D0I:10.13374/i.issn1001053x.1997.01.024 第19卷第1期 北京科技大学学报 Vol.19 No.1 1997年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.1997 影响流变应力曲线测试的因素 张艳党紫九 北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京100083 摘要在GLEEBLE1500热/力学模拟机上用压缩实验方法来测定金属的流变应力曲线；对实验 中所涉及到的一些相关因素，如温度梯度、润滑方式、控制方式及试件尺寸等进行了讨论，找出了 一定的规律 关键词应力，温度梯度，润滑 中图分类号TG30,TG306 在热/力学模拟机上用压缩实验方法来测定金属的流变应力曲线得到了较为广泛的应 用.但在实际应用中发现，用压缩实验方法测量流变应力曲线，受试样的温度场、试样与压头 的接触摩擦等因素的影响，使压缩实验很难达到单向压应力，从而影响了实验结果， 本文采用20号钢，通过一系列试验，找出一些相关因素（如温度梯度、润滑方式、控制方 式及试件尺寸等)的影响规律，对更精确、更完善的进行压缩实验具有一些指导作用. 1实验材料和实验方法 以20号钢作为实验材料.实验在GLEEBLE1500 1i00℃ 热模拟机上进行. 5℃s 2 min 1000C 实验工艺如图1所示.首先以10℃/s的升温速度 900℃ 将试件加热到1100℃，保温2min,然后以5℃/s的 /10℃s 冷却速月降至试验温度，再保持1min,以应变速率 0.1s-1变形70%，采集应力应变数据，得出完整的流 t/s 变应力曲线 图1实验工艺 2实验结果与讨论 2.1温度梯度的影响 GLEEBLE1500采用电阻加热方式，夹具两端采用循环水冷却降温，所以试件沿轴向从 中截面向夹具两端形成对称型温度梯度.这个温度梯度的高低随夹具材料和形状的不同及保 温时间的长短而有所变化 采用中10mm、长12mm的试件，分别使用铜夹具夹持中25.40mm直径的高温合金压头 1996-09-05收稿 第一作者女38岁高级工程师
第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 一 一 。 影 响流变应力 曲线测 试 的 因素 张 艳 党 紫九 北京科技 大学新金 属材料 国家重点实验室 ， 北京 摘要 在 热 力学模拟机上 用压缩实验方法来测 定金 属 的流变应力 曲线 对实验 中所涉及 到的一些相 关 因素 ， 如温度梯度 、 润滑方式 、 控制方式及 试件尺 寸等进行 了讨论 ， 找出 了 一定 的规律 关健词 应力 ， 温度梯度 ， 润滑 中图分类号 ， 在 热 力 学模 拟 机上 用 压缩 实 验 方 法 来 测 定 金 属 的流 变应 力 曲线得 到 了较 为广 泛 的应 用 但 在 实 际应用 中发现 ， 用压缩 实 验 方 法 测 量 流 变应 力 曲线 ， 受 试样 的温度 场 、 试样 与 压 头 的接触摩擦等 因素的影 响 ， 使压缩 实验很难 达到单 向压应力 ， 从而影 响 了实验结果 本文采 用 号 钢 ， 通 过 一 系 列 试验 ， 找 出一些 相 关 因素 如温 度梯 度 、 润 滑方式 、 控制方 式及试件尺寸等 的影 响规律 ， 对更 精确 、 更完善的进行 压缩 实验具有 一些指 导作用 实验材料和实验方法 以 号钢作 为实验 材料 实验 在 热模 拟 机上进行 实验工 艺如 图 所示 首 先 以 ℃ 的升温速度 将试件加热到 ℃ ， 保温 ， 然后 以 ℃ 的 冷 却 速 压 降至 试 验 温 度 ， 再 保 持 ， 以 应 变 速 率 一 ’ 变 形 ， 采 集 应 力 应 变 数据 ， 得 出完 整 的流 变应力 曲线 ℃ ℃ 尸 已 ℃ ℃ ℃ 图 实验工 艺 实验结果与讨论 温度梯度的影 响 采 用 电阻 加 热 方 式 ， 夹具 两 端 采 用循 环 水冷 却 降温 ， 所 以 试 件 沿 轴 向从 中截 面 向夹具 两端形成 对称型 温度梯 度 这 个温度 梯 度 的高低 随夹具 材料和形状 的不 同及保 温 时间的长短 而有所 变化 采 用 中 、 长 的试 件 ， 分 别使用 铜夹具 夹 持 中 直径 的高温 合金 压 头 一 一 收稿 第一作者 女 岁 高级 工 程 师 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1997．01．024
·118 北京科技大学学报 1997年第1期 及不锈钢夹具夹持中20mm高温合金压头，测量出试件中截面及距中截面5mm处的祖度变 化曲线，如图2所示. 由于温度梯度的存在，使试件在变形过程中产生单鼓或双鼓，因此对实验结果造成一定 的影响，如在测量IF钢的变形抗力实验中，在900℃变形时，由于温度梯度的存在造成试件 的双鼓（图3），对所测得的流变应力曲线造成很大误差.经采用石墨纸垫片降低了温度梯度， 双鼓消失。 1-4100U 1100F 1-316℃ 1-210c 曲线！一以件中蒙面温度 1000 曲线2-距中心5mm处温度， 端面石感陶滑 曲线3一距中心5mm处温度， 900 无润情，不锈附夹具 曲线4一距中心5mm处温度， 800 无润滑，倒夹其 80 130180230280330 你 图3F铜00℃时双鼓压缩 图1不同夹具下的温度梯度 试样（无润滑） 2.2不同润滑方式对实验结果的影响 在正缩实验中如果端面无摩擦，试件温度均匀，变形则是均匀而无鼓肚的，因此，轴向应 变和径向应变是相等的.但在实际实验中，端面摩擦很难为零，端面摩家和祖度梯度的存在都 导致在压头表面下的变形死区和中间表面的鼓肚，其严重性随端面摩擦和温度梯度的提高而 提高川 采用中10mm.长15mm的试件，实验结果如图4所示.试件变形后腰部直径比端部直 径增粗量值如表1， 由于采用了端部润滑技术，降低了试件与压 表1变形后鼓肚量 头之间的摩擦力，使试件基本上处于单向压应力 增加魔/% 状态.图4表明，在900℃时不采用润滑比采用 0/℃ 石蜃垫片玻璃热片 不润滑 石虽垫片润滑应力下降7%，采用玻璃粉润滑比 900 4.2 14.0 19.4 采用石显垫片润滑其应力下降4%.图5为润滑 1000 4.7 16.0 22.0 对变形影响的照片， 采用石墨垫片润滑受一定条件的限制.实验表明，对于碳钢当预加热温度超过1100℃ 时，由于石墨扩散到试件端部，使试件端部渗碳，造成端部熔点降低，试件端部熔化，芬兰奥鲁 大学的潘梯·卡雅列那教授通过实验发现，采用在试件两端镀上50μ金属镍的方法可将试 件的预加热温度提高到1230℃而不发生渗碳现象， 2.3控制方式的影响 GLEEBLE1500热模拟机有若干个参数可作为问服反馈信号，即：可采用多种不同的控 制方式.在压缩实验当中，主要有3种方式可供选择
Vol19 No.I 张艳等：影响流变应力曲线的因素 ·119· 160 120 80 (b) 40 润滑条件：1一石■科滑 2一戒璃粉裾滑 3一无阀滑 0 02 0.4 0.6 0.8 图5各种润滑方式对变形的影响 图：润滑对测量结果的影响 ()石曼垫片润滑：心)玻璃粉润滑：（⊙无润滑 (I)位移控制方式(STROKE CONTROL) 这种方式是将活塞的位移作为反馈信号，使试件的轴向变形速率与程序设计保持一致， 夹持在试件中截面的径向应变传感器用来得到变形过程中的瞬时真应力真应变数据，这种方 式操作简便，实验过程中运行平稳，所测曲线较平滑， (2)径向应变控制方式(C-STRAIN CONTROL) 这种方式是通过夹持在试件中截面的径向应变传感器所测得的试件直径方向的变化作 为反馈信号来控制话塞的移动，使径向的变形速率与程序设计值保持一致同时，径向应变的 测量也提供了瞬时横截面积，可同时得到瞬时真应力.但这种控制方式较第1种复杂，而且在 实验过程中如果径向应变传感器偏移或因意外损坏，就会使实验失控造成损失，有时还会因 变形前零点调整不好，造成测量曲线初始段波动过大， (3)轴向应变控制方式(L-STRAIN CONTROL) 这种方式是通过固定在夹具两端的轴向应变传感器测得的轴向变形量作为反馈信号的， 这种方式操作简便，但真应力不能直接测得，只能间接计算，因为所得到的瞬时横截面面积是 根据体积不变原理假设而得到的 采用2种不同的控制方式测量时，在无润滑手段或采用钽片的条件下，尽管所测的径向 真应变速率有所不同，但流变应力曲线基本一致四 在采用石墨润滑的条件下（如图6），表明控制方式不同其真应变速率也不相同.图7表 明2种控制方式下所测得的流变应力曲线的差异， 2.4试件尺寸的影响 图8(a)为采用石墨垫片润滑时，中10mm.长15mm的试件与8mm.长l2mm的试件的 流变应力曲线，两试件的长径比（亿/D)均为1.5.图8(b)为采用石墨垫片润滑时，3种不同的 L/D比值试件的测试结果，试件的直径均为10mm长度分别为12mm,l5mm和20mm,即 L/D分别为1.2,1.5.2.0. 在压缩实验中如果没有良好的润滑来克服端面摩擦，则试件的长径比L/D对变形后试 件的鼓肚有影响，随L/D值的减小鼓肚提高).从图8看出，在润滑好的情况下，采用不同尺
·120· 北京科技大学学报 1997年第1期 寸的试件，对实验结果几乎没有影响. 0.12 160 0.10 1,2 120 0.08 34 0.06 80 0.04 控制条件：1,2为应变控制 位移控制 一一一-应变控制 0.02 3,4为位移控制 石量淘滑 石量润滑 0.00 2 34 56 7 0.2 0.4 0.6 0.8 t/s 图62种控制方式下的真实应变速率 图72种控制方式下的流变应力曲线 160 160 (a) (b) 120 120 900℃ 900C 123 edW/o 1000℃ edW/o 1000℃ 40 四 试样尺寸：1一长/宽=12/10 20 试样尺寸：1一长/宽=12/8 40 2一长/宽=15/10 2一长/宽=15/10 3-一长/宽=20/10 石墨润滑 石晕润滑 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 0.2 0.4 0.6 0.8 图8不同尺寸试样的测量结果（图中单位mm) 4结论 (1)在用压缩方法测量材料的流变应力曲线时，为尽量减小试件的温度梯度，应采用导电 性、导热性差的材料作为压头材料. (2)采用润滑手段以降低试件与压头之间的摩擦力，使试件尽量处于单向压应力状态，以 保证实验结果的可靠性， (3)选择径向应变控制方式能较好地测量流变应力曲线 (④)在采用良好的润滑手段的情况下，可选用不同尺寸的试件，对流变应力的测量结果几 乎没有影响
· · 北 京 科 技 大 学 学 报 寸 的试件 ， 对实验结果几乎没有影 响 年 第 期 之白 才从吩 一 耳 二户 ‘ 一 一叹欲之少一 一一 一 曰 山 蓬 尹 声 － 位移控制 一 应变控制 石墨 润滑 圈 种控制方式下的宾实应变速率 圈 种控制方式下的流变应力 曲线 口 岛 芝 飞 一 、 ‘ 又之之之 ℃ ℃ ‘ ‘ ，‘ 、 。 代 霆 飞 臼，，且，二‘ 卜创‘“ 了了月沈 卜试样尺寸 一长 宽 一长魔 石墨润滑 － 一 试样尺 寸 一长 宽一 一长‘宽一 ， ‘， 一长 宽 石墨 润 滑 图 不 同尺寸试样的侧 结果 圈中单位 结论 在 用 压缩方法 测量 材料 的流 变应 力 曲线 时 ， 为尽量 减小 试件 的温度梯度 ， 应采 用 导 电 性 、 导热性差 的材料 作 为压 头材料 采用 润 滑手段 以 降低 试件 与压 头之 间 的摩擦力 ， 使试 件尽量处于 单 向压应力状态 ， 以 保证实验结果 的可靠性 选择径 向应变控制方式能较好地 测 量 流 变应力 曲线 在采 用 良好 的润 滑手段 的情 况 下 ， 可 选用不 同尺 寸 的试件 ， 对流 变应力 的测 量 结果几 乎没有影 响
Vol.19 No.1 张艳等：影响流变应力曲线的因素 ·121· 参考文献 1陈伟昌，党紫九.特殊钢.1996(6)：27 2 Rao K P,Hawbolt E B.Journal of Engineering Materials and Technology,1992,114:123 Influence Factors of Measuring Stress-Strain Curves Zhang Yan Dang Zijiu State Key Laboratory For Advanced Metals and Materials,UST Beijing.Beijing 100083,China ABSTRACT Stress-strain curves on Gleeble-1500 machine are given.Some factors influ- encing the test results actually,such as temperature gradient,lubrication conditions, control mode and the specimen's size,are investigated.Based on the experimental data, the relationship between these factors and the measurements of stress-strain curves are discussed. KEY WORDS stress,temperature dradient,lubrication 下期预告 知识“溶化”技术及无搜索快速求解智能系统的建立 郑德玲李擎 北京科技大学信息工程学院，北京100083 摘要介绍了一个模糊神经网络专家系统.研究了知识的“溶化”技术，即导人算法；无搜索快 速推理；导出算法，对用三分法确立输人变量隶属函数及模糊规则求精作了有益的分析，用以 上理论对连续推钢式加热炉进行控制，控制效果较为理想， 关键词专家控制，状态识别，神经网络，模糊逻辑 中图分类号TP18
张艳等 影 响流变应力 曲线的因素 参 考 文 献 陈伟 昌 ， 党紫九 特殊钢 ， ， ， 一 ， ， ， 一 一 ， ， ， ， ， ， 一 ， ， 下 期预告 知识 “ 溶化 ” 技术及无搜索快速求解智能系统的建立 郑德玲 李 擎 北京科技 大学信息工程学 院 ， 北 京 摘要 介绍 了一个模 糊 神经 网络专家系 统 研究 了知识 的 “ 溶化 ” 技术 ， 即导人 算法 无搜索快 速 推理 导出算法 对用 三分法 确 立输人变量 隶属 函 数及 模糊规则求精作 了有益 的分析 用 以 上理论对连续 推钢式加 热炉 进行控 制 ， 控 制效果 较 为理 想 关键词 专家控 制 ， 状态识别 ， 神经 网络 ， 模 糊逻 辑 中图分类号
