[发明专利]高温高应变率下钛合金材料应力应变曲线测试装置及方法

说明书

本发明属于材料力学性能测试领域，公开了一种高温高应变率下钛合金材料应力应变曲线测试装置及方法，测试装置包括：能量模块、施力模块、变形模块、测量模块和处理模块；能量模块用于提供第一脉冲电流和第二脉冲电流；施力模块用于产生脉冲电磁力；变形模块用于在通入第一脉冲电流后对待测的钛合金试样进行预加热使其达到目标温度，并在脉冲电磁力的作用下使得待测的钛合金试样产生高速的拉伸变形；测量模块用于采集应变和速度数据以及温度数据；处理模块用于根据应变和速度数据以及温度数据获得高温高应变率下钛合金材料应力应变曲线。本发明可以直接获得真实的温度、应变率、应变和应力数据，测试准确度非常高。

技术领域

本发明属于材料力学性能测试领域，更具体地，涉及一种高温高应变率下钛合金材料应力应变曲线测试装置及方法。

背景技术

钛及其合金具有诸多的优点，如低密度、低弹性模量、高比强度、耐腐蚀以及耐高温等，是一种用于航空航天、海洋石油、化工冶金、生物医疗等工程技术及高科技领域中的关键性基础材料。《中国制造2025》等文件中均提出大力推动航空航天、海洋工程等高端装备领域的突破发展，因此对钛合金材料有巨大的需求。

钛合金强度高，延伸率低，成形难度较大，工业中多采用热成形技术加工钛合金零件，目前也有学者采用电磁成形技术以及电磁-热复合成形技术进行加工。加工过程中，钛合金的温度可以达到800℃以上的高温，同时瞬时的脉冲电磁力作用可以使钛合金的应变率达到10³/s以上。钛合金材料在高温下的热效应以及高应变率效应的共同作用下，其成形性能能够得到有效的提升，从而实现钛合金零件的高质量成形加工。因此，准确获取钛合金材料在高温和高应变率下的应力应变曲线，对于其成形加工过程有着重要的指导意义。

现有专利文献CN 109781531 A中提出一种预测材料高温高应变率下的应力应变曲线的方法，采用分子动力学的仿真模拟方法来间接获得应力应变曲线。该专利的核心思想是准确获取材料的仿真参数，即在常温低应变率下，通过对比测试与仿真的结果，迭代优化得到最佳的材料仿真参数，之后采用这组参数在高温高应变率下仿真，获得高温高应变率下的材料应力应变曲线。但这种方式假定了材料的仿真参数不随温度和应变率变化，而实际中材料的参数必然发生变化，因此这也导致了仿真模拟的方法预测得到的材料高温高应变率下的应力应变曲线的准确度低。

采用试验测试方法的测试准确度会高于仿真模拟方法，但现有的试验测试技术仅针对高温或高应变率一种条件下获取金属的应力应变曲线。针对高应变率的有三种方法：霍普金森杆、高速拉伸试验机、电磁成形测试装置。专利文献CN 106872296 A中提出了一种钛合金动态力学性能的测试方法，采用改进后的霍普金森压杆装置提高了测试精度；专利文献CN 108593429 A中提出一种材料高速拉伸应力应变测试设备及方法，通过高速拉伸试验机实现材料的高速拉伸应力应变的测试。霍普金森杆和高速拉伸试验机能够提供较高的应变率，但其变形力为机械力，而钛合金电磁成形中的变形力为电磁力，是非接触施力，且伴随有较大的脉冲电流施加于钛合金材料中，因此测试结果存在较大的误差。专利文献CN102944474 B中提出一种高速率单向拉伸试验装置及方法，通过在拉伸试样下方放置线圈，施加电磁力拉伸试样。但这种方式采用的是感应式的电磁成形方法，线圈需要紧靠试样，整个装置比较复杂，且这种方式中线圈容易损坏，寿命短。

因此，寻求一种能够准确测试钛合金材料在高温和高应变率下的应力应变曲线的装置与方法，对钛合金的电磁-热成形过程的研究极为重要。

发明内容