销孔形状近似椭圆的新型钛合金拉伸试件的设计及应用-学兔兔 www.xuetutu.com.pdf

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第6卷第1期
中国工程机械学报
Vol 6 No. 1
2008年3月
CHINESE JOURNAL OF CONSTRUCTION MACHINERY
Mar.2008
销孔形状近似椭圆的新型钛合金拉伸
试件的设计及应用
苗德华2,王艳丽,赵形,杨强
(1.天津工程师范学院机械工程系,天津300222.天津科技大学机械工程学院,天津300222)
摘要:针对销孔式新型钛合金拉伸试件因应力集中而产生断裂等问题,提出了将圆柱销孔改为近似椭圆形状的
结构设计思路.首先应用有限元方法模拟试件在拉伸过程的实际情况,分析结构参数与试件应力分布的关系,在
此基础上确定了试件的结构参数,并使用所设计的试件进行拉伸实验,考察了退火处理条件对钛合金机槭性能
的影响
关键词:新型钛合金;拉伸试件;销孔形状;有限元方法;结构参数
中图分类号:THI13
文献标识码:A
文章编号:1672-5581(2007)04-0058-05
Investigation into new titanium-alloy tensile specimens
with elliptical pinholes
MIAO De-hua, WANG Yan-li, ZHAO Tong, YANG Qiang
(1. Depatrcnt of Mechanical Engineering, Tinin University of Techn ogy and Education, Tianjin 300222, China
2. College of Mechanical Engineering, Tianjin University of Science &echnoloy, Tianiin 300222, China)
Abstract: Specifically for the new titanium-alloy specimens with pinholes, the fracture occurs due to the
stress concentration. In this regard, a new design conception is postulated to replace the cylindrical pinholes
with elliptical pinholes Firstly, the actual tensile process is simulated via the finite element method. Then
the relationship between structural parameters and stress distributions is analyzed for specimens. Upon com
pletion of structural parameter determination and tensile testing, the mechanical properties are finally mea
sured after annealing
Key words: ew titanium alloy; ensile specimen; pinhoe shape; finite element metod; structural parameter
我国从事钛的开发研究和生产已走过了近半个世纪,与美、日、俄相比起步并不算太晚,但因为经济发
展水平等多方面因素的影响,进展速度较缓慢,钛和钛白的生产曾长时间处于停滞不前的徘徊状态.近年
来随着我国经济的快速发展,钛和钛白生产取得了较大的进展,并开始形成一定规模,钛合金材料民用成
效显著,80%的钛合金材料用于民用工业,应用范围涉及石油化工、氯碱、制盐、制药、治金、电力、轻纺、体
育用品、工艺美术品、医疗器械、人造外科植入物等十几个行业,其经济效益和社会效益十分显著
通常改善钛合金机械性能的方式主要有2种,即合金化和加工工艺2
合金化是提高材料强度的基础(如固溶强化、时效强化),同时可以获得有序结构(如TAI金属问化
合物),也决定了合金的大多数物理性能(如密度、弹性模量、热膨胀系数),并在很大程度上控制了材料的
化学抵抗能力(腐蚀、氧化)
作者简介:苗德华(1957-),男,教授,T学博士.E-mail:miaodh126.com
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第1期
苗德华,等:销孔形状近似椭圆的新型钛合金拉伸试件的设计及应用
通过热加工处理,钛合金可以得到不同的显微组织,以便获得最优的强度(固溶强化、弥散强化、细晶
强化、织构强化)、塑性、韧性、超塑性、抗应力、腐蚀性能和抗蠕变性等,这取决于最终应用对某些特殊性能
的要求3
弹性、强度、塑性、应变硬化和韧性等是评价材料优劣的重要指标.在工程应用中,拉伸性能是结构静
强度设计的主要依据.因此,在研究新材料、合理使用现有材料以及改善其力学性能时,都要测定材料的拉
伸性能.
新型钛合金在经退火处理后变硬、变脆的情况下[4,为了保证准确地测试出其机械性能,将试件的圆
柱销孔改为近似椭园的形状],应用有限元方法模拟试件在拉伸过程的实际情况,对其应力分布进行了
分析,并应用所设计的试件进行拉伸实验,测试其机性能
1销孔式拉伸试件在实验过程中出现的问题
销孔式拉伸试件具有相应的定位装置{?,虽然可以保证实验过程中试件真正受到轴向拉伸,且试件装卡
部分与实验机卡头不再发生相对滑动,但由于试件销孔处存在严重的应力集中,当拉力达到一定数值时,销
孔处产生断裂等新的问题?.图1为因拉伸而断裂的试件.图2所示为完整圆孔有限元分析所得结果.
3.0)3.54.04.55.05.56.0
销孔半径/mm
图1销孔断裂的试件
图2销孔半径与最大应力的关系
Fig. I Specimen of pinhole fracture
Fig2 Curve of the radius of pinhole and
the maximum stress
2试件销孔形状的改进
众所周知:孔板结构的应力集中现象,随着孔的曲率半径的增大,而得到缓解,相应其最大应力也随之
降低.根据这一特性,提出了将试件的圆柱销孔改为近似椭圆的形状,通过减小应力集中因数,实现降低最
大应力的目的.为此,作了以下探讨
2.1圆孔十相切弧线式销孔形状的结构设计
从完整圆孔式结构分析可知,圆孔半径为4mm时,销孔处应力集中因数最小.在此结论基础上,试图
通过改变销孔形状来满足实验要求.根据曲率半径与应力集中因数的关系,即曲率半径增大,应力集中因
数减小,二者成倒数关系.由这一特性,在不改变整体尺寸的情况下,为了使圆柱销与销孔之间能够良好地
接触,提出将完整园孔改为圆孔+相切弧线式,这就相当于增大了曲率半径,减小应力集中因数,但此形状
并非理论上的椭圆.因为如果将销孔形状设计为椭圆形,为使销子与销孔配合,销子应为椭圆销,这样会增
加加工难度及带来诸多不便
园孔十相切弧线式结构是通过以下方式实现的:①取半径为r=4mm的圆为基圆,以过圆心的竖直
线为轴线;②在圆上取2点关于轴线对称,且使得2点距离为2a;③分别过2切点作2条竖直线,使其将
整圆分成2个半圆(此时所取半圆非完整半圆),以轴线为中心,将2半圆向2边各移动m距离,使得初始
所取