本发明涉及一种材料孔挤压实验方法，涉及对材料内孔表面进行挤压形变处理以改善内孔表层应力分布的研究，为了解决已有的利用有限元分析方法分析塑性区的间接性问题，本发明设计了一种材料孔挤压实验方法，得到了直观和形象的塑性区范围和形态信息，这一方法就是用两块半圆形试样拼合在一起模仿一块整体试样，实验时使两块半圆形试样以足够大的力紧紧抵在一起，然后在两块半圆形试样的抵合缝隙处加工出一个圆形通孔，利用一个挤孔销对圆形通孔内壁进行孔挤压形变处理并造成挤压痕，撤掉抵紧力分开试样，对比塑性区产生前后标识位置和形状的变化，能够研究塑性区范围内材料塑性流变的方向和塑性变形量以及塑性区外围弹性形变区的形变方向。
1.一种材料孔挤压实验方法其特征是：在试样的形变区事先做标识，用两块半圆形试样拼合在一起模仿一块整体试样，实验时使两块半圆形试样以足够大的力紧紧抵在一起，然后，在两块半圆形试样的抵合缝隙处加工一个圆形通孔，随后，利用一个挤孔销对圆形通孔内壁进行孔挤压形变处理并造成挤压痕，最后撤掉抵紧力分开试样，对比塑性区产生前后标识位置和形状的变化，能够研究塑性区范围内材料塑性流变的方向和塑性变形量以及塑性区外围弹性形变区的形变方向，在支撑右样块(6)和左样块(7)的结合体的支撑力(9)与施加于挤孔销(2)上的压力(1)的作用下，挤孔销(2)穿入右样块(6)和左样块(7)中间的内圆柱孔(8)，由于挤孔销(2)上的挤孔凸棱(14)直径(D)大于右样块(6)和左样块(7)中间的内圆柱孔(8)的直径(d)，挤孔销(2)上的挤孔凸棱(14)通过右样块(6)和左样块(7)中间的内圆柱孔(8)的过程中，导致右样块(6)和左样块(7)中间的内圆柱孔(8)内壁一定范围内顺序地发生了塑性变形，随后，打开右样块(6)和左样块(7)结合体，在右样块(6)和左样块(7)的上、下端面能够观测到的画线交点阵列(13)的变化，在右样块(6)和左样块(7)间的抵紧面能够观测到画线交点阵列(12)的变化。
2.按权利要求1所述的一种材料孔挤压实验方法其特征是：用两个螺钉(10)和两个定位销(11)把右样块(6)和左样块(7)抵紧组合成两块试样结合体，对结合体的上、下两个端面进行画线，所画线为一组以试样圆心为圆心的同心圆和一组从试样圆心发出的放射线。
3.按权利要求1所述的一种材料孔挤压实验方法其特征是：在右样块(6)和左样块(7)的抵紧面上画线，所画线为平行于右样块(6)和左样块(7)长度方向的一组平行线。
4.按权利要求1所述的一种材料孔挤压实验方法其特征是：在右样块(6)和左样块(7)的抵紧面上画线，所画线为垂直于右样块(6)和左样块(7)长度方向的一组平行线。
5.按权利要求1所述的一种材料孔挤压实验方法其特征是：在右样块(6)和左样块(7)的抵紧面上画线，所画线为同时画出平行于右样块(6)和左样块(7)长度方向的一组平行线和垂直于右样块(6)和左样块(7)长度方向的一组平行线，这两组平行线形成多个交点。
6.按权利要求1所述的一种材料孔挤压实验方法其特征是：为了更好的呈现规律，平行于右样块(6)和左样块(7)长度方向的一组平行线为等间距线，垂直于右样块(6)和左样块(7)长度方向的一组平行线为等间距线。
7.按权利要求1所述的一种材料孔挤压实验方法其特征是：对画线交点阵列(12)的变化和画线交点阵列(13)的变化的研究，能够获得塑性区范围内材料塑性流变的方向和塑性变形量以及塑性区外围弹性形变区的形变方向等信息。
8.按权利要求1所述的一种材料孔挤压实验方法其特征是：精磨的走刀方向均与右样块(6)和左样块(7)的长度方向成45°角。
一种材料孔挤压实验方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种材料孔挤压实验方法。这种材料孔挤压实验方法是对孔状材料的孔内壁进行孔挤压处理以改善内孔表层应力分布的研究。
背景技术
[0002] 对材料内孔表面进行形变处理的技术早已经被广泛应用，实践中取得了良好的效果，例如：对飞机结构件内孔的挤压处理，显著地提高了飞机结构件的疲劳强度。
[0003] 孔挤压方法其原理是通过使材料内孔表面顺序地发生局部塑形形变，最后使材料表面产生了设计预期的预压应力层，从而大大提高了零件的静强度和疲劳强度。
[0004] 孔挤压是现在广泛的应用于连接孔的表面强化，在工艺参数选择合理的情况下，其强化的效果极其显著，甚至可以将零件寿命提高3倍以上。
[0005] 其原理是将一个直径略大于孔径、硬度高于连接孔材料的芯棒或圆球在强大机械力的作用下挤过连接孔，迫使孔壁材料发生弹塑性变形，在孔壁引入一个预压应力层，在材料承受外部载荷时，大幅提高连接孔疲劳强度和抗腐蚀疲劳性能，
[0006] 这种处理工艺有不改变材料、不改变结构设计、不增加飞机重量、成本低、强化效果明显、应用孔径范围广等优势，完全满足当前飞机设计和制造理念，已被广泛应用于飞机起落架以及其他承受大载荷孔结构的强化。
[0007] 孔挤压根据引入挤压量方式的不同，可以用分为直接芯棒挤压、开缝衬套挤压以及球挤压。但是目前孔挤压存在的问题是在挤压后，人们尚未掌握其应力分布情况，因此难以通过控制孔挤压的各项参数来达到最大的强化效果。
[0008] 目前对塑性区的研究采用的常用方法是：利用有限元软件ANSYS建立材料孔挤压强化残余应力场的三维有限元模型，分别模拟分析不同孔径、过盈量、厚度和孔边距比下构件孔挤压强化的三维残余应力场分布。
[0009] 高玉魁等在《300M超高强度钢孔挤压强化残余应力场的三维模拟分析》一文中，利用ANSYS 有限元软件模拟计算了300M超高强度钢构件的孔挤压强化残余应力，建立了材料不同厚度构件的孔挤压残余应力场三维有限元模型，分析研究了构件厚度对残余应力场的影响，确定了最大残余压应力出现的位置，比较了孔挤压入口、中部和出口处残余应力场的变化情况。
[0010] 刘晓龙等在《孔挤压强化残余应力场的三维有限元模拟和实验研究》一文中，运用有限元软件ANSYS建立了孔挤压强化残余应力场的三维有限元模型，模拟计算了不同厚度7050-T7451 铝合金构件孔挤压强化的三维残余应力场分布。
[0011] 本发明人在《一种材料孔挤压实验方法》(201710803715.4)中介绍了一种以两块半圆形材料抵紧后，在抵紧缝处施加孔挤压造成孔挤压，分开试样后利用抵紧面上弹起区的信息研究材料孔挤压形变的方法。
发明内容
[0012] 201710803715.4虽然得到了直观和形象的孔挤压塑性区范围和形态信息，但无法研究孔挤压塑性区范围内材料塑性流变的方向和塑性变形量以及塑性区外围弹性形变区的形变方向等。
[0013] 本发明提供的解决方法是在201710803715.4的基础上，在试样的孔挤压形变区事先做标识，用两个半圆形试样拼合在一起模仿一块整体试样，在以抵紧力抵在一起的两块试样中心孔进行孔挤压处理并造成塑性形变，随后撤掉抵紧力分开试样，对比孔挤压前后标识位置和形状的变化，能够研究孔挤压塑性区内材料塑性流变的方向和塑性变形量以及塑性区外围弹性形变区的形变方向。
[0014] 实验时使两块半圆形试样以足够大的力紧紧抵在一起，这个抵紧力保证实验过程中两块半圆形试样抵合缝隙不会出现瞬时张开或错动的情况。
[0015] 首先把待测材料制成半圆形试样，三个平面精磨加工，以达到尽可能高的平面度和光洁度，为了避免精磨留下的磨削痕影响后续对画线的观测，抵紧面精磨走刀的方向与各个画线的方向均呈最大夹角，并画线。
[0016] 所画线为平行于试样长度方向的一组平行线。
[0017] 所画线为垂直于试样长度方向的一组平行线。
[0018] 所画线为同时画出平行于试样长度方向的一组平行线和垂直于试样长度方向的一组平行线，这两组平行线形成多个交点。
[0019] 为了更好的呈现规律，平行于试样长度方向的一组平行线为等间距线，垂直于试样长度方向的一组平行线为等间距线。
[0020] 其次，在每块试样上分别加工出两个定位销孔、一个螺纹孔和一个阶梯孔，确保两块试样的两个抵紧面平整并相对配合。
[0021] 用两个定位销、两个螺钉将两块试样连接成为一个两块试样结合体。
[0022] 在车床上经一次装卡将两块试样结合体加出外圆柱面、内圆柱孔和两个端面，并确保外圆柱面和内圆柱孔的中心线位于两块试样结合面上。
[0023] 将加工完成的两块试样结合体置于开口楔形套内，利用收紧套、压紧套上相互配合的螺纹，旋紧压紧套，从而使楔形套楔入收紧套和两块试样结合体之间，使系统牢固结合为一个整体。
[0024] 从压紧套的中心孔导入挤孔销，并按着设计速度对挤孔销加载，挤孔销对两块试样结合体的内圆柱孔进行挤压，对两块试样结合体带来孔挤压塑性变形。
[0025] 撤掉抵紧力并分开试样，在原抵紧面上出现因孔挤压形变而带来的平行于试样长度方向的一组平行线和垂直于试样长度方向的一组平行线的弯曲，以及这两组平行线多个交点位置的变化，对这些变化的研究帮助我们获得塑性区范围内材料塑性流变的方向和塑性变形量以及塑性区外围弹性形变区的形变方向等信息。
附图说明
[0026] 图1为一种材料孔挤压实验方法的实施过程示意图：(1)为施加于挤孔销上的压力；(2) 为挤孔销；(3)为压紧套；(4)为收紧套；(5)为开口楔形套；(6)为右样块；(7)为左样块； (8)为右样块和左样块中间的内圆柱孔；(9)为支撑右样块和左样块结合体的支撑力；(12) 为右样块和左样块结合体的抵合缝；(14)为挤孔销上的挤孔凸棱；d为右样块和左样块中间的内圆柱孔的直径；D为挤孔销上的挤孔凸棱的直径。
[0027] 图2为右样块和左样块结合体示意图：(10)为右样块和左样块结合体上呈对角线布置的两个螺钉；(11)为右样块和左样块结合体上呈对角线布置的两个定位销。
[0028] 图3为右样块(6)或左样块(7)的放大示意图：(12)为抵紧面上的画线交点阵列，(13) 为端面上的画线交点阵列。
具体实施方式
[0029] 以下为本发明的一个实施例，更多的实施例可以结合本实施例的一个或多个特征得出。
[0030] 用两个螺钉(10)和两个定位销(11)把右样块(6)和左样块(7)抵紧组合成两块试样结合体，对结合体的上、下两个端面进行画线，所画线为一组以试样圆心为圆心的同心圆和一组从试样圆心发出的放射线。
[0031] 在右样块(6)和左样块(7)的抵紧面上画线，所画线为平行于右样块(6)和左样块(7) 长度方向的一组平行线。
[0032] 在右样块(6)和左样块(7)的抵紧面上画线，所画线为垂直于右样块(6)和左样块(7) 长度方向的一组平行线。
[0033] 在右样块(6)和左样块(7)的抵紧面上画线，所画线为同时画出平行于右样块(6)和左样块(7)长度方向的一组平行线和垂直于右样块(6)和左样块(7)长度方向的一组平行线，这两组平行线形成多个交点。
[0034] 为了更好的呈现规律，平行于右样块(6)和左样块(7)长度方向的一组平行线为等间距线，垂直于右样块(6)和左样块(7)长度方向的一组平行线为等间距线。
[0035] 精磨的走刀方向均与右样块(6)和左样块(7)的长度方向成45°角。
[0036] 两块试样结合体置于开口楔形套(6)内，利用收紧套(5)与压紧套(4)上相互配合的螺纹，旋紧压紧套(4)，从而使开口楔形套(6)楔入收紧套(5)和两块试样结合体之间，使系统牢固结合为一个整体，这样的结构能够防止实验过程中右样块(6)和左样块(7)的抵紧面发生张开和错动的情况。
[0037] 在支撑右样块(6)和左样块(7)的结合体的支撑力(9)与施加于挤孔销(2)上的压力(1)/的作用下，挤孔销(2)穿入右样块(6)和左样块(7)中间的内圆柱孔(8)，由于挤孔销(2)上的挤孔凸棱(14)直径D大于右样块(6)和左样块(7)中间的内圆柱孔(8) 的直径d，挤孔销(2)上的挤孔凸棱(14)通过右样块(6)和左样块(7)中间的内圆柱孔 (8)的过程中，导致右样块(6)和左样块(7)中间的内圆柱孔(8)内壁一定范围内顺序地发生了塑性变形，由于发生的为挤压塑性变形，右样块(6)和左样块(7)结合体的抵合缝(12)在实验过程中不会张开和错动。
[0038] 孔挤压后撤掉右样块(6)和左样块(7)间的抵紧力，打开两块试样结合体，每块试样的上、下表面能够观测到端面上的画线交点阵列(13)的变化，每块试样的抵紧面上能够观察到画线交点阵列(12)的变化。
[0039] 对画线交点阵列(12)的变化和画线交点阵列(13)的变化的研究，能够获得塑性区范围内材料塑性流变的方向和塑性变形量以及塑性区外围弹性形变区的形变方向等信息。
