高通量平面应变试样的制备装置及方法与流程

1.本发明涉及材料应变测试技术领域，具体而言，涉及一种高通量平面应变试样的制备装置及方法。


背景技术：

2.热轧工艺对产品的再结晶体积分数、晶粒尺寸、织构等组织具有重要影响，热轧板材的组织均匀性和稳定性直接决定了热轧成品率、产品成形性能、表面质量和力学性能。
3.目前，通常采用模拟实验机对测试件进行不同速率以及不同应变量的塑性压缩，以观察测试件在不同应变速率以及不同应变量下的微观组织。但是，采用现有的模拟实验机对测试件进行压缩试验，每次试验的单次压缩，只能获取测试件在一个应变速率、一个应变量下的微观组织结构，如果需要获取不同应变量下的微观组织结构，就需要对测试件进行多次压缩、试验，如此造成试验效率低。


技术实现要素：

4.本发明提供一种高通量平面应变试样的制备装置及方法，以解决现有技术中的每次试验只能获取测试件在一个应变速率、一个应变量下的微观组织结构的问题。
5.根据本发明的一个方面，提供了一种高通量平面应变试样的制备装置，其包括：主体部，主体部具有容纳腔，容纳腔具有相对设置的第一接触面和第二接触面，容纳腔用于放置测试件，测试件位于第一接触面和第二接触面之间；压缩组件，压缩组件包括承载部和挤压部，承载部可拆卸地设置在主体部上，承载部部分位于容纳腔内，挤压部可移动地设置在容纳腔内，并与承载部配合以压缩测试件，使测试件沿测试件的长度方向延伸，挤压部的朝向承载部的端部设置有斜压面，斜压面为斜面，斜压面的延伸方向与承载部的长度方向具有夹角；淬火部，淬火部可拆卸地设置在主体部上，淬火部具有淬火槽，淬火槽对应挤压部设置，淬火槽用于对测试件进行淬火处理，主体部可选择地与承载部或淬火部连接。
6.进一步地，挤压部的朝向承载部的端部还设置有定位结构，定位结构用于固定测试件在承载部上的位置，沿斜压面的延伸方向，斜压面具有相对设置的第一端和第二端，定位结构设置在斜压面的第一端，斜压面与承载部之间的间隔由斜压面的第一端至斜压面的第二端逐渐增大。
7.进一步地，定位结构包括定位面，定位面为平面。
8.进一步地，挤压部上设置有两个斜压面，两个斜压面以挤压部的在长度方向的中线对称设置，定位结构位于两个斜压面之间。
9.进一步地，斜压面的倾斜角度设置在15
°
至45
°
之间。
10.进一步地，挤压部与主体部间隙配合，挤压部的其中一个侧面与第一接触面之间的间隙小于或等于0.5mm；和/或，挤压部的另一个侧面与第二接触面之间的间隙小于或等于0.5mm。
11.进一步地，承载部的靠近挤压部的一端的端面形状与挤压部的靠近承载部的一端
的端面形状对称设置。
12.进一步地，制备装置还包括：对中机构，位置可调地设置在主体部上，对中机构与测试件抵接，对中机构用于调整测试件在主体部内的位置。
13.进一步地，对中机构包括：两个定位件，两个定位件对称地设置在主体部上，且一个定位件的一端穿设在容纳腔内并与测试件的一端抵接，另一个定位件的一端穿设在容纳腔内并与测试件的另一端抵接；弹性件，位于容纳腔的外侧，且弹性件的两端分别与两个定位件连接。
14.进一步地，定位件包括：定位框，位于主体部的外侧，弹性件的两端分别与两个定位框连接；定位柱，定位柱的一端依次穿过定位框和主体部并与测试件抵接，定位柱相对定位框的位置可调，定位柱具有相对定位框位置可调的调节状态和相对定位框固定的锁紧状态。
15.进一步地，定位件还包括：调节螺母，调节螺母设置在定位框上，定位柱与调节螺母螺纹连接，定位柱的一端依次穿过调节螺母、定位框和主体部并与测试件抵接。
16.根据本发明的另一方面，提供了一种高通量平面应变试样的制备方法，该制备方法应用上述中的制备装置，制备方法包括以下步骤：步骤1，将测试件放置到容纳腔内；步骤2，设定挤压部的预设移动量，对带有测试件的制备装置进行加热，通过挤压部对测试件进行挤压，直至挤压部移动至预设移动量；步骤3，将制备装置的将主体部从承载部上拆除，并将主体部安装在淬火部上，继续通过挤压部向测试件施加压力，使测试件与主体部分离并落入到淬火部的淬火槽内；步骤4，对测试件进行淬火处理。
17.应用本发明的技术方案，挤压部对测试件进行压缩时，通过第一接触面和第二接触面能够对测试件的宽度方向进行约束，使得测试件变薄的同时，只能沿其自身的长度方向延伸，压缩结束后，对测试件进行淬火处理后即可得到应变试验的样品。通过在装置上设置斜压面，可以利用该斜压面压缩测试件，使测试件表面形成压缩斜面，并且沿测试件的长度方向，测试件上各点的应变速率均保持一致，但是各点的应变量不同。如此设置，仅通过对测试件进行一次压缩处理即可获得测试件在同一应变速率、不同应变量下的微观组织结构，大大提高了试验效率。
附图说明
18.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1示出了本发明实施例一提供的主体部与承载部配合的结构示意图；图2示出了本发明实施例一提供的主体部与淬火部配合的结构示意图；图3示出了本发明实施例一提供的制备装置的俯视图；图4示出了使用本发明实施例一提供的制备装置压缩的测试件的结构示意图；图5示出了测试件的压缩斜面上的a点与b点的应变量的结构示意图；图6示出了本发明实施例一提供的制备装置的主视图；图7示出了本发明实施例一提供的制备装置的剖视图；图8示出了本发明实施例一提供的不同间隙下轧向应变分布与实际结果对比；图9示出了本发明实施例二提供的将测试件放置到容纳腔内的状态示意图；
图10示出了本发明实施例二提供的测试件处于压缩状态的示意图；图11示出了本发明实施例二提供的主体部与承载部分离的状态示意图；图12示出了本发明实施例二提供的主体部与淬火部配合的状态示意图。
19.其中，上述附图包括以下附图标记：10、主体部；101、容纳腔；21、承载部；22、挤压部；221、斜压面；222、定位面；23、加强部；231、避让槽；30、淬火部；31、淬火槽；41、定位件；411、定位框；412、定位柱；413、调节螺母；42、弹性件；1、测试件。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.如图1至图7、图9至图12所示，本发明实施例一提供了一种高通量平面应变试样的制备装置，其包括主体部10、压缩组件和淬火部30。其中，主体部10具有容纳腔101，容纳腔101具有相对设置的第一接触面和第二接触面，容纳腔101用于放置测试件1，测试件1位于第一接触面和第二接触面之间。压缩组件包括承载部21和挤压部22，承载部21可拆卸地设置在主体部10上，承载部21部分位于容纳腔101内，挤压部22可移动地设置在容纳腔101内，并与承载部21配合以压缩测试件1，使测试件1沿测试件1的长度方向延伸，挤压部22的朝向承载部21的端部设置有斜压面221，斜压面221为斜面，斜压面221的延伸方向与承载部21的长度方向具有夹角。具体在本实施例中，挤压部22沿竖直方向移动，斜压面221与水平面具有夹角。淬火部30可拆卸地设置在主体部10上，淬火部30具有淬火槽31，淬火槽31对应挤压部22设置，淬火槽31用于对测试件1进行淬火处理，主体部10可选择地与承载部21或淬火部30连接。并且，本方案中，容纳腔101的延伸方向与测试件1的延伸方向相同，容纳腔101的长度大于测试件1的长度以为测试件1的压缩变形提供避让空间。
22.应用本发明的技术方案，挤压部22对测试件1进行压缩时，通过第一接触面和第二接触面能够对测试件1的宽度方向进行约束，使得测试件1变薄的同时，只能沿其自身的长度方向延伸，压缩结束后，对测试件1进行淬火处理后即可得到应变试验的样品，对测试件1进行淬火处理后，将测试件1切割成两部分，并使上述两个部分沿测试件1的宽度方向的中垂线对称设置，此时上述两个部分分别具有一个切割面，之后，在切割面上间隔地取多个检测点，并测试各个检测点的微观组织结构即可。通过在装置上设置斜压面，可以利用该斜压面压缩测试件1，使测试件1表面形成压缩斜面，并且沿测试件1的长度方向，测试件1上各点的应变速率均保持一致，但是各点的应变量不同。如此设置，仅通过对测试件1进行一次压缩处理即可获得测试件1在同一应变速率、不同应变量下的微观组织结构，大大提高了试验效率。
23.如图4和图5所示，挤压部22以速度v匀速地对测试件1施加作用力，且该作用力的
方向与测试件1的长度方向垂直，当挤压部22将测试件1压缩至平面应变状态后，测试件1的与挤压部22接触的一面形成压缩斜面，压缩斜面的倾斜角度与斜压面221的倾斜角度均为
ɑ
。a点为压缩斜面上应变量最大一个点，即a点为压缩斜面的起点，b点为压缩斜面上的任意一点，b点与a点沿测试件1的长度方向间隔设置，b点到a点的水平距离为l
x
，如果a点的垂向压缩量为h0，则b点的压缩量h
x
与a点压缩量h0存在以下关系：h
x
=h
0-l
x
tan
ɑ
(1)压缩斜面上b点的工程应变可表示为：
ɛ
x
=h
x
/h=(h
0-l
x
tan
ɑ
)/h(2)压缩斜面上b点的压缩时间t
x
可表示为：t
x
=h
x
/v=(h
0-l
x
tan
ɑ
)/v(3)压缩斜面上b点的工程应变速率表示为
έ
x
：
έ
x=
ɛ
x
/t
x
=h/v（4）根据等式（2）可知压缩斜面上任意一点的应变
ɛ
x
与
ɑ
有关，当斜压面221的角度
ɑ
确定后，b点到a点的水平距离为l
x
部位的应变
ɛ
x
只与l
x
有关，且随着l
x
的增大，
ɛ
x
逐渐减小。
24.由等式（4）可知，当压缩速度v一定时，对于测试件1上的任意一点，在垂向方向的应变速率与该点到压缩斜面的起点的水平距离l
x
无关。
25.因此，通过本方案提供的制备装置，对同一测试件1进行一次压缩实验，即可获得该测试件1在相同应变速率下连续且线性变化的应变量，并能够获取该测试件1在相应状态下的微观组织结构，测试效率高。
26.进一步地，挤压部22的朝向承载部21的端部还设置有定位结构，定位结构用于固定测试件1在承载部21上的位置，沿斜压面221的延伸方向，斜压面221具有相对设置的第一端和第二端，定位结构设置在斜压面221的第一端，斜压面221与承载部21之间的间隔由斜压面221的第一端至斜压面221的第二端逐渐增大。如此设置，能够避免对测试件1进行压缩的过程中，测试件1发生偏移的情况，保证压缩过程的顺畅性。并且采用本方案的制备装置对测试件1进行压缩时，斜压面221的第一端首先与测试件1接触，因此，测试件1的对应斜压面221的第一端的位置处的垂向位移量最大，且测试件1的流动方向与斜压面221的第一端至斜压面221的第二端的方向相同。本方案中，将固定结构设置在斜压面221的第一端，能够避免对测试件1的流动产生干涉，保证压缩过程的顺畅性。
27.如图5所示，定位结构包括定位面222，定位面222为平面。具体地，定位面222与斜压面221顺次连接。如此设置，定位面222与斜压面221同步移动，定位面222能够对测试件1的与斜压面221的第一端的相对应的位置进行限定，保证测试件1的压缩斜面形成的稳定性，同时，定位面222和斜压面221均设置在挤压部22上，方便对挤压部22的加工成型。另外，在压缩初始阶段，定位面222首先和测试件1接触，如此能够增加挤压部22与测试件1之间的接触面积，避免压缩过程中，测试件1发生断裂的现象，保证压缩过程的顺畅性。
28.进一步地，挤压部22上设置有两个斜压面221，两个斜压面221以挤压部22的在长度方向的中线对称设置，定位结构位于两个斜压面221之间。在本实施例中，定位面222位于两个斜压面221之间，具体对测试件1进行压缩时，将测试件1的中间部位与定位面222相对设置，这样能够保证在压缩的过程中，测试件1的中心位置不会发生偏移，且测试件1的两端的受力状态保持一致，保证测试件1的压缩斜面形成的稳定性，进而能够保证测试结果的准
确性以及可靠性。
29.具体地，斜压面221的倾斜角度设置在15
°
至45
°
之间。当斜压面221的倾斜角度小于15
°
时，测试件1被压缩后，沿其自身的长度方向上的应变变化量较小，因此，想要制备测试件1大应变量范围的组织结构时，需增加整个挤压部22和承载部21的长度，甚至需要延长整个装置的长度以容纳测试件1，如此，便会增加制备装置的生产成本，并且需要增大压力机吨位；当斜压面221的倾斜角度大于45
°
时，斜面在沿测试件1的长度方向压力分量超过垂向压力分量，试样长度方向拉伸作用导致的压缩试样变薄作用，超过垂向压力分量导致的试样变薄作用，试样在宽度上会出现收缩，平面应变不再满足，因此本方案将斜压面221的倾斜角度设置在上述范围内，既能保证整个装置的结构的紧凑性，节约装置的制造成本，也能够保证测试结果的准确性。
30.如图6和图7所示，挤压部22与主体部10间隙配合，挤压部22的其中一个侧面与第一接触面之间的间隙小于或等于0.25mm；和/或，挤压部22的另一个侧面与第二接触面之间的间隙小于或等于0.25mm。具体在对测试件1进行压缩实验时，保证测试件1的两侧与第一接触面、第二接触面之间的间隙分别与挤压部22的两侧与第一接触面、第二接触面之间的间隙相等。如图8所示，当双侧间隙之和小于等于0.5mm时，垂向-轧向应变关系与理想平面应变结果吻合度高，当双侧间隙之和大于0.5mm时，压缩结束后，测试件1沿其自身的宽度方向伸长过多，无法保证测试件1处于平面应变状态，进而使得模拟的应变分布与实际应变分布相差较大，模拟结果的可靠性低。具体地，挤压部22的两个侧面与第一接触面以及与第二接触面之间的间隙相等，该间隙具体可为0.25mm、0.2mm、0.1mm，本实施例中，该间隙为0.25mm。
31.如图9所示，承载部21的靠近挤压部22的一端的端面形状与挤压部22的靠近承载部21的一端的端面形状对称设置。对切割后的测试件1进行取点时，取切割面的高度方向的中垂线上的点作为测试点。上述结构的设置，能够保证在压缩过程中，测试件1的朝向挤压部22的一侧与测试件1的朝向承载部21的一侧受力的一致性，进而能够保证测试件1的沿其自身的长度方向变形的一致性，保证测试件1内部的微观组织结构变化的稳定性，保证测试结果的可靠性。
32.进一步地，制备装置还包括对中机构，对中机构位置可调地设置在主体部10上，对中机构与测试件1抵接，对中机构用于调整测试件1在主体部10内的位置。通过对中机构，能够保证将测试件1放置到容纳腔101内后，测试件1的中心与平压面的中心相对应，进而能够保证测试件1的两端受力的一致性。另外，在压缩测试件1的过程中，可能出现测试件1的中心位置发生偏移的情况，对中机构也能够在压缩测试件1的过程中，对测试件1的位置进行微调，保证测试件1的中心位置的稳定性，进而以保证测试件1的压缩斜面形成的顺畅性，使得测试件1的组织结构均匀、连续地发生变化，保证测试结果的可靠性。
33.如图1和图3所示，对中机构包括两个定位件41和弹性件42。其中，两个定位件41对称地设置在主体部10上，且一个定位件41的一端穿设在容纳腔101内并与测试件1的一端抵接，另一个定位件41的一端穿设在容纳腔101内并与测试件1的另一端抵接；弹性件42位于容纳腔101的外侧，且弹性件42的两端分别与两个定位件41连接。两个定位件41在弹性件42的拉伸力的作用下，分别与测试件1的两个端部弹性压缩接触，以保证测试件1放置到容纳腔101内以及后续压缩过程中，测试件1两个端部分别受到两个定位件41的弹性压缩作用，
保证测试件1的中心位置的稳定性，进而能够实现自动对中的功能。
34.进一步地，定位件41包括定位框411和定位柱412，其中定位框411位于主体部10的外侧，弹性件42的两端分别与两个定位框411连接；定位柱412的一端依次穿过定位框411和主体部10并与测试件1抵接，定位柱412相对定位框411的位置可调，定位柱412具有相对定位框411位置可调的调节状态和相对定位框411固定的锁紧状态。由于不同的测试件1的长度可能不同，具体在对测试件1进行对中时，可根据测试件1的具体长度，调节定位柱412与定位框411的相对位置，使得定位柱412的端部与测试件1的端部抵接设置。上述设置，使得对中机构能够对不同的长度的测试件1进行对中调节，提高了制备装置的适应性。
35.进一步地，当对测试件1进行压缩时，定位柱412处于相对定位框411固定的锁紧状态，主体部10的两端均设置有穿设孔，穿设孔与定位柱412对应设置，定位柱412的一端依次穿过定位框411、穿设孔并与测试件1抵接，定位柱412与主体部10可相对滑动。具体地，定位框411为c形结构，两个定位框411相对设置，主体部10的两个端部分别穿设在两个定位框411内。弹性件42设置有两个，两个弹性件42分别位于主体部10的两侧，弹性件42的两端分别与两个定位框411的相互靠近的端部固定连接。上述设置，使得两个定位框411、两个弹性件42共同形成一个围设在主体部10外周的矩形框体结构，该框体结构能够保证两个定位柱412的受力的均匀性，进而能够提升对测试件1的对中效果。
36.如图1所示，挤压部22的两端均设置有加强部23，加强部23与挤压部22为一体成型结构，挤压部22的宽度小于加强部23的宽度，挤压部22的朝向承载部21的一端凸出加强部23设置。加强部23的设置，能够提升挤压部22的结构强度，避免挤压部22发生变形。加强部23的朝向承载部21的一端设置有避让槽231，避让槽231对应两个定位柱412设置。避让槽231的设置，能够保证挤压部22移动的顺畅性，避免定位柱412干涉挤压部22的移动。
37.进一步地，定位件41还包括调节螺母413，调节螺母413设置在定位框411上，定位柱412与调节螺母413螺纹连接，定位柱412的一端依次穿过调节螺母413、定位框411和主体部10并与测试件1抵接。当对不同长度的测试件1进行压缩测试时，根据测试件1的长度，转动定位柱412，直至定位柱412的端部与测试件1的端部抵接。调节螺母413的设置，其结构简单，且方便调节定位柱412与定位框411之间的相对位置。
38.如图9至图11所示，容纳腔101的底端为阶梯设置的孔段结构，承载部21以及淬火部30均为与该阶梯孔段相适配的阶梯结构。如此设置，能够保证承载部21、淬火部30通过阶梯结构与主体部10卡接，实现主体部10与承载部21的快速拆装，并实现主体部10与淬火部30的快速拆装，进一步提高测试效率。
39.如图9至图12所示，本发明实施例二提供了一种高通量平面应变试样的制备方法，该制备方法应用上述中的制备装置，制备方法包括以下步骤：步骤1，将测试件1放置到容纳腔101内；步骤2，设定挤压部22的预设移动量，对带有测试件1的制备装置进行加热，通过挤压部22对测试件1进行挤压，直至挤压部22移动至预设移动量；步骤3，将制备装置的主体部10从承载部21上拆除，并将主体部10安装在淬火部30上，继续通过挤压部22向测试件1施加压力，直至测试件1与主体部10分离并落入到淬火槽31内；步骤4，对测试件1进行淬火处理。
40.应用本发明的技术方案，挤压部22匀速对测试件1进行压缩时，第一接触面和第二接触面对测试件1的宽度方向进行约束，使得测试件1变薄的同时，沿其自身的长度方向延伸，压缩结束后，对测试件1进行淬火处理。在测试件1被压缩的过程中，通过第一接触面和
第二接触面能够对测试件1的宽度方向进行约束，且沿着测试件1的长度方向，测试件1的应变逐渐变化，但测试件1的应变速率相同。通过本技术提供的制备装置，进行一次压缩实验，即可获取同一测试件1在同一应变速率、不同应变量的状态下的组织结构，与传统的技术方案相比，试验效率高。
41.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
42.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
43.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
44.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
45.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
46.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。