一种适用于金属材料拉弯变形的微观组织观测装置

摘要

本发明涉及一种适用于金属材料拉弯变形的微观组织观测装置，属于金属塑性成形领域。一种适用于金属材料拉弯变形的微观组织观测装置，包括机械拉伸模块、力学测试模块和弯曲模块；待测试样的中心位于弯曲模块中弯曲辊的上方，两侧自弯曲模块中的转动轮一和转动轮二的下方穿过并通过机械拉伸模块中的夹头一和夹头二夹持试样的两端，对试样两端同时施加拉伸载荷，试样在弯曲辊位置发生弯曲变形，通过显微设备测得试样弯曲变形区的微观变形场特征，同时通过力学测试模块获取试样在对应变形条件下的宏观力学性能参数。本发明能够实现金属拉弯过程中，最大变形区的视场原位观察，并通过力学传感器与位移传感器，建立材料的宏观力学性能。

说明书

技术领域

本发明涉及金属塑性成形领域，特别涉及一种适用于金属材料拉弯变形的 微观组织观测装置。

背景技术

微(介观)塑性成形技术，由于具有高效率、低成本、大批量、高精度、 高密集、短周期、无污染、净成形等一些特有的优点，生产的零件具有高强 度、高精度、高质量等特点，已成为研究领域和业界的新热点。介观尺度下 材料组织非均匀性及其微观变形特性，对材料宏观力学性能产生影响。尤其 是介观成形下的多相金属材料，由于软、硬微观组织的存在，其微观组织的 非均匀性愈加明显。因此，多相金属材料在介观塑性成形过程中，研究微观 软、硬相组织如何发生非均匀变形，如何对宏观变形场产生影响，从而指导 介观尺度下薄板塑性成形工艺，是解除制约微成形技术应用的关键之一。

中国专利公开号为CN102346117A(名称为扫描电镜下微弧度级精度原 位扭转材料力学性能测试装置)，通过精密加载单元、精密信号检测及控制单 元、夹持单元及连接单元组成；在各类成像仪器的观测下开展针对三维宏观 试件的跨尺度原位扭转测试以及扭转作用下的微观变形和损伤过程进行原位 观察。该专利主要是针对纤维类试样的测试，采用主动轮转动和被动轮固定 的方式进行测试，比较适合转动类零件原位测试。但对于拉弯模式的金属微 观力学研究并不适用。

中国专利公开号CN102033003A(名称为基于原位观察的薄板动态拉伸 试验方法)，该专利采用加工有两个对称的圆弧凹面的试样，能够最大程度的 消除应力集中，而加工的斜面，实际上是由多个截面组成的表面，能够将试 样的内部乃至中心部位转移至观察面上，因此在拉伸时，通过同时观察试样 表面和斜面的变化，实现了薄板动态拉伸的近似三维在线观察。主要是针对 薄板动态拉伸实验进行宏观几何变化的原位观察，而对于拉弯模式的金属微 观力学研究并不适用。

中国专利公开号CN103575593A(名称为一种介观尺度金属材料单向拉 伸原位观察装置)，该装置主要采用单向拉伸分析金属的最大变形区的微观变 形场。研究不同变形程度条件下的微观结构变化特征，建立宏观变形条件下微 观尺度的变形场特征，同时通过力测试模块和位移测试模块获取对应变形条件 下宏观力学性能参数。但该装置不能测试弯曲变形过程中的金属微观变形场 特性。

因此，设计一种适用于金属材料拉弯变形的微观组织观测装置，用于分析 拉弯的微观变形场，宏观力学性能，以及宏观-微观间的对应关系，研究微观 软、硬相组织如何发生非均匀变形，如何对宏观变形场产生影响，不同拉伸力 作用情况下材料的微观组织结构与变形损伤机制的相关性规律，具有重要意 义。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提供了一种适用于金属材料拉弯变形 的微观组织观测装置，能够实现金属拉弯过程中，最大变形区的视场原位观 察，并通过力学传感器与位移传感器，建立材料的宏观力学性能，实现了材料 微观组织变化的实时在线观察，建立宏观力学与微观组织变形场的一一对应 关系。

本发明的目的是这样实现的：

一种适用于金属材料拉弯变形的微观组织观测装置，其特征在于，包括 机械拉伸模块、力学测试模块和弯曲模块；

所述机械拉伸模块包括左右对称安装在底座上并可沿底座滑动的滑块一 和滑块二，以及驱动滑块一和滑块二进行相向/相背运动的驱动机构；所述滑 块一和滑块二的顶部分别安装有呈左右对称的夹头一和夹头二，用于分别夹 住试样的两端；

所述力学测试模块包括分别安装在夹头一和夹头二上的力测试系统以及 分别安装在滑块一和滑块二上的位移测试系统；所述力测试系统用于分别探 测试样拉伸时夹头一和夹头二所用的力；所述位移测试系统用于探测滑块一 和滑块二的移动距离；

所述弯曲模块包括横跨在底座中心前后两侧的门形框支架，所述门形框 支架的顶部中心向上垂直凸伸出具有尖顶部的弯曲辊，在弯曲辊的上方悬空 安装有放置显微设备的显微定位组件，所述门形框支架的顶部还安装有升降 机构，该升降机构具有两块分别位于门形框支架顶部的前后两端的升降立板， 垂直贯穿两块升降立板设置有相互平行且沿弯曲辊左右对称的转动轮一和转 动轮二；

待测试样的中心位于弯曲辊的上方，两侧自转动轮一和转动轮二的下方 穿过并通过夹头一和夹头二夹持试样的两端，驱动机构对试样两端同时施加 拉伸载荷，试样在弯曲辊位置发生弯曲变形，通过显微设备测得试样弯曲变 形区的微观变形场特征，同时通过力学测试模块获取试样在对应变形条件下 的宏观力学性能参数。

其中，所述驱动机构包括直流伺服电机和双向传动丝杠，直流伺服电机 安装在底座的一端部，双向传动丝杠安装在底座的中心轴上并分别与滑块一 和滑块二相连；所述直流伺服电机驱动双向传动丝杠，进而带动滑块一和滑 块二在底座上作等速相向/相背运动。

其中，所述底座上设有沿其中心轴呈前后对称的滑道，所述滑块一和滑 块二安装在滑道上，并可沿滑道作相向/相背运动。

其中，所述力测试系统包括分别安装在夹头一和夹头二上的力传感器一 和力传感器二，以及分别与力传感器一和力传感器二相连的力数据采集卡； 所述位移测试系统包括分别安装在滑块一上的位移传感器以及与位移传感器 相连的位移数据采集卡。

其中，所述升降机构通过安装在两块升降立板下方的液压系统驱动两块 升降立板作升降运动。

其中，所述液压系统包括设置于升降机构底部的油箱，平行设置于油箱 上方的油缸一，以及分别设置于两块升降立板下方的油缸二，所述油箱与油 缸一和油缸二之间分别通过单向阀一和截止阀相通，所述油缸一和油缸二之 间通过单向阀二相通；

所述单向阀一和单向阀二通过控制把手发生联动；向上提升控制把手， 单向阀一打开，单向阀二关闭，油箱中的液压油进入油缸一；向下按压控制 把手，单向阀一关闭，单向阀二打开，油缸一中的液压油进入油缸二，两块 升降立板上升，使得转动轮一和转动轮二自初始位置开始升高；打开截止阀， 卸除油缸二中的液压油，两块升降立板下降，使得转动轮一和转动轮二恢复 到初始位置。

其中，所述转动轮一和转动轮二在初始位置时，转动轮一和转动轮二的 下边沿与夹头一和夹头二的夹持面保持在同一水平高度上。

其中，所述弯曲辊的尖顶部高于转动轮一和转动轮二的下边沿，且弯曲 辊的尖顶部作倒圆角处理。

其中，显微定位组件上开有用于放置显微设备的凹槽圆孔，该凹槽圆孔 具有左右上下微调的功能，凹槽圆孔的圆心正对弯曲辊的尖顶部。

其中，所述弯曲辊通过螺栓与门形框支架实现可拆卸安装。

本发明的有益效果为：本发明可用于观测金属材料拉弯变形时的宏观力 学性能，介观尺度金属材料塑性变形时的微观变形场变形特征，同时还可以 建立宏观力学、微观变形场、材料属性多者之间的对应关系，为研究不同拉 弯力作用情况下材料的微观组织结构与变形损伤机制的相关性规律提供相应 的方法。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明中升降机构的结构示意图。

图3为本发明中液压系统的结构示意图。

图4为本发明中力学测试模块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明。

如图1所示，一种适用于金属材料拉弯变形的微观组织观测装置，其特 征在于，包括机械拉伸模块、力学测试模块和弯曲模块。

机械拉伸模块包括左右对称安装在底座11上并可沿底座11滑动的滑块 一21和滑块二22，以及驱动滑块一21和滑块二22进行相向/相背运动的 驱动机构23。滑块一21和滑块二22的顶部分别安装有呈左右对称的夹头一 24和夹头二25，用于分别夹住试样的两端。

其中，驱动机构23具体由直流伺服电机231和双向传动丝杠232组成， 直流伺服电机231安装在底座11的一端部，双向传动丝杠232安装在底座 11的中心轴上并分别与滑块一21和滑块二22相连。直流伺服电机231驱 动双向传动丝杠232，进而带动滑块一21和滑块二22在底座11上作等速 相向/相背运动。

为便于滑块一21和滑块二22在底座11上滑动，底座11上设有沿其中 心轴呈前后对称的滑道12，滑块一21和滑块二22安装在滑道12上可沿滑 道12作相向/相背运动。

如图4所示，力学测试模块包括分别安装在夹头一24和夹头二25上的 力测试系统以及分别安装在滑块一21和滑块二22上的位移测试系统。其中， 力测试系统用于分别探测试样拉伸时夹头一24和夹头二25所用的力，具体 包括分别安装在夹头一24和夹头二25上的力传感器一31和力传感器二32， 以及分别与力传感器一31和力传感器二32相连的力数据采集卡33。位移测 试系统则用于探测滑块一21和滑块二22的移动距离，具体包括分别安装在 滑块一21上的位移传感器34以及与位移传感器34相连的位移数据采集卡 35。

如图1和图2所示，弯曲模块包括横跨在底座11中心前后两侧的门形 框支架41，门形框支架41的顶部中心向上垂直凸伸出具有尖顶部的弯曲辊 42，在弯曲辊42的上方悬空安装有放置显微设备的显微定位组件43，门形 框支架41的顶部还安装有升降机构44，该升降机构44具有两块分别位于门 形框支架41顶部的前后两端的升降立板441，垂直贯穿两块升降立板441 设置有相互平行且沿弯曲辊42左右对称的转动轮一442和转动轮二443。

其中，弯曲辊42的尖顶部高于转动轮一442和转动轮二443的下边沿， 且弯曲辊42的尖顶部作倒圆角处理。为便于弯曲辊42的更换与安装，弯曲 辊42具体可通过螺栓与门形框支架41进行可拆卸安装。

为便于实现显微设备快速且精准地定位到试样的中心位置，显微定位组 件43上开有用于放置显微设备的凹槽圆孔431，该凹槽圆孔431具有左右 上下微调的功能，且凹槽圆孔431的圆心正对弯曲辊42的尖顶部。

本装置中，升降机构44具体通过安装在两块升降立板441下方的液压 系统45驱动两块升降立板441作升降运动。液压系统45如图3所示，具体 包括设置于升降机构44底部的油箱451，平行设置于油箱451上方的油缸 一452，以及分别设置于两块升降立板441下方的油缸二453。油箱451与 油缸一452和油缸二453之间分别通过单向阀一454和截止阀456相通， 油缸一452和油缸二453之间通过单向阀二455相通。单向阀一454和单 向阀二455通过控制把手457发生联动，具体为：当向上提升控制把手457 时，单向阀一454打开，单向阀二455关闭，油箱451中的液压油进入油缸 一452；当向下按压控制把手457时，单向阀一454关闭，单向阀二455 打开，油缸一452中的液压油进入油缸二453，两块升降立板441上升，使 得转动轮一442和转动轮二443自初始位置开始升高；当打开截止阀456 时，卸除油缸二453中的液压油，两块升降立板441下降，使得转动轮一 442和转动轮二443恢复到初始位置。

当转动轮一442和转动轮二443在初始位置时转动轮一442和转动轮 二443的下边沿与夹头一24和夹头二25的夹持面保持在同一水平高度上。

使用时，将待测试样的中心位于弯曲辊42的上方，两侧自转动轮一442 和转动轮二443的下方穿过并通过夹头一24和夹头二25夹持试样的两端， 驱动机构23对试样两端同时施加拉伸载荷，试样在弯曲辊42位置发生弯曲 变形，通过显微设备测得试样弯曲变形区的微观变形场特征，同时通过力学 测试模块获取试样在对应变形条件下的宏观力学性能参数。

实施例：

以厚度0.5mm的DP590钢作为研究对象，测试过程具体包括以下几个 步骤：

1)试样制备：将DP590钢板采用线切割0.5mm以上，然后磨至0.5mm 厚，采用硝酸酒精溶液进行金相腐蚀。

2)升降机构安装：将升降机构通过螺栓安装在门框形支架的顶部；接着 先通过液压系统将转动轮一和转动二调至初始位置，即转动轮一和转动轮二 的下边沿与夹头一和夹头二的夹持面保持在同一水平高度上；然后再通过液 压系统将转动轮一和转动轮二进行升高，直至转动轮一和转动轮二的下边沿 与安装后的试样的上表面齐平；最后通过固定液压系统中控制把手，使转动 轮一和转动轮二保持在这个高度不变。

3)试样装夹：打开夹头一和夹头二，试样稍微弯曲后，将试样中间进行 金相腐蚀的位置放置在弯曲棍上，试样的两侧则分别从转动轮一和转动轮二 的下侧穿过，最终试样的两端分别通过夹头一和夹头二进行固定夹持；接着， 通过力传感器一和力传感器二对试样进行等额预紧力拉伸，以保证试样在拉 伸时，两端受力均匀，做等速相背运动。

4)显微设备安装：先将显微定位支架安装在门形框支架的顶部，再将显 微设备安装在显微定位支架的凹槽圆孔处，微调凹槽圆孔，使得显微设备可 以观察试样中部的金相组织。

5)试样测试：开启直流伺服电机带动双向丝杠转动，从而带动滑块在底 座的滑道上作等速相背运动，即使得夹头一和夹头二沿相反方向作等速运动。 由于弯曲辊的倒圆角处高于拉伸平面，夹头一和夹头二分别向两侧运动，带 动试样拉伸，使得试样在弯曲辊倒圆角处发生弯曲变形。力传感器一和力传 感器二分别测量拉伸试样时夹头一和夹头二所用的力，并将数据通过力数据 采集卡储存；若夹头一和夹头二所用的力相差大于一定值后，应暂停试样拉 伸，通过调整试样，保证两端拉伸的力尽可能大小相等。位移传感器测量滑 块一和滑块二之间的移动位移，并将位移数据经位移数据采集卡储存处理。 最终，通过连接电脑，可将力数据采集卡和位移数据采集卡中的数据导出至 电脑中，绘制出相应的力-位移图形，建立宏观力学关系。

6)微观组织获取：DP590钢的金相组织变化通过显微设备获取和保存， 并通过成像设备进行实时观测和记录。

在整个测试过程中，裂纹产生、长大和扩展方式等微观现象可以借助显微 镜等显微成像设备进行实时监测，并结合调试软件获得测试的力-位移图像，从 而建立对应拉伸作用力下的金属金相组织等微观组织的变化，得到宏观力学 与微观组织变形场的一一对应关系。