通过显微硬度计测定圆环压缩过程分流面位置的方法

344 编辑：中冶有色技术网来源：中国科学院金属研究所

2024-05-16 14:51:18

权利要求书： 1.一种通过显微硬度计测定圆环压缩过程分流面位置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)制备压缩圆环样品；

2)利用显微硬度计在样品上沿半径方向打一系列点，并将所有硬度点按照距离圆心距离由小到大的顺序依次编号；

3)利用体式显微镜统计每个硬度点到圆心的距离并记录；

4)进行压缩实验；

5)再次利用体式显微镜统计压缩后每个硬度点距圆心的距离；

6)以压缩前后相应硬度点到圆心的距离为y轴，硬度点的编号为x轴绘制曲线图，两条曲线的交点即为分流面半径值。

2.按照权利要求1所述通过显微硬度计测定圆环压缩过程分流面位置的方法，其特征在于：步骤2)中，点与点之间间隔为0.15mm，共设置1～5行硬度点即可。

3.按照权利要求1所述通过显微硬度计测定圆环压缩过程分流面位置的方法，其特征在于：步骤3)及5)中借助体式显微镜与Image?ProPlus软件统计压缩前后每个硬度点到圆心的距离。

4.按照权利要求1所述通过显微硬度计测定圆环压缩过程分流面位置的方法，其特征在于：步骤6)中，通过origin软件绘制曲线图。

5.一种权利要求1所述方法在计算圆环压缩过程中的摩擦因子方面的应用，其特征在于：利用下述公式获得圆环压缩塑性变形过程中的摩擦因子：式中m———摩擦因子；

Ro———试样外半径；

H———试样高度；

Ri———试样内半径；

ρ———试样分流面半径。

说明书：通过显微硬度计测定圆环压缩过程分流面位置的方法技术领域[0001] 本发明属于材料分析领域，特别提供通过显微硬度计测定圆环压缩过程分流面位置的方法。

背景技术[0002] 在塑性体积成形中，金属流动规律的研究是当今最受人关注的问题之一。很多塑性成形工序，如圆环镦粗、垫环镦粗、开式模锻等，由于金属可能朝多个方向流动，因此总存

在一个分流面。其显著特征是径向速度为零，该面以内的金属向内流动，该面以外的金属向

外流动。金属的流动决定了体积分配和成形后的工件形状，其中，分流面是金属成形过程中

体积分配的重要依据。因此，如何确定分流面的具体位置以及进一步研究其变化规律对于

塑性变形过程极为重要。众所周知，金属的流动行为是由应力状态决定的，金属流动方向，

分流面位置及试样外形尺寸的变化实际上是由于摩擦力改变了试样内部的应力场导致的，

由此引发了金属的塑性流动。因此分流面位置与摩擦因子密切相关。本发明以圆环压缩为

研究对象，为确定环形件的分流面位置以及进一步计算其摩擦因子提供依据。

[0003] 压缩是使工件高度减小而横截面面积增大的锻造工序，而圆环压缩是塑性加工中最基本的工艺之一。由于圆环的特殊性，它在不同的变形条件下会产生向内外不同方向的

分流面，这使得研究金属的流动规律变的容易，因此通常使用圆环压缩来确定其分流面位

置并进一步研究金属的塑性流动规律。

[0004] 查阅文献可知圆环压缩时，可能的分流面位置有两种情况：[0005] (1)当摩擦因子较小时，分流面半径小于压缩后的圆环内径，分流面在实体外，即金属全部外流；

[0006] (2)当摩擦因子较大时，分流面半径大于压缩后的圆环内径，分流面在实体内，即分流面以内金属内流，分流面以外金属外流；

[0007] 圆环压缩后样品截面具有明显的形貌特征，可以轻易分辨分流面位于实体外还是实体内，因此通过直接观察压缩后圆环样品截面形貌可以大致确定分流面位置。

[0008] 目前获得分流面的方法主要有实物实验，理论计算和数值模拟法三种。[0009] 1.实物实验法[0010] 常用的实物实验法有坐标网格法，密栅云纹法，光塑性法及视塑性法等。其中坐标网格法是研究塑性过程中金属流动的常用方法，该方法不仅要求在样品表面印制网格，而

且要将试样顺着对称面分开，并在对称面上印制网格，最后将两部分粘接在一起进行变形。

通过该方法可以比较直观，清晰的获得表面和截面上的坐标网格变化信息。但该方法操作

困难，印制均匀网格现实操作中很难实现，且将试样切开后，破坏了试样的整体性，对试样

精度产生一定影响。

[0011] 针对以上的不足，哈尔滨工业大学的张吉和王仲仁教授首次发明了一种定量测试变形体内部流线和应变的方法一一套环螺纹法。该方法的实质是在相应的部位镶嵌一定数

量的螺柱，并在一定条件下使得该组试样发生变形，将变形后的试样沿着螺柱中心线的部

位分开，使得螺纹界面显示出来，因此可以获得金属截面的流线分布，预知金属的流动趋势

及分流面大致位置，同时根据螺纹横截面上螺距变化可得出相应的应变。该方法并不需要

切开试样，保证了试样的完整性，极大地降低了缺陷。哈尔滨工业大学的王礼良利用该方法

研究了圆环墩粗变形金属流动情况，并通过与数值模拟结果对比，两者的结果很吻合，也说

明了该方法用来研究金属流动的可行性。但该方法实际操作困难，对于实验条件有较高的

要求，无法普遍应用。而且该方法无法得到分流面的具体位置，只能通过金属的流线分布大

概推断分流面位置。

[0012] 综上所述，虽然目前已有的实物实验法能够直观清楚的反映金属塑性流动情况，且实验结果真实可靠，但存在无法直接判断分流面位置，反映信息少，实际操作困难等条

件，因此无法广泛应用。

[0013] 2.理论计算法[0014] 理论计算主要是在塑性加工的力学理论的基础上，通过求解平衡微分方程、本构关系、屈服条件、变形连续性方程等组成的方程组，求解其内部的应力应变分布。在《金属塑

性成形原理》一书中汪大年利用主应力法求得圆环镦粗变形中试样内部应力应变分布及分

流面半径的计算公式。在利用此公式计算分流面位置时，做出了如下基本假设：

[0015] 1)圆环试件镦粗可看作是轴对称变形问题。[0016] 2)圆环为均质、各向同性的理想材料,符合Mises屈服准则。[0017] 3)变形后圆环侧面仍为圆柱面,即忽略接触面上摩擦引起的不均匀变形。[0018] 4)材料不可压缩。[0019] 5)圆环和模具接触面之间由摩擦引起的剪切应力τ为均匀分布，τ可用摩擦力不变条件描述:τ＝mK；其中m为摩擦因子，K为变形材料的最大剪切应力。

[0020] 根据毛坯尺寸和摩擦系数的不同，圆环镦粗存在两种流动模型:一种是ρ≤Ri，其金属全部沿径向向外流动，此时有：

[0021][0022] 式(1)成立时,中性层半径由下式计算：[0023][0024] 式中m———磨擦因子；[0025] Ro———试件外半径；[0026] H———试件高度；[0027] Ri———试件内半径；[0028] ρ———试件分流面半径；[0029][0030] 当(1)式不成立时，有Ri<ρ[0031][0032] 但该方法所需已知条件较多，其中在大多实验中摩擦因子较难直接测定，因此无法利用该公式准确计算出分流面半径，使得该公式使用范围受到了极大限制。

[0033] 3.数值模拟法[0034] 有限元法是随计算机普及而获得大量应用的技术，也被称作数值模拟法。数值模拟法即利用计算机技术实现实物实验全过程，并且可以做实物实验无法完成的实验，可以

方便快速的改变工艺参数和模具结构，对于探讨规律性的问题有突出优点。更为重要的是，

实物实验中难以直接测量的数据如分流面半径，应力应变大小等在数值模拟过程中都可以

轻易得出。但该方法所需技能专业性较强，而且需要熟练掌握编程技术，对于非计算模拟的

专业人员难度较大，不易实现。

[0035] 因此，寻找一种操作简单，且可以准确得出分流面半径的实验方法对于研究圆环压缩过程塑性流动规律以及计算相关参数至关重要，如镦粗过程中摩擦因子的计算。

发明内容[0036] 本发明的目的在于提供一种通过显微硬度计测定圆环压缩过程中分流面位置的方法，通过该方法可以准确测出圆环压缩过程中分流面的半径，且实验方法简单，易于实

现，实验成本较低。在得出分流面半径之后，还可以利用公式(3)进一步计算出圆环压缩过

程中的摩擦因子，为金属塑性流动的进一步研究提供基本实验参数。

[0037] 本发明技术方案如下：[0038] 通过显微硬度计测定圆环压缩过程分流面位置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

[0039] 一种通过显微硬度计测定圆环压缩过程分流面位置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

[0040] 1)制备压缩圆环样品；[0041] 2)利用显微硬度仪在样品上沿半径方向打一系列点(点与点之间间隔优选为0.15mm，为使实验结果更加准确，可设置1～5行硬度点)，并将所有硬度点按照距离圆心距

离由小到大的顺序依次编号；

[0042] 3)利用体式显微镜统计每个硬度点到圆心的距离并记录，统计每个硬度点到圆心的距离可以借助体式显微镜与Image?ProPlus软件实现；

[0043] 4)进行压缩实验；[0044] 5)再次利用体式显微镜统计压缩后每个硬度点距圆心的距离，具体方法与步骤3)相同；

[0045] 6)对比压缩前后对应硬度点到圆心的距离，从而确定分流面具体半径。利用Origin软件以圆环样品表面硬度点编号为横坐标，压缩前后硬度点到圆心的距离为纵坐标

作曲线图，根据分流面定义，即半径小于分流面半径的金属流动方向为沿半径流向圆心，半

径大于分流面半径的金属流动方向为沿半径向圆心相反方向流动，因此，分流面即为位置

不变的截面，所以两条曲线相交处即为分流面半径ρ。

[0046] 本发明所述方法可以通过实验准确获得分流面具体半径ρ，从而结合公式(3)进一步获得圆环压缩塑性变形过程中的摩擦因子的具体数值。

[0047] 作为优选的技术方案：[0048] 步骤1)中，压缩圆环样品的制备方法为：在合金块上切取圆环样品，其基本参数为：外径D＝24mm，内径d＝12mm，高度h＝6mm，其原始形貌如图1所示。然后通过研磨机、抛光

机进行机械研磨(一般采用150#、320#、800#、2000#砂纸研磨)和机械抛光，为下一步在显微

硬度计下打硬度点做好准备工作。

[0049] 步骤3)的具体方法为：先将打完硬度点的样品置于体式显微镜下，放大50x或100x，保证硬度点清晰可见即可。然后为圆环样品表面拍摄多张照片，保证所有硬度点均可

在图片内找到，最后利用体式显微镜的平面拼接功能将所拍摄的图片拼接为一张。然后利

用Image?ProPlus软件处理图片，测定每个硬度点到样品圆心的距离并记录。

[0050] 步骤4)中需结合具体实验条件，灵活设置变形量、应变速率以及温度等实验参数，利用压缩机进行圆环镦粗实验，若为高温压缩，须在样品上焊接热电偶，以控制实验温度。

在实验过程中应尽量使两端压头相互平行，完整覆盖样品压缩表面，以保证样品受力均匀。

[0051] 本发明的特点如下所述：[0052] 1、通过该方法可以准确测得圆环压缩过程中的分流面半径，为分析金属塑性流动过程中分流面的形状和位置的变化规律提供一种简便快捷的实验方法。

[0053] 2、《金属塑性成形原理》一书中汪大年利用主应力法求得圆环镦粗变形试样内部应力应变分布及分流面半径的计算公式，在测得分流面半径之后结合该公式可以准确计算

出圆环镦粗过程中的摩擦因子或其它实验参数，压缩过程与此相同。

[0054] 3、结合该方法，通过改变压缩量，应变速率，变形温度等实验参数，可以获得不同的分流面半径，从而进一步讨论压缩量、应变速率、变形温度等实验参数对于金属塑性流动

过程中分流面半径和摩擦因子等性质的影响规律。

[0055] 4、该方法适用于大多数金属材料，使用范围广泛，且可以适当降低在圆环样品表面打硬度点时显微硬度计对样品所加载荷，将硬度点在圆环镦粗过程中对实验造成的额外

影响降到最低。

[0056] 5、参考本发明技术方案可以设想，利用显微硬度计在实验样品表面添加硬度点可以用于记录压缩、轧制或拉伸等塑性变形实验过程中样品表面形貌的变化。

[0057] 相对于现有几种确定分流面半径的方法而言，该方法操作简便快捷，实验结果直观准确且实验成本较低，容易实现。而且使用范围较广，适用于大多数金属材料，压缩过程

的实验参数也可以根据实验条件灵活设置，本实验方法都能很好的满足，为测定金属塑性

流动过程中分流面的位置和变化规律提供一种新型研究方法。

附图说明[0058] 图1初始Zr?4圆环样品；[0059] 图2本发明技术方案及原理示意图；[0060] 图3压缩实验前Zr?4圆环样品表面硬度点的分布；[0061] 图4压缩实验后Zr?4圆环样品表面硬度点的分布；[0062] 图5压缩实验前后Zr?4圆环样品表面第一列硬度点距圆环中心的距离分布曲线；[0063] 图6压缩前后Zr?4圆环样品表面第二列硬度点距圆环中心的距离分布曲线；[0064] 附图标记：1.第一列硬度点，2.第二列硬度点。具体实施方式[0065] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

[0066] 实施例1[0067] 通过显微硬度计测定圆环镦粗过程中分流面位置的方法，具体方法包括以下步骤：

[0068] 1)Zr?4圆环样品的制备：在Zr?4合金块上切取圆环样品，其基本参数为：外径D＝24mm，内径d＝12mm，高度h＝6mm，其原始形貌如图1所示。然后通过研磨机、抛光机进行机械

研磨(一般采用150#、320#、800#、2000#砂纸研磨)和机械抛光，为下一步在显微硬度计下打

硬度点做好准备工作。

[0069] 本次实例使用的实验材料为Zr?4合金，属于Zr?Sn系合金，其名义成分为Zr?1.2wt％Sn?0.2wt％Fe?0.1wt％Cr。该合金具有非常低的热中子吸收截面，良好的加工性

能，机械强度适中以及优良的耐腐蚀性能等优点，被广泛应用于压水堆和重水堆燃料的包

壳材料。

[0070] 2)利用显微硬度仪在Zr?4样品表面上沿半径方向打一系列点，为使所打硬度点准确分布在一条半径线上，可先用记号笔在圆环样品表面任意标记一条半径线。均匀移动显

微硬度计样品台保证所打点与点之间间隔大致为0.15mm，加载时间为15s,并将所有硬度点

按照距离圆心距离由小到大的顺序依次编号。

[0071] 3)利用体式显微镜统计每个硬度点到圆心的距离并记录；[0072] 具体方法为先将打完硬度点的样品置于体式显微镜下，放大50x或100x，保证硬度点清晰可见即可。利用体式显微镜平面拼接功能为圆环样品拍摄多种图片，然后拼接为一

张图片，保证所有硬度点均在该图片内可见，注意统计圆环表面硬度点的数量并对每个硬

度点编号，以防止镦粗后有个别硬度点消失，从而为实验结果带来误差。然后利用Image?

ProPlus软件处理图片，并测定每个硬度点到样品圆心的距离并记录,如图3所示。

[0073] 4)进行压缩实验。[0074] 利用压缩机进行圆环压缩实验，压缩实验参数为：变形量＝30％，应变速率＝?1

0.001s ，温度＝300℃，由于大多数压缩机自身附带的压头较小，并不能全部覆盖圆环样

品，从而造成样品受力不均匀，因此，需要为本实验中的样品定制一个符合样品尺寸的压

头。在压缩实验中，注意调整圆环与压头位置，尽量使其完全接触，以尽可能保证圆环样品

受力均匀，保证实验数据的准确性。

[0075] 压缩实验完成后，Zr?4圆环样品表面硬度点分布如图4所示，再次统计样品上硬度点数量，确保圆环在压缩过程中没有硬度点消失，并使其与压缩前的硬度点一一对应。仔细

观察圆环样品压缩后的截面形貌，初步判断其分流面位于实体内，即分流面半径大于圆环

内径。

[0076] 5)再次利用体式显微镜统计压缩后每个硬度点距圆心的距离，具体方法与步骤3)相同；

[0077] 6)对比压缩前后同一编号的硬度点到圆心的距离，从而确定分流面具体半径，以各硬度点编号为横坐标，镦粗前后各硬度点到圆环样品圆心的距离为纵坐标作曲线图，俩

曲线相交点的纵坐标即为分流面半径，如图5及图6所示(图5为第一列硬度点1，图6为第二

列硬度点2)。综合二者可知，本实验中分流面半径约为7.7160mm，确实位于实体内，与步骤

4)的初步判断一致，在一定程度上证明了该方法的可行性。

[0078] 7)在测得Zr?4圆环样品镦粗过程中的分流面半径ρ后，将其与圆环外半径R0，圆环内半径Ri及圆环高度H一起代入公式(3)可求得镦粗过程中摩擦因子m数值为0.87。

[0079] 上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明

精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。