日本富士電波公司生產的Thermecmastor-Z熱模擬試驗機\\(以下簡稱Thermec-Z\\)是世界上最先進的熱模擬設備之一,可進行常規的熱模擬壓縮、拉伸試驗。進行壓縮試驗時如圖1所示,采用上下豎直方式對試樣進行壓縮,通過壓縮試樣兩端的氮化硅墊塊直接對試樣進行壓制。
熱模擬壓縮試驗過程中端部的摩擦情況和試樣的溫度均勻性是影響試驗精度的主要影響因素。理論上,只有試樣均勻變形,壓縮后試樣無鼓肚,其軸向應變和橫向應變相等,所測的變形抗力才能反映這個試件塑性變形的真實情況。
而在實際過程中由于試樣的溫度不均勻性以及端部的摩擦,壓縮后的試樣通常都會出現或多或少的鼓肚現象,圖2是通常壓縮后試樣出現的比較嚴重的中部鼓肚現象。然而對于某些合金,其在高溫下進行壓縮后呈現的是兩端鼓肚、啞鈴狀的特殊現象\\(以1s-1的變形速率在1 000 ℃下變形60%\\),如圖3所示。本文的研究目的在于找出造成熱模擬壓縮后試樣兩端鼓肚現象的原因,并尋找解決辦法以改善該現象,從而獲得更精確的試驗結果,提高試驗精度。
1、試驗過程
1.1試驗一:試樣變形過程中溫度均勻性的測定
Thermec-Z不同于Gleeble的電阻加熱方式而是采用感應加熱,因而在加熱過程中氮化硅墊塊并不加熱,其全部熱量來自于與試樣端部接觸的熱傳導。氮化硅是一種低熱傳導率的陶瓷材料,加熱保溫過程中試樣與氮化硅壓頭間的雖然存在熱傳導,但熱量損失很小。然而在壓縮變形開始后,由于壓力的突然增大,試樣與氮化硅壓頭接觸面積增大,熱量損失增大。為了考察試樣在壓縮過程中的熱量損失情況,我們通過熱電偶焊接在試樣的中部和端部記錄在壓縮過程中的溫度變化。
1.2試驗二:變形抗力曲線的測定
鼓肚現象的產生必然伴隨材料的某些特殊性能,為此我們選取850、875、900、925、950、975、1 000、1 050 ℃共8個溫度點測定其在出現兩端鼓肚現象的1 000 ℃附近點的變形抗力。
1.3試驗三:兩端鼓肚現象的改善試驗
針對試樣的兩端鼓肚現象,本研究的辦法是采用溫度補償的方式,在試樣和氮化硅墊塊間添加一塊高強度金屬墊片,使得在加熱過程中與試樣一同加熱,獲得與試樣相近的溫度,如此在壓縮變形開始后可以補償試樣端部的熱量損失,減少試樣端部與中心部位溫度的差異。同時在試樣端部添加潤滑介質以改善端部摩擦。為了研究對比,所有試驗采用相同的加熱變形工藝如圖4所示,保溫潤滑改進措施如表1所示。
2、結果與分析
2.1試驗一結果分析
根據試驗一測得,試樣直接與氮化硅墊塊接觸,壓縮變形過程中試樣端部溫降大約在15 ℃左右,而同期試樣中部溫降僅在4 ℃左右\\(如圖5所示\\)。這一測定結果也證明在壓縮過程中試樣端部的熱量損失增大、試樣的溫度均勻性變差,而試樣的溫度均勻性是造成鼓肚現象的重要影響因素。
2.2試驗二結果分析
如圖6所示,其變形抗力并非如通常材料隨著溫度的升高應力單調遞減,而是在950~1 000℃間變形抗力突然急劇增大,也就是說在這一溫度范圍內微小的溫度差異會導致材料性能上的巨大差異。正是材料的這一特性加上試驗一測定出試樣中部與端部的溫度差異,使得在進行1 000 ℃的壓縮變形試驗時,變形主要發生在溫度降低、變形抗力也較低的試樣兩端,從而形成了試樣兩端鼓肚的特殊現象。
2.3試驗三結果分析
從圖7~9的試驗結果來看,即使針對于相同的加熱變形工藝,采用不同的保溫和潤滑方式對于試驗的結果影響也非常大。
我們可以用試樣端部和中部的直徑比值來衡量壓縮后試樣兩端鼓肚現象的嚴重程度,即:k=D端部/D中部,良好的表形k值應當小于1且數值接近于1,表示變形主要發生在試樣中部,且鼓肚現象不嚴重。由圖9可以看到Test 1、Test 2和Test 3的k值都大于1,表示有明顯的兩端鼓肚現象,而Test 4和Test 5采用金屬墊片后k值小于1并且接近1,呈現出略微的中部鼓肚現象,是我們可以接受的試驗結果。
Test 1不采用任何保溫潤滑措施、讓試樣直接接觸氮化硅壓頭,變形過程開始后由于試樣和氮化硅壓頭間的壓力增大、接觸面積增大,熱量損失增大,試樣端部和中心部位溫度差異增大,試樣的溫度均勻性變差,并且試樣端部沒有做潤滑,兩者共同作用使得變形主要發生在溫度較低、變形抗力較低的試樣端部,造成了試樣的兩端鼓肚現象。
Test 2在試樣和氮化硅墊塊之間添加了云母片,由于云母片仍然是一種隔熱材料,在變形過程中試樣端部的保溫效果仍然較差,試樣的溫度均勻性與Test 1相當,從圖7的流變應力曲線和圖8的試驗結果來看鼓肚現象并沒有明顯改善。有研究表明在試樣溫度均勻性一致的情況下,摩擦因數的變化對于載荷力并沒有明顯的影響,也就是說,針對不同的潤滑介質所獲得的應力應變曲線應該相似,本試驗結果也驗證了這一點。
Test1和Test 2在試樣溫度均勻性一致的情況下,其測得的流變應力曲線差異很小。
而針對于僅添石墨片的Test 3,由于石墨在高溫狀態下具有一定的保溫效果,但效果并不明顯,同時由于石墨具有優良的潤滑效果,反而加重了試樣兩端鼓肚的現象,流變應力也大幅降低,誤差增大。因而可以得出結論:試樣端部的摩擦潤滑情況對于鼓肚現象有很大影響,在試樣溫度均勻性條件沒有得到改善的條件下,端部潤滑條件的改善反而加重了試樣的兩端鼓肚現象。
Test 4采用金屬墊片與云母片一同使用,在試樣加熱過程中金屬墊片也一同加熱,獲得與試樣相近的溫度。在壓縮變形過程中如圖10所示,試樣端部溫降僅有5 ℃左右,減少了試樣端部與中心部位溫度的差異,極大的改善了變形過程中試樣的溫度均勻性,對于試樣兩端鼓肚現象的改善起了非常明顯的效果,相應的流變應力曲線應力值增高、反映了材料的真實應力鼓肚現象的出現主要影響因素有兩個:變形過程中試樣溫度的均勻性和試樣端部的摩擦潤滑。將Test 4與Test1、Test 2、Test 3進行對比,可以看到即使在試樣端部潤滑條件并沒有多大改善的條件下,增加金屬墊片改善試樣在壓縮過程中的溫度均勻性已經可以極大的改善試樣的兩端鼓肚現象。因此可以得出結論:試樣在壓縮過程中的溫度不均勻性是造成鼓肚現象的首要影響因素,同時對于應力應變曲線的精確獲取也會產生較大影響,而試樣端部的摩擦情況對于鼓肚現象同樣有影響,但并非主要影響因素。
Test 5將金屬墊片和石墨片一起使用,利用金屬墊片和石墨片的共同作用改善試驗端部的保溫效果、利用石墨片對試樣端部進行潤滑,可以看到Test 5得到了最優的試驗結果,鼓肚現象得到了最大程度的改善,獲得了更精確的結果。
4 、結論
1\\)壓縮試樣兩端鼓肚主要由試樣的溫度不均勻和試樣端部的摩擦兩方面造成。
2\\)試驗溫度的不均性是造成試樣兩端鼓肚的主要因素,針對此,采用在試樣兩端添加金屬墊片與試樣一同加熱可以極大改善試樣的溫度均勻性,基本就可以解決試樣的兩端鼓肚問題,同時也可以獲得更精確的應力應變曲線,提高了試驗精度。
3\\)在試樣溫度均勻性沒有得到明顯改善的條件下,改善試樣端部的潤滑條件反而會加重試樣兩端的鼓肚現象。
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