一種異種材料結(jié)合過程中結(jié)合強度的測試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及材料強度檢測技術(shù)，特別是針對異種材料結(jié)合過程測試結(jié)合強度的方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 異種材料熱結(jié)合過程主要通過熱乳制方法和擴散焊接方法，以得到強度較大，結(jié) 合率較高的穩(wěn)定結(jié)合界面。在目前的實驗研究以及測試研究中，界面結(jié)合強度研究以及強 度測量方法局限于結(jié)合反應(yīng)完成后，界面組織溫度回歸常溫，界面兩側(cè)金屬擴散充分后，檢 測界面冷態(tài)強度以及結(jié)合效果。這就使得異種材料在結(jié)合過程中的界面強度無法獲悉，只 能通過簡單公式預(yù)測或進行遞推。本發(fā)明是對于異種材料結(jié)合過程，界面熱態(tài)結(jié)合強度進 行準(zhǔn)確檢測。
[0003] 熱乳制過程以及擴散焊接過程中，界面結(jié)合強度以及結(jié)合率直接影響到成品復(fù)合 材料結(jié)合界面的強度，特別是對于復(fù)合板熱復(fù)合乳制，組坯真空度、加熱溫度、乳制制度以 及熱處理過程都對于界面的結(jié)合有直接影響。目前有學(xué)者利用熱模擬實驗機設(shè)計擴散焊接 的熱模擬實驗，沒有對于復(fù)合乳制過程進行實驗，沒有針對復(fù)合界面熱態(tài)下強度進行實驗 設(shè)計。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種方法簡單、數(shù)據(jù)精確的異種材料結(jié) 合過程中結(jié)合強度的測試方法。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案：一種異種材料結(jié)合過程中結(jié)合強度的測試方法，該方法通過 仿真軟件對異種材料結(jié)合過程進行分析，提取有效結(jié)合參數(shù)并做相應(yīng)簡化；將仿真相關(guān)數(shù) 據(jù)輸入試驗機，設(shè)定"時間-應(yīng)力"的實驗測試曲線，同時設(shè)定拉伸速度輸入測試設(shè)備作為 反應(yīng)參數(shù)；
[0006] 按照Gleeble 3500實驗設(shè)備操作要求進行試樣裝卡，實驗參數(shù)通過輸入試驗機 參數(shù)完成；通過對比實驗過程界面受應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)與實際反應(yīng)過程界面狀態(tài)參數(shù)，對于界 面實際強度參數(shù)進行測試，得到界面的結(jié)合強度參數(shù)，該方法具體包括以下步驟：
[0007] 步驟1.建立模型：
[0008] 利用有限元軟件，按照實際乳制過程，乳板以及乳輥實際尺寸建立仿真模型，
[0009] 輸入測試金屬材料參數(shù)，包括：密度、彈性參數(shù)、塑性參數(shù)、熱膨脹系數(shù)、熱傳導(dǎo)系 數(shù)，
[0010] 按照實際乳制過程，裝配，設(shè)定乳制溫度、乳輥溫度、板坯和乳輥速度，
[0011] 按照軟件要求操作，讀取仿真結(jié)果中乳制穩(wěn)定區(qū)域異種材料界面間節(jié)點應(yīng)力S22 和S12隨時間變化的曲線；
[0012] 步驟2簡化：定義垂直界面方向為Y方向，乳制方向為X方向，與X，Y正交方向為 Z方向。復(fù)合乳制過程以及擴散焊接過程，由于復(fù)合材料寬度遠(yuǎn)大于厚度，故忽略Z方向的 受力情況，簡化為二維受力分析，分別讀取界面應(yīng)力〇￥和τ xy
[0013] σ，卩S22,表示垂直界面的正應(yīng)力，τ xy即S12,表示壓下方向以及乳制方向平面 的剪應(yīng)力數(shù)值最大值，若％> 5 τ xy，則可忽略剪應(yīng)力作用，認(rèn)為界面合力與界面垂直，界 面應(yīng)力大小取〇￥;若σ y<5T xy，則需要對于界面受力〇￥和τ xy進行力的合成，方法是得 到的應(yīng)力值為
，計算合力與界面夾角為
[0014] 對于應(yīng)力隨時間變化的曲線進行簡化，以便輸入試驗機進行熱模擬測試。簡化原 則有：
[0015] (1)界面應(yīng)力與時間的曲線簡化為直線，且須保持界面應(yīng)力極值保持不變，
[0016] ⑵簡化前后，界面應(yīng)力與時間的積分相等；
[0017] 步驟3:試樣準(zhǔn)備
[0018] 將異種材料的金屬分別切割加工成小圓柱，尺寸為?10X55mm，端部長度IOmm套 螺紋，根據(jù)步驟2得到界面夾角為β，用砂紙將端面與圓柱軸線的角度打磨至界面夾角 β ;
[0019] 步驟4.試驗參數(shù)
[0020] 4. 1試樣連接方式：使用固定式卡頭，將步驟3得到的圓柱試樣進行緊固連接，采 用螺旋旋口的方式進行連接，螺絲旋緊，安裝在測試裝置內(nèi)，壓頭對試樣施加 IMPa預(yù)應(yīng)力， 抽真空至0. 1~IPa，進行等速加熱，加熱速率為< 10°C /s，加熱至900~1200°C ;
[0021] 4. 2保持此時位移不變，進行下壓，下壓采用"時間-應(yīng)力"方式下壓；
[0022] 4. 3下壓完成后，保持此時位移不變，改應(yīng)力控制，施加預(yù)應(yīng)力為l_5MPa，保持 30s ；
[0023] 4. 4保持此時位置不變，改為應(yīng)變控制，設(shè)定拉伸速度0. 001~0. 01/s，進行拉伸， 直到拉斷；
[0024] 步驟5.數(shù)據(jù)讀?。鹤x取拉伸載荷與拉伸應(yīng)變的曲線，定義為曲線1，代表結(jié)合界面 在此溫度以及此種受力作用下的界面結(jié)合強度數(shù)值。對基體材料在此拉伸速度下進行測 試，得到基體材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線，定義為曲線2 ;讀取曲線1最大應(yīng)力值σ 1以及所對應(yīng) 的應(yīng)變ε i，在曲線2中讀出應(yīng)變ε 2所對應(yīng)的應(yīng)力值σ 2,界面的結(jié)合率為4 = 3。
[0025] 本發(fā)明的有益效果是：由于采用上述技術(shù)方案，該方法具有以下特點，
[0026] 1利用仿真軟件可以精確地獲悉異種材料結(jié)合界面在乳制過程中的真實應(yīng)力應(yīng)變 過程，可以實現(xiàn)對不同溫度、乳制速度、壓下率、不同金屬材料以及金屬層厚度比條件下界 面結(jié)合情況。
[0027] 2將界面應(yīng)力與時間的參數(shù)曲線輸入GLEEBLE3500熱模擬試驗機，可以準(zhǔn)確地模 擬界面受力狀態(tài)，并通過對于界面拉伸得到界面結(jié)合強度的應(yīng)力應(yīng)變曲線。
[0028] 3拉伸過程中測量得到的強度為應(yīng)力應(yīng)變曲線，通過對比結(jié)合強度曲線與基體材 料界面拉伸強度曲線進行分析比較，可以準(zhǔn)確預(yù)測界面結(jié)合率以及界面結(jié)合強度。
[0029] 4利用此方法可以快速準(zhǔn)確的預(yù)測結(jié)合界面熱態(tài)強度，從而判斷界面的結(jié)合狀態(tài)。
【附圖說明】
[0030] 圖1為界面應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系曲線不意圖。
[0031] 圖2為基體金屬應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線示意圖。
[0032] 圖3為界面節(jié)點S22隨時間變化關(guān)系圖。
[0033] 圖4為界面節(jié)點S12隨時間變化關(guān)系圖。
[0034] 圖5為界面應(yīng)力簡化示意圖。
【具體實施方式】
[0035] 下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步說明。
[0036] 如1-5所示，本發(fā)明是一種異種材料結(jié)合過程中結(jié)合強度的測試方法，具體包括 以下步驟：
[0037] 步驟1.建立模型：
[0038] 利用有限元軟件，按照實際乳制過程，乳板以及乳輥實際尺寸建立仿真模型；
[0039] 輸入測試金屬材料參數(shù)，包括：密度、彈性參數(shù)、塑性參數(shù)、熱膨脹系數(shù)、熱傳導(dǎo)系 數(shù)，
[0040] 按照實際乳制過程，裝配，設(shè)定乳制溫度、乳輥溫度、板坯和乳輥速度，
[0041] 按照軟件要求操作，讀取仿真結(jié)果中乳制穩(wěn)定區(qū)域異種材料界面間節(jié)點應(yīng)力S22 和S12隨時間變化的曲線；
[0042] 步驟2簡化：定義垂直界面方向為Y方向，乳制方向為X方向，正交方向為Z方向， 對于乳制過程以及擴散焊接過程，由于復(fù)合材料寬度遠(yuǎn)大于厚度，故忽略Z方向的受力情 況，簡化為二維受力分析，分別讀取界面義〇 ￥和τ xy
[0043] σ ￥即S22,表示垂直界面的正應(yīng)力，τ xy即S12,表示壓下方向以及乳制方向平面 的剪應(yīng)力數(shù)值最大值，若％> 5 τ xy，則可忽略剪應(yīng)力作用，認(rèn)為界面合力與界面垂直，界 面應(yīng)力大小取〇y;若〇 xy，則需要對于界面受力％和τ xy進行力的合成，根據(jù)以下 公式
求出合應(yīng)力，計算合力與界面夾角為
將界面應(yīng)力與時間的 曲線進行簡化，以輸入試驗機進行實驗，簡化原則為：
[0044] (1)保持界面最大應(yīng)力值不變
[0045] (2)簡化前后應(yīng)力與時間的積分差異小于5%
[0046] 步驟3 :試樣準(zhǔn)備
[0047] 將異種材料的金屬分別切割加工成小圓柱，尺寸為?10X55mm，端部長度IOmm套 螺紋，根據(jù)步驟2得到界面夾角為β，用砂紙將端面與圓柱軸線的角度打磨至界面夾角 β ;
[0048]