מנגנון בדיקה חדשנית Biaxial לקביעת גבול יצירת תחת תנאי חם החתמת

Summary

פרוטוקול זה מוצע מערכת בדיקות biaxial רומן בשימוש על התנגדות חימום מכונת בדיקה מתיחה uniaxial כדי לקבוע את הדיאגרמה הגבול להרכיב (FLD) של פח בתנאים בהבלטה חם.

Abstract

ההטבעה החמה התהליך מרווה למות קר משמשת יותר ויותר להקים קומפלקס רכיבים מבניים בצורה של פח. גישות ניסיוניות קונבנציונליות, כגון מחוץ למטוס וב-מטוס בדיקות, אינן חלים על קביעת גבולות ויוצרים בחימום ותהליכי קירור מהירים מוצגים לפני הרכבת לבדיקות שנערכו בתנאים בהבלטה חמים. רומן-מטוס מערכת בדיקות biaxial תוכננה לשמש לקביעה להרכיב גבולות פח בנתיבי זן שונים, טמפרטורות, שיעורי זן לאחר חימום וקירור תהליכים בתוך התנגדות חימום מכונת בדיקות uniaxial. חלק הליבה של מערכת בדיקות biaxial הוא מנגנון biaxial, אשר מעביר כוח uniaxial שמספק מכונה בדיקות uniaxial לכוח biaxial. סוג אחד של דגימת צלב תוכנן ומאומת על מבחן formability של סגסוגת אלומיניום 6082 באמצעות מערכת בדיקות biaxial המוצעת. Im הדיגיטלימערכת הקורלציה גיל (DIC) עם מצלמה במהירות גבוהה שמשה במדידות זן של דגימה במהלך עיוות. מטרת הצעת מערכת בדיקות biaxial זו היא לאפשר את הגבולות ויוצרים מסגסוגת שייקבעו בטמפרטורות שונות שיעורי זן בתנאים בהבלטה חמים.

Introduction

תעשיית הרכב עומדת בפני אתגר גלובלי ענק של הפחתת צריכת הדלק וצמצום זיהום סביבתי מפליטות כלי רכב. ירידה במשקל היא מועילה לשיפור הביצועים של מכוניות ישירות יכולים להפחית את צריכת האנרגיה ^1. בשל formability הנמוכה של פח בטמפרטורת חדר, הטבעה חמה ותהליכים מרווים למות קר (המכונה חם ביול) ² משמשים כדי לשפר את formability של סגסוגות ובכך להשיג רכיבים בצורת קומפלקס ביישומי רכב.

תרשים גבול להרכיב (FLD) הוא כלי שימושי כדי להעריך את formability של נתך ^3. Out-of-מטוס בדיקות, כגון בדיקת Nakazima ^{4, 5,} ו-מטוס בדיקות, כגון מרצ'יניאק מבחן ^{6, 7, 8,}מחדש שיטות ניסיוניות קונבנציונליות כדי להשיג את הכת של פח בתנאים שונים ^{9, 10, 11.} מכונת בדיקות biaxial-הידראולי סרוו שימש גם לחקור את formability של סגסוגות בטמפרטורת החדר ^{12, 13.}

עם זאת, אף אחת מהשיטות הנ"ל חלים על בדיקות formability בתנאים בהבלטה חמה, מאז תהליך הקירור לפני הרכבת נדרשת יחד עם שליטה של ​​שיעורי חימום וקירור. טמפרטורת העיוות וקצב זן קשה להשיג במדויק. לכן, מערכת לבדיקת formability חדשנית מוצעת במחקר זה כדי לקבוע את הגבולות ויוצרים בניסוי של פח בתנאים בהבלטה חם.

Protocol

1. הכנת דוגמאות

1. מכונת כלב-עצם שטוח דגימות צלב מן סגסוגת אלומיניום חומר מסחרי 6082 (AA6082) באמצעות מכשיר חיתוך בליזר ושלט מספרי מחשב (CNC) מכונת טחינה (לבדיקות formability בנתיבי זן שונים כולל זן uniaxial, מטוס, והתאמצות biaxial-שוה מדינות).
2. מדוד את העובי של כל דגימה צלב ואת כל דגימת כלב-עצם עם קליפר ורניה שלוש פעמים באזור המד המרכזי ולחשב את הערכים הממוצעים. ודא כי העובי של סעיף המד בתוך דגימת צלב הוא 0.7 ± 0.05 מ"מ וכי העובי של דגימת uniaxial הוא 1.5 ± 0.1 מ"מ.
3. בתרסיס צבע המשטח העליון כולו של טיפוס צלב באמצעות תרסיס צבע להבה עמידה, שחור (מותאם לעמוד בטמפרטורות של עד 1093 מעלות צלזיוס). חכה עד מתייבש הצבע ולאחר מכן לרסס נקודות צבע להבה עמידה, לבן ממרחק היד כדי ליצור סטוכסטייםריסוס דפוס להיות מוכר על ידי מערכת DIC (ראה דוגמא באיור 1).
4. וולד זוג צמדים במרכז המשטח האחורי (מול אל פני השטח הצבוע) של הדגימה. חבר את הקצה השני של תרמי למערכת בקרת טמפרטורה משוב של מכונת הבדיקה uniaxial כדי לפקח ולשלוט על ההיסטוריה של שינויי טמפרטורה.

2. אסיפה של מנגנון בדיקת Biaxial

1. להרכיב את כל החלקים של מנגנון בדיקת biaxial, כולל צלחת בסיס, פיר מרכזי, קלט וצלחות rotatable פלט, עגלות, מלחציים, מסילות מדריך, ומוטות חיבור קשיחות (המנגנון התאסף מוצג באיור 2).
   1. באמצעות מוט חיבור, כמה הצלחת rotatable קלט ישירות הלסת הזחיחה של התנגדות חימום מכונת בדיקה המתיחה uniaxial, אשר מספקת כוח המתיחה uniaxial. זוג צלחת rotatable קלט אל פיר הכונן המרכזיהזוג הזה פיר כונן המרכזי צלחת rotatable הפלט.
   2. ודא כי הסיבוב של צלחת rotatable קלט סביב ציר הסיבוב מסובב פיר הכונן, ובכך מסתובב צלחת rotatable פלט שאליו הוא מצמיד סביב ציר הסיבוב.
   3. בקצה אחד, זוג אחד מוטות חיבור הנוקשות אחת מנקודות חיבור על צלחת rotatable הפלט. זוג הקצה השני אחד הקרונות.
      הערה: זה יגרום כרכרות עם מחזיקי דגימה להחליק קדימה ואחורה לאורך מסילות מדריך עם חיכוך נמוך, אשר יכול להפעיל כוח biaxial כדי דגימת הצלב.
   4. באמצעות ברגי בורג, מהדק כל זרוע של דגימת הצלב כדי כרכרה עם בעל דגימה וצלחת עליונה.
2. הגדרת אוחז בתא של המכונה מבחן מתיחה uniaxial, כפי שמוצג באיור 3 (א). צרף ארבעה כבלי ריתוך לכל זוג ידיות אחיזה, אשר עשויים נירוסטה ונחושת, respectively, ובכך לחבר את כבלי ריתוך אספקת החשמל.
   הערה: אזור מנצח של כבלי ריתוך הוא 50 מ"מ ² ואת הדירוג הנוכחי 345 א
   1. שים את אוחז מהדק של מנגנון בדיקה biaxial לשתי הלסתות של המכונה מבחן מתיחה uniaxial ולהדק אותם בפנים (איור 3 (א)).
3. הגדרת מנגנון בדיקת biaxial בתא של המכונה מבחן מתיחת uniaxial, כפי שמוצג באיור 3 (ב).
   1. השתמש בשתי מסגרות להבריג ברגים בחלק העליון ואת הצדדים התחתונים של צלחת הבסיס לתקן את המנגנון בתא של המכונה מבחן מתיחת uniaxial.
   2. שים את הדגימה לתוך מחזיק הדגימה על גבי מנגנון בדיקת biaxial.
   3. חבר אחד הטרמינל של כבלי ריתוך לכל אזור הידוק של הדגימה.

Setup 3. של מערכת חימום מרווה

1. בחוזקה שיתוףnnect בכל אזור הידוק של הדגימה לצלחת העליונה הנירוסטה, אשר משמשת האלקטרודה לחימום התנגדות.
2. הדק את כבלי ריתוך עם מסוף טבעת crimp אל הצלחת העליונה של כל אזור מתהדק.
3. Connect מתרחבים חרירי עם צינורות למערכת להרוות זרימה גבוהה עם אספקת אוויר הנמצאים תחת פיקוח 8000 ק"ג / מ ² הלחץ לקירור.
4. השתמש ארבעה חרירים לפוצץ באוויר מזרועות הדגימה לאזור המרכזי של הדגימה.
   הערה: החרירים אינם מכוונים על קטע המד לקירור כדי למנוע חסימת האזור המרכזי מעייני המצלמה.

Setup 4. של מערכת DIC

1. חברו את המצלמה במהירות גבוהה של המערכת DIC עם עדשת מיקרו למחשב. התאם את שיעורי המסגרת של המצלמה 25 fps, 50 fps, ו 500 fps מהתפריט של שיעורי מסגרת (עבור הבדיקות בשיעורי זן המתיחה של 0.01 / s, 0.1 / s ו- 1 / s, בהתאמה). הגדר את ההחלטות של כל מה שאניהמגים כדי 1280 × 1024 פיקסלים.
   הערה: שיעורי המסגרת תלויים במספר נקודות נתונים ייאספו; לפחות 200 נקודות נתונים ניתן לאסוף תוך שימוש בהגדרות הנ"ל.
2. השתמש זרקורים נוספים עם כוח של 300 ואט לבדיקות בשיעורי זן גבוהים. כוון את הזרקורים ישירות לתא של המכונה מבחן מתיחה uniaxial.
3. התאם את עדשת המצלמה, כך שהוא מקביל פני השטח העליונים של הדגימה בתא ולמקד את המצלמה על סעיף המד.

5. תוכנית ניסויית

1. הפעל את התנגדות חימום מכונת בדיקה המתיחה uniaxial ידי לחיצה על כפתור Run המשולש בתוכנה המלאה.
   הערה: חשמל עובר החומר AA6082 ומחמם אותו לטמפרטורה טיפול בחום פתרון של 535 ° C ¹⁴ בקצב חימום של 30 ° C / s. החומר ספוג ב 535 מעלות צלזיוס למשך 1 דקה, אשר מספק את מלוא הרזולוציה של משקעים. Air נושבת מהמערכת להרוות משמש להרוות את החומר בקצב קירור של 100 ° C / s ¹⁵ לאחד 3 בטמפרטורות גבוהות המיועדות בטווח של 370-510 מעלות צלזיוס.
2. מתח את הדגימה עם מנגנון בדיקת biaxial בקצב מאמץ מתמיד בטווח של 0.01-1 / s ולהקליט את היסטורית העיוות על ידי לחיצה על כפתור ההדק ידני המחובר למצלמה במהירות הגבוהה.
   הערה: עקירת הקלט ממכונת בדיקות uniaxial אל מנגנון בדיקת biaxial נשלטה על ידי התוכנה המובנית של מכונת בדיקת uniaxial.
3. בצע את הבדיקות בנתיבים שונים זן המורכב uniaxial, זן מטוס, ומדינות סינון biaxial ³ על ידי התאמת התצורה של מנגנון בדיקת biaxial.
   1. נתק שני מוטות חיבור בניגוד לבדיקות uniaxial. צמד שדוגמא-עצם כלב על מנגנון בדיקת biaxial ולחבר אותו כבלי ריתוך, כמו צעדים 3.1-3.4. חזור על השלבים 5.1-5.2.
   2. תקן שתי עגלות מתנגדות צלחת הבסיס עם ברגי בורג להגביל את העיוות על הכיוון המתאים לבדיקה תחת מדינת זן מטוס. צמד שדוגמא צלב על מנגנון בדיקת biaxial ולחבר אותו כבלי ריתוך, כמו צעדים 3.1-3.4. חזור על שלבים 5.1-5.2.
4. חזור על שלבי 5.3.1-5.3.2 עבור כל תנאי מבחן שלוש פעמים, באמצעות כלב-עצם חדש דגימות צלב.

6. עיבוד נתונים

1. לייבא את כל התמונות שתועדו על ידי מצלמת המהירות הגבוהה לתוך תוכנת עיבוד הפוסט אחרי צעדים רגילים של ניתוח הנתונים לפי במדריך התוכנה.
2. השתמש תקן ISO ³ כדי לקבוע את הגבולות להרכיב על ידי לחיצה על כפתור מצב FLC בתוכנה.
   הערה: שיטה זו כבר שולבה בתוכנה לעיבוד תמונת קורלציה.
3. לסמן כל תוצאה של גבולות ויוצרים בטמפרטורה שונהים, שיעורי זן, ומתח נתיבים בתוך תרשים.
4. שרטט את עקומות גבול להרכיב בכלל תנאי הבדיקה כדי לקבל FLD של נתך בתנאים בהבלטה חמה.

Representative Results

מאז הכת היא מאוד זן נתיב תלוי, הליניאריות של נתיב הזן עבור כל תנאי מבחן אומתה על ידי ניתוח תוצאות דסק"ש; שבילי הזן הם יחסים לאורך עיוות עבור כל תנאי מבחן. המגוון של קטין ל-מרכזי יחס הזן הוא כ -0.37 (מצב uniaxial) כדי 0.26 (ליד תנאי biaxial). בעיבוד נתונים עבור תנאי AA6082 שונים, ויוצרי נתוני מגבלה עבור שבילי זן שונים נקבעו ומכאן, את הכת עבור AA6082 בתנאי בהבלטה חם התקבלה באמצעות עקומה הולמת. באיור 3, נתונים גבול להרכיב התקבלו בטמפרטורות שונות, שיעורי זן, ושבילים זן לאחר תהליכי חימום וקירור. הקווים המקווקוים המצוידים לציין את formability של סגסוגת זו, AA6082. עקומת גבול להרכיב מזהה את הגבול בין עיוות אחידה תחילת יציבות פלסטיק או מזמוזים דיפוזי, אשר יוביל לכישלון. האזור מעל העקומה מייצגת כשל פוטנציאלי, והאזור שמתחת לעקומה נחשב כאזור בטיחות, שבו עיוות אחידה מתרחשת בתנאי הבדיקות המקבילים. FLC גבוה מציין כי החומר יש formability טוב יותר אם בצורה נשארת זהה.

בדיקות formability באמצעות הרומן ב-המטוס מערכת בדיקות מתיחה biaxial נערכו בטמפרטורה עיוות המיועד שיעורי זן לאחר תהליכי חימום וקירור. נמצא כי, כאשר קצב זן משיעור הזן המיועד של 0.01 / s ל 1 / s, הגבול ויצר של עליות AA6082. מגבלת להרכיב יש עלייה גדולה יותר, מן 0.1 / s ל 1 / ים, מ מ 0.01 / s ל 1 / s, כפי שמוצג באיור 4 (א).

באיור 4 (ב), ישנה עלייה מונוטונית הגבול להרכיב מ 370 ° C עד 510 ° C. indicat זהes כי formability הגבוהה של AA6082 ניתן להשיג בטמפרטורה גבוהה בתנאים בהבלטה חמים. שלושת עקומות גבול להרכיב הם די קרובים זה לזה בצד שמאל של FLD, כלומר רגישות תלות בטמפרטורה גדולה עבור שבילי זן biaxial מתח-מתח מאשר שבילים זן מתח-דחיסה.

איור 1: דוגמא דפוס סטוכסטיים בתוך דגימת צלב לפני biaxial מתיחה (א) ואחרי biaxial מתיחה (ב). הדפוס עם נקודות לבנות על רקע שחור הוא נתפס על ידי מצלמת המהירות הגבוהה במהלך בדיקות. הגודל והצפיפות של הכתמים בתוך תבנית חשופה לדרישות ההתקן של ניתוח DIC ^15. אנא לחץ כאן כדי לצפות גדולגרסת R של דמות זו.

איור 2: מנגנון הבדיקה biaxial התאסף. המנגנון כולל צלחת בסיס, פיר מרכזי, צלחות rotatable, עגלות, מסילות מדריך, ומוטות חיבור. זה מותקן בתא של התנגדות חימום מכונת בדיקות uniaxial. רכיבים עיקריים סומנו באיור. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3: הגדרה של התמודדות ואת מנגנון בדיקת biaxial בתא של מכונת בדיקת uniaxial. (א) אוחז המהדק. (ב) מנגנון בדיקת biaxial חריריםקירור אוויר. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 4: כת של AA6082 ב (א) שיעורי זן שונים ו- (ב) בטמפרטורות שונות בתנאים בהבלטה חמים. הסמלים הם התוצאות של הגבולות להרכיב בתנאים שונים. הקווים המקווקוים התקבלו באמצעות אלגוריתם פולינום המתאים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

Discussion

שיטות בדיקת formability קונבנציונליות המשמשות לקביעה להרכיב גבולות הן בדרך כלל ישימות רק בטמפרטורת חדר. הטכניקה המוצגת ניתן להשתמש כדי להעריך את formability של מתכות עבור יישומי הטבעת גיליון חמים על ידי החדרת מנגנון בדיקה biaxial חדשנית התנגדות חימום מכונת בדיקות uniaxial. זה לא יכול להתבצע באמצעות שיטות קונבנציונליות עבור יישומים בהבלטה חמים. ההתקנה של מערכות חימום וקירור מערכת DIC היא קריטית שליטה על האחידות של התפלגות טמפרטורת דגימה ובכך הקלטה בהיסטורית העיוות של מתיחת דגימות.

בטכניקה זו, שיעורי החימום וקירור ניתן לשלוט באופן מדויק על ידי המכונה מבחן מתיחת uniaxial עבור יישומי תהליך גיבוש מורכבים. המנגנון biaxial יש תצורה פשוטה יחסית, אשר מפחית את העלות והמורכבות של בדיקות מתיחה biaxial בהשוואה לניסוי biaxial המסורתיתמנגנונים. עם זאת, בתחומי טמפרטורה שנעשו על ידי חימום התנגדות מושפעים דגימת עיצוב במערכת בדיקה זו, והדרגות טמפרטורה על דגימה לא ניתן להימנע. אין תכנון דגימה סטנדרטי קיים זמין עבור סוג זה של בדיקות biaxial.

לסיכום, זוהי הפעם הראשונה בה FLD של סגסוגות בתנאים בהבלטה חמה הושג. במהירויות להרכיב גבוהות וטמפרטורות גבוהות בתוך הטווחים המיועדים מועילות לשיפור הגבולות והיוצרים של AA6082 בתנאים בהבלטה חמים. שיטה חדשנית זו יכולה לשמש כדי לקבוע את הגבולות ויוצרים של פח בתנאי בדיקות מורכבים. תוצאות הניסוי השיג יכול לשמש כדי לפתח מודל חומר שיכול לחזות את ההתנהגות התרמו-מכאניות לבין formability של סגסוגת. המנגנון של המנגנון יכול להיות שונה כדי לבצע בדיקות formability נתונות שבילי זן שאינו ליניארי בעתיד.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Aluminium Alloy	Smiths Metal	6082	Specimens machining
Laser cutter	LVD Ltd	HELIUS 25/13	Laser cutting specimens
CNC machine	HAAS Automation	TM-2CE	Machine specimens by milling
Vernier caliper	Mitutoyo	575-481	Thickness measurement
Resistance heating uniaxial testing machine	Dynamic System Inc	Gleeble 3800	Thermo-mechanical materials simulator
High flow quench system	Dynamic System Inc	38510	For air cooling
Thermocouples	Dynamic System Inc	K type
Nozzles	Indexa		Nozzle flared 1/4 inch bore
Welding cables	LAPP Group	H01N2-D
High-speed camera	Photron	UX50	For DIC testing
Camera lens	Nikon	Micro 200mm
Lamp	Liliput	150ce	300 W
Laptop	HP	Campaq 2530p	For images recording
Biaxial testing apparatus	Manufactured independently		All parts were designed and machinced by authors for biaxial testing
Steel	West Yorkshire Steel	H13	Mateials of the biaxial testing apparatus
Image correlation processing software	GOM	ARAMIS	Non-contact measuring system and data post-pocessing