高强度高硬度钛合金拉伸试件的设计及其机械性能测试.pdf

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高强度島硬度金拉伷试件的设计及具蒯能測i
ロ王艳丽』ロ苗德华』ロ杨强』口薛强2口呼英俊2ロ徐苏阳2
1.天津工程师范学院机械工程系天津300222
2.天津科技大学机械工程学院天津300222
摘要:通过适当的選火处理,可以显著地提高钛合金的强度和硬度。然而,对于高强度、高硬度钛合金板型试件,用
普通的实验机別试其拉伸强度和弹性模蚤是难以实现的。为此,设计出一种带有销孔的拉仲试件及专用央具。应用有限元
法计算出所设计试件的应力分布,并合理地确定其几何尺寸,从而保证了实验能够正常进行。
关键词:高强度高硬度钛合金拉伸试件机械性能测试
中图分类号:TG115.5*2
文献标识码:A
文章编号:1000-4998(2008)03-0059-03
钛合金具有密度小、强度高、耐腐蚀、良好的加工
热处理炉型号:SX3-4-10;主要参数:额定功率
性能及特殊的物理性能等优点,作为工程结构材料在4kW,最高工作温度1300℃,工作室尺寸250mm
军工、航空、航天、造船等领域得到应用。但因其价格蹋150mx100mm。
贵,其应用范围受到了限制。
近年来,随着海绵钛成本的下降、钛合金材料研制2板型拉伸试件的结构参数设计及加工
技术水平的不断提高,钛合金材料价格呈现下降趋势,2.1板型拉仲试件的結构参数的设计
其应用范園和用量逐年增加2。
常见拉伸试件分为光滑圆柱型和薄板型两种。光
研究表明,钛合金材料和其他合金材料一样,其机滑圆柱形试件便于测量径向应变,同时加工也比较简
械性能不仅取决于合金成分,而且取决于机械加工
便,因此,拉伸试验一般用光滑圆柱试件。本研究所用
艺和热处理工艺,通过机械加工或热处理可以提高钛的原料是板材,所以应将试件也做成板状。在满足试验
合金材料的强度,使其综合机械性能得到改善。
精度的前提下,为了节省材料,同时又能防止试验过程
拉伸试验是指在常态中,以缓慢施加的单向拉伸中试件与试验机夹头之间不发生相对滑动,将其设计
载荷,用光滑试件测定材料力学性能的方法。拉伸试验成图1所示的形状和尺寸?。
虽然很简单,但却是很重要的应用范围和最广泛的力2.2试件加エ
学性能试验方法。拉伸试验可以测定材料的弹性、强
首先将2mm厚的钛合金板材剪切成长100mm、宽
度、塑性、应变硬化和韧性等许多重要的力学性能指22mm的长方形板,然后用加工中心加工成如图1所示
标。在工程应用中,拉伸性能是结构静强度设计的主要的拉伸试件。
依据。因此,在研究新材料、合理使用现有材料以及改
100
善其力学性能时,都要测定材料的拉伸性能
本文首先应用标准试件对未经热处理的新型钛合
金材料进行拉伸试验。针对退火处理后钛合金材料拉
伸试验出现的问题,设计出专用的试件和夹具,并对退
图1
火后试件的机械性能进行了測试
拉伸试
1试验材料及试验设备
件图
1.1试验材料
试验材料是经专门治炼后通过压制而成厚度为
2mm的钛合金板材。
3试件退火条件
1.2试验备
拉伸机,型号:CSS-55200;主要参数:拉伸速度
为了改善材料的机械性能,对其进行退火处理,退
0.1mm/min;最大载荷:2000N
火温度及保温时间,如如表1所示。因钛合金易氧化,退火
收稿日期:2007年11月
时采用惰性气体防护。为提高试验精度,在试验前依次
Nラ机制造4卷第523期
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表1试件退火条件
100
热处理温度/(C)
热处理时间/h
图3
46
555555
装夹部分
中夹带有
销孔的试
件
用240、400、800、1000号砂纸打磨,消除机械加工时残
留的毛刺及热处理时产生的氧化层。
4试验过程中出现的问题
4.1板型试件在拉伸过程中出现的问题
问题1:对于未经退火处理的材料,因其强度和硬
度均相对较低,应用图1所示的试件进行拉伸试验,虽
然可以测出其拉伸强度和弹性模量,但由于试验机夹
▲图5销孔断裂的试件
头没有相应的定位装置,很难反映试验过程中试件真
图4与带销孔的试件
实受到的轴向拉力,而影响測试精度。
配套的专用夹具
问题2:对于经退火处理后的试件,因其硬度和强
度均很高,在拉伸试验过程中,当拉力达到一定数值
后,试件装夹部分与试验机夹头之间发生相对滑动,使过程中,销子可能被剪断。销孔直径过大时,在保持试
试验不能正常进行。图2为退火处理后的试件在拉伸试件宽度不变的情况下,销孔处有效面积减小,试件销孔
验中装夹部分出现的滑痕
处因强度不足而断裂。因此,所设计的试件在试验时必
须满足以下三点:1)试件标距内各处应力应均匀分布,
且数值相等;2)圆柱销不被剪断;3)试件销孔处不能发
生断裂。即圆柱销和试件销孔处的强度要髙于试件中
图2
部的强度。为此,应用有限元方法模拟试件在拉伸过程
的实际情况,对其销孔处最大应力及应力集中因数与
试件装夹部分
销孔半径的关系进行了分析,有限元计算模型如图6所
滑痕图
示,计算结果如表2所示?。
图6
四分之一有
4.2两端带有销孔试件在拉伸过程中出现的问题
限元模型的
为了防止退火处理后的普通试件由于打滑而无法
应力分布图
进行拉伸试验,因此将普通试件的装夹部分中央加工
表2不同销孔半径下断裂处应力值及应力集中因数
成为圆柱销孔,如图3所示。与共配套的专用夹具如留4「第孔半径/m最大应力值MI。应力集中因数门
所
286.967
4.59
图3所示的试件在试验过程中,虽然不再滑动,但
273.766
4.11
由于试件销孔处存在应力集中,当拉力达到一定数值
4.0
272.329
3.81
时,又产生了销孔处断裂等新的问题。图5为因拉伸而
4.5
275.007
断裂的试件。
283.117
3.40
要保证试验能够正常进行,所设计的试件销孔直
5.5
294.478
3.24
径既不能过小,地不能过大。销孔直径过小时,会出现:
6.0
308.197
3.08
一是由于试件孔边的应力集中因数随销孔直径的减小
从表2中的数值可以发现,随着销孔半径的增大,
而增大,并不能实现降低最大应力的目的;二是在加载其应力集中因数呈现出减小的趋势;销孔半径在3.5~
2008/3
机械制造46卷第52期