一种局部加热成形极限试验方法

摘要

本发明一种局部加热成形极限试验方法，它可以采用球面胀形法、Marciniak平面法、十字形试件的双向拉伸试验法实现；这里以十字形试件的双向拉伸试验法为例，该方法具体步骤如下：步骤一：十字形试件的装夹；步骤二：双向拉伸试验装置及激光发射器的相关参数设定；步骤三：试件的双向加载拉伸和中心区的加热；步骤四：试验数据的测量采集；步骤五：试验后处理及成形极限分析，得到板料在各种非比例加载路径下的热成形极限。本发明结构简单，性能可靠，方便实现比例和非比例加载路径的热成形极限实验。它在材料力学测试工艺及设备技术领域里具有广阔地应用前景。

权利要求

1.一种局部加热成形极限试验方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：

步骤一：十字形试件的装夹

用双向拉伸试验装置上四组拉伸装置中的夹紧装置分别夹紧十字形试件的四端，保证装夹位置的正确性即试件的两条垂直中线与四组拉伸装置中线重合；

双向拉伸试验装置包含分别位于十字形试件的四个方向上的四组相同的拉伸装置，每组的拉伸行程为0-220mm，每组拉伸装置通过一套传动机构将电机主轴转动转化为对力传感器的一端拉伸，力传感器的另一端与夹紧装置相连接，最终实现夹紧装置的移动，对十字形试件进行各种不同加载路径试验；

步骤二：双向拉伸试验装置及激光发射器的相关参数设定

通过计算机控制系统设定双向拉伸试验装置的加载方式即两个方向上的加载比例和激光发射器的功率、激光扫描路径及速度参数；

双向拉伸试验装置的两个方向上通过计算机的载荷控制实现载荷比例为1:1、1:2、1:3的多种比例的加载方式或通过应变控制实现应变比例为1:1、1:2、1:3的多种比例的加载方式；采用局部加热方式对十字形试件中心的主要变形区进行加热，温度和加热区面积大小根据需要进行控制，调整激光功率1-1000W，扫描速度1-50mm/s，使试件表面温度快速达到200-1148℃；进行试件中心区的加热采用常见的激光、电磁、红外、热电偶加热方法，用激光辅助加热的研究超高强度钢成形极限的双拉试验，将可控温激光加热装置的功率调节到300W，扫描速度设定为6.5mm/s,则发射的激光束使中心区的照射温度瞬时达到700℃以上，超高强度钢试件中心区组织中析出奥氏体，提高中心区的塑性变形能力，并降低中心区的抗拉强度，使断裂发生在中心位置；

步骤三：试件的双向加载拉伸和中心区的加热

计算机控制系统控制双向拉伸试验装置按预设加载路径对十字形试件进行双向拉伸，并同时控制激光发射器沿指定路径对中心区进行加热，使加热区域达到并保持在预定温度范围；

计算机控制系统控制双向拉伸试验装置对十字形试件进行不同比例下的双向拉伸，并实时的通过力传感器将拉伸过程中材料的各项参数进行统计整理；可控温装置中的红外测温仪，通过非接触方式对十字形试件中心区温度进行实时测量并反馈给计算机控制系统，计算机控制系统控制激光发射器按指定的扫描路径和速度进行扫描加热；接收红外测温仪测量的试件中心区域的温度参数，然后控制激光发射器进行加热，使加热区域保持在预定温度范围；试验过程中对于加热状态下容易发生氧化的材料，在试验过程中通入保护气体；

步骤四：试验数据的测量采集

试验过程中通过双向拉伸试验装置上的力传感器将拉伸过程中材料的各项参数进行统计整理，可控温装置中的红外测温仪进行试件中心区温度的测量；试验后采用常用的网格法或光学非接触应变测量仪器进行所关心的主要变形区的应变测量，试验过程中采用光学非接触应变测量仪器对变形过程中的应变进行实时测量；

步骤五：试验后处理及成形极限分析

运用步骤四中得到的数据进行塑形理论研究和进行有限元分析，得到板料在各种非比例加载路径下的热成形极限。

2.根据权利要求1所述的一种局部加热成形极限试验方法，其特征在于：它采用球面胀形法、Marciniak平面法及十字形试件的双向拉伸试验法实现。

说明书

一种局部加热成形极限试验方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种局部加热成形极限试验方法，属于材料力学测试工艺及设备技术领域。

背景技术

[0002] 成形极限实验在表征板材成形性方面具有重要的作用，通过测量成形极限实验后板材上破裂点附近的主应变可以绘制成形极限图，对板料实际成形工艺具有重要的指导作用。随着塑性加工技术的发展，很多板材需要在加热状态下进行塑性成形，要表征板材在加热状态下的成形性能，热成形极限实验必不可少。板料在实际热成形过程中受力状态复杂，为了表征其真实的成形性能，除了比例成形加载状态下的热成形极限实验外，还应当进行各种非比例加载路径的热成形极限实验。

[0003] 目前的热成形极限方法是在加热环境中的Naka球面胀形或者Marciniak平面方法，要对模具和整个试件加热，该方法通常加热时间较长，而且受摩擦等因素影响很大，有时候断裂首先发生在非主要变形区，不能首先实现在所关心的主要变形区的断裂，而且实验中应变的测量很不方便。常用的Naka球面胀形和Marciniak平面方法，在常温下要进行非比例加载路径的成形极限实验比较复杂（通常要先对试件进行预加载，然后对预加载后的试件进行二次加工，再对加工后的新试件进行实验），在加热状态下非比例加载路径更加难以实现。

[0004] 因此，提出一种方便加热和测量，而且实验过程中能够实现在所关心的主要变形区首先发生破裂，容易实现各种比例和非比例加载路径的成形极限实验方法是十分必要的。

发明内容

[0005] 为克服现有成形极限方法和技术存在的上述问题，本专利申请提供了一种局部加热成形极限试验方法，它能够对所关心的主要变形区在不同的温度状态下对材料进行各种比例和非比例加载路径试验，可进行热变形成形极限的研究。

[0006] 一种局部加热成形极限试验方法，本方法在常用的球面胀形法、Marciniak平面法或双向拉伸试验装置上对试件上所关心的主要变形区进行局部加热，以双向拉伸试验装置上采用十字形试件的中心变形区局部加热为例，包含双向拉伸试验装置、可控温加热装置、计算机控制系统，其特征在于：在双向拉伸试验中，利用计算机控制温度可调的加热装置，对置于双向拉伸试验装置中的十字形试件的中心主要变形区进行局部加热，并通过计算机控制双向拉伸装置能够有效的实现对十字形试件不同加载路径的比例和非比例双向拉伸，即实现中心区的各种比例和非比例加载路径。

[0007] 综上所述，本发明一种局部加热成形极限试验方法，它可以采用球面胀形法、Marciniak平面法或十字形试件的双向拉伸试验法实现；这里以十字形试件的双向拉伸试验法为例，该方法具体步骤如下：

[0008] 步骤一：十字形试件的装夹

[0009] 用双向拉伸试验装置上四组拉伸装置中的夹紧装置分别夹紧十字形试件的四端，保证装夹位置的正确性即试件的两条垂直中线与四组拉伸装置中线重合。

[0010] 双向拉伸试验装置包含分别位于十字形试件的四个方向上的四组相同的拉伸装置，每组的拉伸行程为0-220mm，每组拉伸装置通过一套传动机构将电机主轴转动转化为对力传感器的拉伸，力传感器的另一端与夹紧装置相连接，最终实现夹紧装置的移动，对十字形试件进行各种不同加载路径试验。

[0011] 步骤二：双向拉伸试验装置及激光发射器的相关参数设定

[0012] 通过计算机控制系统设定双向拉伸试验装置的加载方式即两个方向上的加载比例和激光发射器的功率、激光扫描路径及速度等参数。

[0013] 双向拉伸试验装置的两个方向上可以通过计算机的载荷控制或应变控制实现1:1、1:2、1:3等多种比例的加载方式。

[0014] 采用局部加热方式对十字形试件中心的主要变形区进行加热，温度和加热区面积大小可以根据需要进行控制，调整激光功率1-1000W，扫描速度1-50mm/s，可使试件表面温度快速达到200-1148℃。进行试件中心区的加热可以采用常见的加热方法，如激光、电磁、红外，热电偶等方法。以激光辅助加热的研究超高强度钢成形极限的双拉试验为例，将可控温激光加热装置的功率调节到300W，扫描速度设定为6.5mm/s,则发射的激光束使中心区的照射温度瞬时达到700℃以上，超高强度钢试件中心区组织中析出奥氏体，可提高中心区的塑性变形能力，并降低该部位的抗拉强度，使断裂发生在中心位置。

[0015] 步骤三：试件的双向加载拉伸和中心区的加热

[0016] 计算机控制系统控制双向拉伸试验装置按预设加载路径对十字形试件进行双向拉伸，并同时控制激光发射器沿指定路径对中心区进行加热，使加热区域达到并保持在预定温度范围。

[0017] 计算机控制系统控制双向拉伸试验装置对十字形试件进行不同比例下的双向拉伸，并实时的通过力传感器将拉伸过程中材料的各项参数进行统计整理；可控温装置中的红外测温仪，通过非接触方式对十字形试件中心区温度进行实时测量并反馈给计算机控制系统。计算机控制系统控制激光发射器按指定的扫描路径和速度进行扫描加热；接收红外测温仪测量的试件中心区域的温度参数，然后控制激光发射器进行加热，使加热区域保持在预定温度范围。试验过程中对于加热状态下容易发生氧化的材料，在试验过程中可以通入保护气体。

[0018] 步骤四：试验数据的测量采集

[0019] 试验过程中可通过双向拉伸试验装置上的传感器将拉伸过程中材料的各项参数进行统计整理，可控温装置中的红外测温仪可进行试件中心区温度的测量。试验后采用常用的网格法或光学非接触应变测量仪器进行所关心的主要变形区的应变测量，试验过程中也可以采用光学非接触应变测量仪器对变形过程中的应变进行实时测量。

[0020] 步骤五：试验后处理及成形极限分析

[0021] 运用步骤四中得到的数据进行塑形理论研究和进行有限元分析，可得到板料在各种非比例加载路径下的热成形极限。

[0022] 具体操作步骤的流程框图如图4。

[0023] 本发明方法中，采用十字形试件和双向拉伸试验装置，可以方便实现比例和非比例加载。如果只需要进行比例加载状态下的成形极限实验，可以在常用的Marciniak平面法或Naka球面胀形法的基础上，采用本方法给出的上述局部加热方法进行实验和相关数据的测量。

[0024] 如果热成形极限实验中加热温度不高，上述中心主要变形区弱化不够，再采用事先对中心区减薄，然后再采用本发明中提出的局部加热方法进行成形极限实验，以使中心区足够弱化来实现成形极限实验中的中心区破裂。

[0025] 本发明与现有的热成形极限试验装置和方法相比，具有以下突出优点和效果：

[0026] 1、本发明通过对所关心的主要变形区进行局部加热，实现加热成形极限实验，实验中由于主要变形区受热软化，首先发生破裂，克服了传统成形极限实验方法中破裂没有发生在主要变形区的缺陷；

[0027] 2、本发明结构简单，性能可靠，方便实现比例和非比例加载路径的热成形极限实验。如果仅需要进行比例加载路径的热成形极限实验，可以在传统的Marciniak平面法或Naka球面胀形法或十字形试件的双向加载法中采用本发明提出的局部加热方法，对试件的中心主要变形区采用激光、电磁或其他加热方式进行局部加热，可以获得比例加载路径下的热成形极限实验结果，如果中心区弱化不够，可以在传统的中心区减薄方法的基础上进一步采用本发明提出的局部加热方案。如果要进行各种非比例加载路径的成形极限实验，可以在十字形试件的非比例加载实验方法的基础上采用本发明中提出的局部加热方法来实现非比例加载路径的热成形极限实验。克服了传统的热成形极限实验方法难以实现复杂加载路径的缺陷；

[0028] 3、本发明中提出的局部加热方法，热源可以采用激光、电磁等先进的加热手段，方便进行主要变形部位的加热，方便控制和测量温度，加热面积小而且加热速度快，客服了传统的热成形极限试验方法中升温较慢和试件温度控制不方便的缺陷；

[0029] 4、本发明提出的热成形极限实验中，在进行局部加热成形极限试验中，可以进行变形过程中应变的实时测量，试验中和试验后都能很方便的对应变进行测量，克服了传统热成形极限方法中应变测量不够方便的缺陷；

[0030] 5、传统研究热成形极限的方法是在加热环境中的球面胀形或者Marciniak平面方法，要对模具和整个试件加热，受摩擦等因素影响很大，有时候不能实现在所关心的主要变形区的断裂。如果采用本发明中的方法，对板料变形集中区进行局部加热，并控制好温度，可以实现所关心的变形区的破裂，更好的得出成形极限，克服了上述缺陷。

附图说明

[0031] 图1A是采用本发明中的方法，以激光加热和双向拉伸试验装置为例的局部加热成形极限实验装置的结构示意图；图1B是对图1A的补充，如果采用激光加热可以采用图1A所示单面或图1B所示的双面加热。

[0032] 图2是采用本发明中的方法，以十字形试件的双向拉伸试验为例时所采用臂上开缝的十字形试件图；

[0033] 图3A是常用的常温或整体加热的双向拉伸试验中出现的试件断裂发生在臂上的示意图；

[0034] 图3B是采用本发明的方法，以十字形试件的双向拉伸试验为例的，十字形试件断裂发生在中心区的示意图；

[0035] 图4是本发明流程框图。

[0036] 图中所示标号说明：

[0037] 1、夹紧装置，2、力传感器，3、十字形试件，4、计算机控制系统，5、激光发射器，6、激光发射器扫描加热路径，7、十字形试件臂上的开缝

具体实施方式

[0038] 见图1A-图4，下面结合附图，对本发明作进一步地说明和描述。

[0039] 如图1A所示的，采用本发明提出的方法，采用双向拉伸试验装置并以激光进行局部加热的热成形试验装置，包含双向拉伸试验装置、可控温激光加热装置、计算机控制系统4，其中双向拉伸试验装置包含四组相同的拉伸装置，每组拉伸装置都通过一套传动机构将电机主轴转动转化为对力传感器2的拉伸，力传感器2的另一端与夹紧装置1相连接，最终实现夹紧装置1的线性移动，对十字形试件3进行拉伸试验。

[0040] 可控温激光加热装置包含激光发射器、红外测温仪，如图1A中所示激光发射器5在计算机控制系统4的控制下沿指定扫描路径6，对十字形试件臂上的开缝7的十字形试件3中心区进行局部加热，使试件在加载后断裂发生在中间位置如图3B；红外测温仪通过非接触方式对试件中心区温度进行实时测量并将温度参数反馈给计算机控制系统4。

[0041] 计算机控制系统4综合控制双向拉伸装置对十字形试件的拉伸过程、可控温激光加热装置对材料中心区的加热温度以及激光发射器扫描加热路径6。

[0042] 本发明的具体试验过程如下，首先用四组拉伸装置中的夹紧装置1分别夹紧十字形试件的四端，计算机控制系统4接收红外测温仪测量的试件中心区的温度参数，然后控制激光发射器沿指定路径对中心区进行加热，使加热区域达到并保持在预定温度范围；计算机控制系统4控制双向拉伸试验装置对十字形试件3进行预设比例和非比例的双向拉伸，并实时的通过力传感器2将拉伸过程中材料的各项参数进行统计整理，最终分析出材料在不同温度下的双向拉伸力学性能指标，进行热变形成形极限的研究。

[0043] 见图4，本发明一种局部加热成形极限试验方法，该方法具体步骤如下：

[0044] 步骤一：十字形试件3的装夹

[0045] 用双向拉伸试验装置上四组拉伸装置中的夹紧装置1分别夹紧十字形试件3的四端，保证装夹位置的正确性即试件的两条垂直中线与四组拉伸装置中线重合。

[0046] 双向拉伸试验装置包含分别位于十字形试件3的四个方向上的四组相同的拉伸装置，每组拉伸装置通过一套传动机构将电机主轴转动转化为对力传感器2的拉伸，力传感器2的另一端与夹紧装置1相连接，最终实现夹紧装置1的移动，对十字形试件3进行各种不同加载路径试验。

[0047] 步骤二：双向拉伸试验装置及激光发射器的相关参数设定

[0048] 通过计算机控制系统4设定双向拉伸试验装置的加载方式即两个方向上的加载比例和激光发射器的初始加热温度、扫描路径及速度等参数。

[0049] 双向拉伸试验装置的两个方向上可以通过计算机控制系统4的载荷控制或应变控制实现1:1、1:2、1:3等多种比例的加载方式。

[0050] 采用局部加热方式对十字形试件3中心的主要变形区进行加热，温度和加热区面积大小可以根据需要进行控制，调整激光功率1-1000W，扫描速度1-50mm/s，可使试件表面温度快速达到200-1148℃。进行试件中心区的加热采用常见的加热方法，如激光、电磁、红外，热电偶等方法。这里以激光辅助加热为例，可控温激光加热装置发射的激光束的照射温度可通过控制激光功率密度，光斑直径等参数来将十字形试件3的中心区加热到预设的温度，可提高中心区的塑性变形能力，并降低该部位的抗拉强度，使断裂发生在中心位置。

[0051] 步骤三：试件的双向加载拉伸和中心区的加热

[0052] 计算机控制系统4控制双向拉伸试验装置按预设加载路径对十字形试件3进行双向拉伸，并同时控制激光发射器5沿指定的激光发射器扫描加热路径6对中心区进行加热，使加热区域达到并保持在预定温度范围。

[0053] 计算机控制系统4控制双向拉伸试验装置对十字形试件3进行不同比例下的双向拉伸，并实时的通过力传感器2将拉伸过程中材料的各项参数进行统计整理；可控温装置中的红外测温仪，通过非接触方式对十字形试件3中心区温度进行实时测量并反馈给计算机控制系统4。计算机控制系统4控制激光发射器5按指定的激光发射器扫描加热路径6和速度进行扫描加热；接收红外测温仪测量的试件中心区域的温度参数，然后控制激光发射器5进行加热，使加热区域保持在预定温度范围。试验过程中对于加热状态下容易发生氧化的材料，在试验过程中可以通入保护气体。

[0054] 步骤四：试验数据的测量采集

[0055] 试验过程中可通过双向拉伸试验装置上的力传感器2将拉伸过程中材料的各项参数进行统计整理，可控温装置中的红外测温仪可进行试件中心区温度的测量。试验后采用常用的网格法或光学非接触应变测量仪器进行所关心的主要变形区的应变测量，试验过程中也可以采用光学非接触应变测量仪器对变形过程中的应变进行实时测量。

[0056] 步骤五：试验后处理及成形极限分析

[0057] 运用步骤四中得到的数据进行塑形理论研究和进行有限元分析，可得到板料在各种非比例加载路径下的热成形极限。

[0058] 形区进行局部加热的热成形极限试验方法，与传统的整体加热的热成形极限试验方法有着本质的不同。将可控温加热装置引进入设备中，对试件中心区进行局部加热，使试件在所关心的中心主要变形区发生断裂，克服了传统热成形极限实验方法中破裂不能发生在中心变形区、应变测量不方便、难以实现非比例加载路径等各种缺陷，也是对双向拉伸试验方法的发展，可以有效的得出材料在不同温度和不同加载状态下板料成形极限。

[0059] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所示的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。