样在压缩变形过程中，接触较好。但该研究并未涉及不同包套环厚度、不同包套材料对内部材料所受静水压力的影响规律，而且其设计的试样无法实现高温变形过程中的试样温度的准确测量与控制。因此，本发明通过压缩试样包套设计，能够实现较高的静水压力，并可精确测量和控制高温包套压缩过程中的温度。

技术实现要素：
：

本发明的目的在于提供一种实现高静水压力及精确测温控温的试样设计及实验方法，该包套压缩试样可以在材料内部实现较高的静水压力，同时在高温变形时可以精确测量与控制包套环与内部试样的温度。

本发明的技术方案如下：

一种实现高静水压力及精确测温控温的试样设计及实验方法，包括以下步骤：

(1)试样设计：根据内部材料所需达到的静水压力水平，结合有限元数值模拟方式确定试样尺寸、包套环材料与规格；

(2)试验机选择：根据内部材料强度和包套环材料强度，以及变形温度，选择相应吨位的试验机或压力机；

(3)试样加工及焊接热电偶：按照步骤(1)设计的试样尺寸进行试样加工，并分别在试样表面及包套环焊接热电偶；

(4)将步骤(3)焊接的热电偶，连接到相应的测试通道及控制通道，实现变形过程中，试样温度和包套环温度的测试与控制；

(5)在步骤(2)试验机或压力机上进行变形实验。

所述的实现高静水压力及精确测温控温的试样设计及实验方法，采用在圆柱试样外围包覆包套环，包套环为上包套环、下包套环两部分上下设置结构，上包套环的下部侧面开设控温槽，控温槽处露出圆柱试样。

所述的实现高静水压力及精确测温控温的试样设计及实验方法，控温槽处露出的圆柱试样表面焊接热电偶ⅰ，热电偶ⅰ通过热电偶ⅰ引线引出，下包套环的侧面焊接热电偶ⅱ，热电偶ⅱ通过热电偶ⅱ引线引出。

所述的实现高静水压力及精确测温控温的试样设计及实验方法，圆柱试样中间部位表面焊接两个热电偶ⅰ，热电偶间距2～4mm，热电偶ⅰ连接到控制温度通道。

所述的实现高静水压力及精确测温控温的试样设计及实验方法，下包套环的侧面焊接两个热电偶ⅱ，热电偶间距2～4mm，热电偶ⅱ连接到测量温度通道。

所述的实现高静水压力及精确测温控温的试样设计及实验方法，控温槽宽度2～4mm，控温槽深度1～3mm。

所述的实现高静水压力及精确测温控温的试样设计及实验方法，在试样和包套环表面涂抹高温润滑剂，减小变形过程中摩擦力的影响。

本发明的优点及有益效果如下：

(1)本发明通过采用高强度材料包套环，内部试样可以实现较高的静水压力，提高材料的塑性变形能力；

(2)本发明通过试样设计，在高温变形过程可以精确测量和控制包套环与内部材料的温度；

(3)本发明适用范围较广，试样设计简单，容易加工，其对低塑性材料的成形过程较为有利。

附图说明：

图1为试样示意图，其中：1圆柱试样，2上包套环，3下包套环，4控温槽。

图2为试样焊接热电偶位置示意图，其中：1圆柱试样，2上包套环，3下包套环，4控温槽，5热电偶ⅰ引线，6热电偶ⅱ引线。

图3为稀土镁合金包套压缩试样实物图，其中圆柱材料为mg-gd-y-zn-zr稀土镁合金，包套环材料为gh4169合金。

图4为稀土镁合金包套压缩试样焊接热电偶实物图。

图5为稀土镁合金400℃包套压缩过程中热电偶测试结果曲线；图中，横坐标time代表时间(s)，纵坐标temperature代表温度(℃)。

图6为不同强度包套材料应力三轴度有限元模拟结果图，其中包括：稀土镁合金自由压缩(无包套)、硬态包套材料(冷变形+双级时效gh4169)、软态包套材料(冷变形gh4169)；图中，横坐标time代表时间(s)，纵坐标stresstriaxiality代表应力三轴度。

具体实施方式：

如图1、图3所示，本发明的圆柱试样1外围包覆包套环，包套环为上包套环2、下包套环3两部分上下设置结构，上包套环2的下部侧面开设控温槽4，控温槽4处露出圆柱试样1。

如图2、图4所示，本发明的圆柱试样1外围包覆包套环，包套环为上包套环2、下包套环3两部分上下设置结构，上包套环2的下部侧面开设控温槽4，控温槽4处露出的圆柱试样1表面焊接热电偶ⅰ，热电偶ⅰ通过热电偶ⅰ引线5引出，下包套环3的侧面焊接热电偶ⅱ，热电偶ⅱ通过热电偶ⅱ引线6引出。

下面，结合实施例和附图对本发明进一步详细阐述。

实施例1：

在本实施例中，以固溶态mg-13gd-4y-2zn-0.5zr稀土镁合金为例，包套环材料选用的冷变形+双级时效态gh4169合金，具体操作步骤如下：

(1)采用有限元模拟软件abaqus，通过有限元模拟得到不同状态高温合金gh4169材料作为包套环，稀土镁合金材料内部应力三轴度，其结果见图6。试样尺寸设计为：稀土镁合金圆柱，直径6mm，高度12mm；高温合金gh4169包套环，外径12mm，厚3mm，高度12mm。

(2)压力机选择为gleeble3800热力模拟试验机，其吨位可以满足变形条件，且温度控制精确。

(3)试样加工及焊接热电偶，分别在稀土镁合金圆柱中间部位表面焊接两个热电偶ⅰ，热电偶间距2～3mm，在高温合金gh4169包套环采用分瓣式设计，在上包套环的下部侧面开设控温槽，槽宽度3mm，深度1.5mm，开设控温槽的目的是：将焊接在稀土镁合金圆柱表面的热电偶ⅰ通过热电偶ⅰ引线引出，下包套环的侧面焊接两个热电偶ⅱ，热电偶间距2～3mm，热电偶ⅱ通过热电偶ⅱ引线引出。

(4)将步骤(3)焊接的热电偶分别连接到测量温度通道和控制温度通道，其中在稀土镁合金圆柱上的热电偶ⅰ连接到控制温度通道，在下包套环上的热电偶ⅱ连接到测量温度通道。

(5)分别在稀土镁合金圆柱和高温合金包套环两端涂抹镍基高温润滑剂hw014，以减小变形过程中摩擦力的影响，在gleeble3800热物理模拟实验机进行包套压缩实验。实验温度400℃，加热速率5℃/s，保温时间5min，压缩应变速率0.01s^-1，变形量50％。

如图6所示，通过有限元模拟结果可知，该变形过程可以在内部材料产生的应力三轴度为-7，其变形过程中温度测试结果见图5，结果表明该方式可以较为准确的测量和控制试样与包套环的温度，可以实现较高的静水压力并精确测量和控制高温变形过程中的温度。