高温压缩试验通常有:圆柱体单向压缩试验、平面应变压缩试验以及其多道次压缩试验等。
圆柱体单向压缩试验通常来测定材料的变形抗力,评估材料的裂纹敏感性和材料流变应力等。图2-11为等温加热圆柱体单向压缩试验装配示意图,图2-12为圆柱体单向压缩试验照片。
图2-11 等温加热圆柱体单向压缩试验装配示意图
图2-12 圆柱体单向压缩试验照片
通常采用 ϕ 8mm×12mm或 ϕ 10mm×15mm的圆柱体试样。
压缩试验时试样端面的摩擦力是影响试验精度的主要因素。理论上,只有试样均匀变形,压缩后试样中部无鼓肚,其轴向应变和横向应变相等,所测的变形抗力才能反映整个试件塑性变形的真实情况,参见图2-13。通常在试样两端用石墨片、MoS 2 粉等进行润滑→减少试样端面摩擦→减少中部鼓肚,保证单向压缩物理模拟精度。
图2-13 单向压缩均匀变形的实现
当压缩后试样腰部发生“鼓肚”时,为了衡量单向热压缩试验的有效性,英国国家物理实验室给出了评判标准。该实验室经过大量对比实验及组织观察,提出膨胀系数 B 这一物理量,即
(2-3)
式中, B 为膨胀系数; L 0 为试样原始高度; d 0 为试样原始直径; L f 为压缩后试样平均高度(取试样两端部中心及圆周每隔120°的三个点,共测量试样四个高度值进行平均); d f 为压缩后试样平均直径(腰部和端部相平均)。
当 B ≥0.9时,其单向热压缩试验的结果是有效的,当 B <0.9时,美国DSI(Dynamic Systems Inc.)科技联合体推荐用式(2-4)予以修正计算
(2-4)
式中, σ i 为真应力; F i 、 d i 、 L i 为某瞬时测得的压力、试样的平均直径、试样的平均高度; μ 为摩擦系数。
通常测横向应变作为真应变。在实际试验中,端面摩擦很难为零,所以测横向应变作为真应变较好,因为横向应变测量同时也提供了瞬时横截面积,这样真应力亦随时可得;如果用轴向应变,则所测的真应力是间接的,因为瞬时横截面积是根据体积不变假设而得到的。
平面应变压缩试验,除确定应力-应变关系之外,还广泛地应用于轧制过程的模拟,参见图2-14。
图2-14 平面压缩变形试验
模拟后试样的组织结构可以通过水冷方式保留,以便进行微观分析。此外,变形过程中动态转变的机理,如动态再结晶及析出等,均可进行研究。
平面应变压缩与圆柱单向压缩试验对比具有如下特点:(1)平面应变压缩试验对流变应力的测定更加方便与精确,因其不存在圆柱形试样压缩时的“鼓肚”问题;(2)平面应变压缩试验更广泛地应用于轧制过程的模拟,因其应力状态、变形状态及热传导等更接近于轧制,如图2-15所示。
图2-15 两种压缩试验与实际轧钢过程的比较
F —力; H —散热; ε —应变
平面压缩变形试验压头及试样尺寸如图2-16所示,要求如下。
图2-16 平面应变压缩试验压头及试样尺寸
(1)试样宽度 b 与压头宽度 w 之比应在6~10以上,以保证宽度方向的变形忽略不计,由于压头两端试样的弹性约束阻碍试样向宽度方向延伸,使试样变形控制在二维之内。
(2)压头宽度 w 与试样厚度 h 之比应在2~4之间,以保证压头之间变形均匀;试验时,应变的测量用冲程控制,应变速率可以随试样厚度的变薄而升高,从而更宜进行薄带材的热轧模拟研究。
压头与试样间一般用MoS 2 润滑,也可用石墨片、钽片等润滑。
平面应变压缩试验时的名义真应变和平均应力计算公式为:
名义真应变:
(2-5)
名义平均应力:
(2-6)
式中, h 为试样变形后的厚度; h 0 为试样变形前的厚度; F 为压缩载荷,由热/力模拟试验机测得; w 为压头宽度; b 为试样宽度。
平面应变和单向圆柱体压缩试验均可实现多道次轧制过程模拟,试验的选择取决于现场所要解决的问题。
一般如果模拟多道次轧制过程,平面应变试验应用较广;而圆柱形压缩试验则更经常用在锻压过程模拟。
Gleeble配置的液压楔系统,除了可以进行圆柱体单向压缩试验外,更适合于平面应变压缩试验,可实现多道次、快速及大应变量的热轧物理模拟。
实例2:超级双相不锈钢热加工性能研究 [2]
2507(00Cr25Ni7Mo4N)是第三代超级双相不锈钢的代表钢种,化学成分如表2-3所示,由于双相不锈钢的两相组织具有不同的晶体结构,即体心立方的铁素体和面心立方的奥氏体,在热变形过程中,两相组织的软化机制不同,因此在热加工过程中,即在热轧热锻过程中容易开裂。
表2-3 2507双相不锈钢的化学成分(质量分数) [2] 单位:%
本试验对2507双相不锈钢在高温下的变形抗力、应变速率等这些与热加工性能相关的参数及规律进行研究,以便为实际轧钢生产提供理论依据。
(1)研究方法
将试样加工成10mm×15mm×20mm的尺寸,在Gleeble热模拟机上进行单道次(实验温度为950~1200℃,温度间隔50℃,应变速率分别为10s -1 和50s -1 )和连续4道次(实验温度为950~1100℃,温度间隔50℃,应变速率为50s -1 )的平面应力应变实验,测定其应力应变曲线。
(2)试验结果
①单道次平面应力应变试验
试验结果见图2-17,可以看出:
a.变形温度越高,变形抗力越小。
b.应变速率小,变形抗力也小。
c.在应变速率为10s -1 ,高于1000℃时,应力-应变曲线出现稳定的平台。
d.在应变速率为50s -1 ,高于1100℃时,应力-应变曲线出现较稳定的平台。
e.说明高于1000℃,试样热加工性较好。
图2-17 2507双相不锈钢的单道次平面应力-应变曲线(应变速率分别为10s -1 ,50s -1 ) [2]
②连续4道次平面应力应变试验
为模拟精轧机连续大变形速率的实际工况,进行了连续4道次平面应力应变试验,试验结果如图2-18所示。
图2-18 2507双相不锈钢的连续4道次平面应力-应变曲线(应变速率50s -1 ) [2]