[發明專利]高溫高應變率下鈦合金材料應力應變曲線測試裝置及方法

有效

• 申請號: 202010697594.1
• 申請日: 2020-07-20
• 公開（公告）號: CN111855432B
• 公開（公告）日: 2021-03-30
• 發明（設計）人: 韓小濤;董芃欣;諶祺;曹全梁;李亮
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01N3/18
• 分類號: G01N3/18;G01N3/02
• 代理公司: 武漢華之喻知識產權代理有限公司 42267
• 代理人: 廖盈春;曹葆青

本發明屬于材料力學性能測試領域，公開了一種高溫高應變率下鈦合金材料應力應變曲線測試裝置及方法，測試裝置包括：能量模塊、施力模塊、變形模塊、測量模塊和處理模塊；能量模塊用于提供第一脈沖電流和第二脈沖電流；施力模塊用于產生脈沖電磁力；變形模塊用于在通入第一脈沖電流后對待測的鈦合金試樣進行預加熱使其達到目標溫度，并在脈沖電磁力的作用下使得待測的鈦合金試樣產生高速的拉伸變形；測量模塊用于采集應變和速度數據以及溫度數據；處理模塊用于根據應變和速度數據以及溫度數據獲得高溫高應變率下鈦合金材料應力應變曲線。本發明可以直接獲得真實的溫度、應變率、應變和應力數據，測試準確度非常高。

技術領域

本發明屬于材料力學性能測試領域，更具體地，涉及一種高溫高應變率下鈦合金材料應力應變曲線測試裝置及方法。

背景技術

鈦及其合金具有諸多的優點，如低密度、低彈性模量、高比強度、耐腐蝕以及耐高溫等，是一種用于航空航天、海洋石油、化工冶金、生物醫療等工程技術及高科技領域中的關鍵性基礎材料。《中國制造2025》等文件中均提出大力推動航空航天、海洋工程等高端裝備領域的突破發展，因此對鈦合金材料有巨大的需求。

鈦合金強度高，延伸率低，成形難度較大，工業中多采用熱成形技術加工鈦合金零件，目前也有學者采用電磁成形技術以及電磁-熱復合成形技術進行加工。加工過程中，鈦合金的溫度可以達到800℃以上的高溫，同時瞬時的脈沖電磁力作用可以使鈦合金的應變率達到10³/s以上。鈦合金材料在高溫下的熱效應以及高應變率效應的共同作用下，其成形性能能夠得到有效的提升，從而實現鈦合金零件的高質量成形加工。因此，準確獲取鈦合金材料在高溫和高應變率下的應力應變曲線，對于其成形加工過程有著重要的指導意義。

現有專利文獻CN 109781531 A中提出一種預測材料高溫高應變率下的應力應變曲線的方法，采用分子動力學的仿真模擬方法來間接獲得應力應變曲線。該專利的核心思想是準確獲取材料的仿真參數，即在常溫低應變率下，通過對比測試與仿真的結果，迭代優化得到最佳的材料仿真參數，之后采用這組參數在高溫高應變率下仿真，獲得高溫高應變率下的材料應力應變曲線。但這種方式假定了材料的仿真參數不隨溫度和應變率變化，而實際中材料的參數必然發生變化，因此這也導致了仿真模擬的方法預測得到的材料高溫高應變率下的應力應變曲線的準確度低。

采用試驗測試方法的測試準確度會高于仿真模擬方法，但現有的試驗測試技術僅針對高溫或高應變率一種條件下獲取金屬的應力應變曲線。針對高應變率的有三種方法：霍普金森桿、高速拉伸試驗機、電磁成形測試裝置。專利文獻CN 106872296 A中提出了一種鈦合金動態力學性能的測試方法，采用改進后的霍普金森壓桿裝置提高了測試精度；專利文獻CN 108593429 A中提出一種材料高速拉伸應力應變測試設備及方法，通過高速拉伸試驗機實現材料的高速拉伸應力應變的測試。霍普金森桿和高速拉伸試驗機能夠提供較高的應變率，但其變形力為機械力，而鈦合金電磁成形中的變形力為電磁力，是非接觸施力，且伴隨有較大的脈沖電流施加于鈦合金材料中，因此測試結果存在較大的誤差。專利文獻CN102944474 B中提出一種高速率單向拉伸試驗裝置及方法，通過在拉伸試樣下方放置線圈，施加電磁力拉伸試樣。但這種方式采用的是感應式的電磁成形方法，線圈需要緊靠試樣，整個裝置比較復雜，且這種方式中線圈容易損壞，壽命短。

因此，尋求一種能夠準確測試鈦合金材料在高溫和高應變率下的應力應變曲線的裝置與方法，對鈦合金的電磁-熱成形過程的研究極為重要。

發明內容