權(quán)利要求書： 1.一種通過顯微硬度計測定圓環(huán)壓縮過程分流面位置的方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)制備壓縮圓環(huán)樣品；

2)利用顯微硬度計在樣品上沿半徑方向打一系列點，并將所有硬度點按照距離圓心距離由小到大的順序依次編號；

3)利用體式顯微鏡統(tǒng)計每個硬度點到圓心的距離并記錄；

4)進行壓縮實驗；

5)再次利用體式顯微鏡統(tǒng)計壓縮后每個硬度點距圓心的距離；

6)以壓縮前后相應(yīng)硬度點到圓心的距離為y軸，硬度點的編號為x軸繪制曲線圖，兩條曲線的交點即為分流面半徑值。

2.按照權(quán)利要求1所述通過顯微硬度計測定圓環(huán)壓縮過程分流面位置的方法，其特征在于：步驟2)中，點與點之間間隔為0.15mm，共設(shè)置1～5行硬度點即可。

3.按照權(quán)利要求1所述通過顯微硬度計測定圓環(huán)壓縮過程分流面位置的方法，其特征在于：步驟3)及5)中借助體式顯微鏡與Image?ProPlus軟件統(tǒng)計壓縮前后每個硬度點到圓心的距離。

4.按照權(quán)利要求1所述通過顯微硬度計測定圓環(huán)壓縮過程分流面位置的方法，其特征在于：步驟6)中，通過origin軟件繪制曲線圖。

5.一種權(quán)利要求1所述方法在計算圓環(huán)壓縮過程中的摩擦因子方面的應(yīng)用，其特征在于：利用下述公式獲得圓環(huán)壓縮塑性變形過程中的摩擦因子：式中m———摩擦因子；

Ro———試樣外半徑；

H———試樣高度；

Ri———試樣內(nèi)半徑；

ρ———試樣分流面半徑。

說明書： 通過顯微硬度計測定圓環(huán)壓縮過程分流面位置的方法技術(shù)領(lǐng)域[0001] 本發(fā)明屬于材料分析領(lǐng)域，特別提供通過顯微硬度計測定圓環(huán)壓縮過程分流面位置的方法。

背景技術(shù)[0002] 在塑性體積成形中，金屬流動規(guī)律的研究是當(dāng)今最受人關(guān)注的問題之一。很多塑性成形工序，如圓環(huán)鐓粗、墊環(huán)鐓粗、開式模鍛等，由于金屬可能朝多個方向流動，因此總存

在一個分流面。其顯著特征是徑向速度為零，該面以內(nèi)的金屬向內(nèi)流動，該面以外的金屬向

外流動。金屬的流動決定了體積分配和成形后的工件形狀，其中，分流面是金屬成形過程中

體積分配的重要依據(jù)。因此，如何確定分流面的具體位置以及進一步研究其變化規(guī)律對于

塑性變形過程極為重要。眾所周知，金屬的流動行為是由應(yīng)力狀態(tài)決定的，金屬流動方向，

分流面位置及試樣外形尺寸的變化實際上是由于摩擦力改變了試樣內(nèi)部的應(yīng)力場導(dǎo)致的，

由此引發(fā)了金屬的塑性流動。因此分流面位置與摩擦因子密切相關(guān)。本發(fā)明以圓環(huán)壓縮為

研究對象，為確定環(huán)形件的分流面位置以及進一步計算其摩擦因子提供依據(jù)。

[0003] 壓縮是使工件高度減小而橫截面面積增大的鍛造工序，而圓環(huán)壓縮是塑性加工中最基本的工藝之一。由于圓環(huán)的特殊性，它在不同的變形條件下會產(chǎn)生向內(nèi)外不同方向的

分流面，這使得研究金屬的流動規(guī)律變的容易，因此通常使用圓環(huán)壓縮來確定其分流面位

置并進一步研究金屬的塑性流動規(guī)律。

[0004] 查閱文獻可知圓環(huán)壓縮時，可能的分流面位置有兩種情況：[0005] (1)當(dāng)摩擦因子較小時，分流面半徑小于壓縮后的圓環(huán)內(nèi)徑，分流面在實體外，即金屬全部外流；

[0006] (2)當(dāng)摩擦因子較大時，分流面半徑大于壓縮后的圓環(huán)內(nèi)徑，分流面在實體內(nèi)，即分流面以內(nèi)金屬內(nèi)流，分流面以外金屬外流；

[0007] 圓環(huán)壓縮后樣品截面具有明顯的形貌特征，可以輕易分辨分流面位于實體外還是實體內(nèi)，因此通過直接觀察壓縮后圓環(huán)樣品截面形貌可以大致確定分流面位置。

[0008] 目前獲得分流面的方法主要有實物實驗，理論計算和數(shù)值模擬法三種。[0009] 1.實物實驗法[0010] 常用的實物實驗法有坐標(biāo)網(wǎng)格法，密柵云紋法，光塑性法及視塑性法等。其中坐標(biāo)網(wǎng)格法是研究塑性過程中金屬流動的常用方法，該方法不僅要求在樣品表面印制網(wǎng)格，而

且要將試樣順著對稱面分開，并在對稱面上印制網(wǎng)格，最后將兩部分粘接在一起進行變形。

通過該方法可以比較直觀，清晰的獲得表面和截面上的坐標(biāo)網(wǎng)格變化信息。但該方法操作

困難，印制均勻網(wǎng)格現(xiàn)實操作中很難實現(xiàn)，且將試樣切開后，破壞了試樣的整體性，對試樣

精度產(chǎn)生一定影響。

[0011] 針對以上的不足，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張吉和王仲仁教授首次發(fā)明了一種定量測試變形體內(nèi)部流線和應(yīng)變的方法一一套環(huán)螺紋法。該方法的實質(zhì)是在相應(yīng)的部位鑲嵌一定數(shù)

量的螺柱，并在一定條件下使得該組試樣發(fā)生變形，將變形后的試樣沿著螺柱中心線的部

位分開，使得螺紋界面顯示出來，因此可以獲得金屬截面的流線分布，預(yù)知金屬的流動趨勢

及分流面大致位置，同時根據(jù)螺紋橫截面上螺距變化可得出相應(yīng)的應(yīng)變。該方法并不需要

切開試樣，保證了試樣的完整性，極大地降低了缺陷。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王禮良利用該方法

研究了圓環(huán)墩粗變形金屬流動情況，并通過與數(shù)值模擬結(jié)果對比，兩者的結(jié)果很吻合，也說

明了該方法用來研究金屬流動的可行性。但該方法實際操作困難，對于實驗條件有較高的

要求，無法普遍應(yīng)用。而且該方法無法得到分流面的具體位置，只能通過金屬的流線分布大

概推斷分流面位置。

[0012] 綜上所述，雖然目前已有的實物實驗法能夠直觀清楚的反映金屬塑性流動情況，且實驗結(jié)果真實可靠，但存在無法直接判斷分流面位置，反映信息少，實際操作困難等條

件，因此無法廣泛應(yīng)用。

[0013] 2.理論計算法[0014] 理論計算主要是在塑性加工的力學(xué)理論的基礎(chǔ)上，通過求解平衡微分方程、本構(gòu)關(guān)系、屈服條件、變形連續(xù)性方程等組成的方程組，求解其內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變分布。在《金屬塑

性成形原理》一書中汪大年利用主應(yīng)力法求得圓環(huán)鐓粗變形中試樣內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變分布及分

流面半徑的計算公式。在利用此公式計算分流面位置時，做出了如下基本假設(shè)：

[0015] 1)圓環(huán)試件鐓粗可看作是軸對稱變形問題。[0016] 2)圓環(huán)為均質(zhì)、各向同性的理想材料,符合Mises屈服準(zhǔn)則。[0017] 3)變形后圓環(huán)側(cè)面仍為圓柱面,即忽略接觸面上摩擦引起的不均勻變形。[0018] 4)材料不可壓縮。[0019] 5)圓環(huán)和模具接觸面之間由摩擦引起的剪切應(yīng)力τ為均勻分布，τ可用摩擦力不變條件描述:τ＝mK；其中m為摩擦因子，K為變形材料的最大剪切應(yīng)力。

[0020] 根據(jù)毛坯尺寸和摩擦系數(shù)的不同，圓環(huán)鐓粗存在兩種流動模型:一種是ρ≤Ri，其金屬全部沿徑向向外流動，此時有：

[0021][0022] 式(1)成立時,中性層半徑由下式計算：[0023][0024] 式中m———磨擦因子；[0025] Ro———試件外半徑；[0026] H———試件高度；[0027] Ri———試件內(nèi)半徑；[0028] ρ———試件分流面半徑；[0029][0030] 當(dāng)(1)式不成立時，有Ri<ρ[0031][0032] 但該方法所需已知條件較多，其中在大多實驗中摩擦因子較難直接測定，因此無法利用該公式準(zhǔn)確計算出分流面半徑，使得該公式使用范圍受到了極大限制。

[0033] 3.數(shù)值模擬法[0034] 有限元法是隨計算機普及而獲得大量應(yīng)用的技術(shù)，也被稱作數(shù)值模擬法。數(shù)值模擬法即利用計算機技術(shù)實現(xiàn)實物實驗全過程，并且可以做實物實驗無法完成的實驗，可以

方便快速的改變工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)，對于探討規(guī)律性的問題有突出優(yōu)點。更為重要的是，

實物實驗中難以直接測量的數(shù)據(jù)如分流面半徑，應(yīng)力應(yīng)變大小等在數(shù)值模擬過程中都可以

輕易得出。但該方法所需技能專業(yè)性較強，而且需要熟練掌握編程技術(shù)，對于非計算模擬的

專業(yè)人員難度較大，不易實現(xiàn)。

[0035] 因此，尋找一種操作簡單，且可以準(zhǔn)確得出分流面半徑的實驗方法對于研究圓環(huán)壓縮過程塑性流動規(guī)律以及計算相關(guān)參數(shù)至關(guān)重要，如鐓粗過程中摩擦因子的計算。

發(fā)明內(nèi)容[0036] 本發(fā)明的目的在于提供一種通過顯微硬度計測定圓環(huán)壓縮過程中分流面位置的方法，通過該方法可以準(zhǔn)確測出圓環(huán)壓縮過程中分流面的半徑，且實驗方法簡單，易于實

現(xiàn)，實驗成本較低。在得出分流面半徑之后，還可以利用公式(3)進一步計算出圓環(huán)壓縮過

程中的摩擦因子，為金屬塑性流動的進一步研究提供基本實驗參數(shù)。

[0037] 本發(fā)明技術(shù)方案如下：[0038] 通過顯微硬度計測定圓環(huán)壓縮過程分流面位置的方法，其特征在于，包括以下步驟：

[0039] 一種通過顯微硬度計測定圓環(huán)壓縮過程分流面位置的方法，其特征在于，包括以下步驟：

[0040] 1)制備壓縮圓環(huán)樣品；[0041] 2)利用顯微硬度儀在樣品上沿半徑方向打一系列點(點與點之間間隔優(yōu)選為0.15mm，為使實驗結(jié)果更加準(zhǔn)確，可設(shè)置1～5行硬度點)，并將所有硬度點按照距離圓心距

離由小到大的順序依次編號；

[0042] 3)利用體式顯微鏡統(tǒng)計每個硬度點到圓心的距離并記錄，統(tǒng)計每個硬度點到圓心的距離可以借助體式顯微鏡與Image?ProPlus軟件實現(xiàn)；

[0043] 4)進行壓縮實驗；[0044] 5)再次利用體式顯微鏡統(tǒng)計壓縮后每個硬度點距圓心的距離，具體方法與步驟3)相同；

[0045] 6)對比壓縮前后對應(yīng)硬度點到圓心的距離，從而確定分流面具體半徑。利用Origin軟件以圓環(huán)樣品表面硬度點編號為橫坐標(biāo)，壓縮前后硬度點到圓心的距離為縱坐標(biāo)

作曲線圖，根據(jù)分流面定義，即半徑小于分流面半徑的金屬流動方向為沿半徑流向圓心，半

徑大于分流面半徑的金屬流動方向為沿半徑向圓心相反方向流動，因此，分流面即為位置

不變的截面，所以兩條曲線相交處即為分流面半徑ρ。

[0046] 本發(fā)明所述方法可以通過實驗準(zhǔn)確獲得分流面具體半徑ρ，從而結(jié)合公式(3)進一步獲得圓環(huán)壓縮塑性變形過程中的摩擦因子的具體數(shù)值。

[0047] 作為優(yōu)選的技術(shù)方案：[0048] 步驟1)中，壓縮圓環(huán)樣品的制備方法為：在合金塊上切取圓環(huán)樣品，其基本參數(shù)為：外徑D＝24mm，內(nèi)徑d＝12mm，高度h＝6mm，其原始形貌如圖1所示。然后通過研磨機、拋光

機進行機械研磨(一般采用150#、320#、800#、2000#砂紙研磨)和機械拋光，為下一步在顯微

硬度計下打硬度點做好準(zhǔn)備工作。

[0049] 步驟3)的具體方法為：先將打完硬度點的樣品置于體式顯微鏡下，放大50x或100x，保證硬度點清晰可見即可。然后為圓環(huán)樣品表面拍攝多張照片，保證所有硬度點均可

在圖片內(nèi)找到，最后利用體式顯微鏡的平面拼接功能將所拍攝的圖片拼接為一張。然后利

用Image?ProPlus軟件處理圖片，測定每個硬度點到樣品圓心的距離并記錄。

[0050] 步驟4)中需結(jié)合具體實驗條件，靈活設(shè)置變形量、應(yīng)變速率以及溫度等實驗參數(shù)，利用壓縮機進行圓環(huán)鐓粗實驗，若為高溫壓縮，須在樣品上焊接熱電偶，以控制實驗溫度。

在實驗過程中應(yīng)盡量使兩端壓頭相互平行，完整覆蓋樣品壓縮表面，以保證樣品受力均勻。

[0051] 本發(fā)明的特點如下所述：[0052] 1、通過該方法可以準(zhǔn)確測得圓環(huán)壓縮過程中的分流面半徑，為分析金屬塑性流動過程中分流面的形狀和位置的變化規(guī)律提供一種簡便快捷的實驗方法。

[0053] 2、《金屬塑性成形原理》一書中汪大年利用主應(yīng)力法求得圓環(huán)鐓粗變形試樣內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變分布及分流面半徑的計算公式，在測得分流面半徑之后結(jié)合該公式可以準(zhǔn)確計算

出圓環(huán)鐓粗過程中的摩擦因子或其它實驗參數(shù)，壓縮過程與此相同。

[0054] 3、結(jié)合該方法，通過改變壓縮量，應(yīng)變速率，變形溫度等實驗參數(shù)，可以獲得不同的分流面半徑，從而進一步討論壓縮量、應(yīng)變速率、變形溫度等實驗參數(shù)對于金屬塑性流動

過程中分流面半徑和摩擦因子等性質(zhì)的影響規(guī)律。

[0055] 4、該方法適用于大多數(shù)金屬材料，使用范圍廣泛，且可以適當(dāng)降低在圓環(huán)樣品表面打硬度點時顯微硬度計對樣品所加載荷，將硬度點在圓環(huán)鐓粗過程中對實驗造成的額外

影響降到最低。

[0056] 5、參考本發(fā)明技術(shù)方案可以設(shè)想，利用顯微硬度計在實驗樣品表面添加硬度點可以用于記錄壓縮、軋制或拉伸等塑性變形實驗過程中樣品表面形貌的變化。

[0057] 相對于現(xiàn)有幾種確定分流面半徑的方法而言，該方法操作簡便快捷，實驗結(jié)果直觀準(zhǔn)確且實驗成本較低，容易實現(xiàn)。而且使用范圍較廣，適用于大多數(shù)金屬材料，壓縮過程

的實驗參數(shù)也可以根據(jù)實驗條件靈活設(shè)置，本實驗方法都能很好的滿足，為測定金屬塑性

流動過程中分流面的位置和變化規(guī)律提供一種新型研究方法。

附圖說明[0058] 圖1初始Zr?4圓環(huán)樣品；[0059] 圖2本發(fā)明技術(shù)方案及原理示意圖；[0060] 圖3壓縮實驗前Zr?4圓環(huán)樣品表面硬度點的分布；[0061] 圖4壓縮實驗后Zr?4圓環(huán)樣品表面硬度點的分布；[0062] 圖5壓縮實驗前后Zr?4圓環(huán)樣品表面第一列硬度點距圓環(huán)中心的距離分布曲線；[0063] 圖6壓縮前后Zr?4圓環(huán)樣品表面第二列硬度點距圓環(huán)中心的距離分布曲線；[0064] 附圖標(biāo)記：1.第一列硬度點，2.第二列硬度點。具體實施方式[0065] 為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述。

[0066] 實施例1[0067] 通過顯微硬度計測定圓環(huán)鐓粗過程中分流面位置的方法，具體方法包括以下步驟：

[0068] 1)Zr?4圓環(huán)樣品的制備：在Zr?4合金塊上切取圓環(huán)樣品，其基本參數(shù)為：外徑D＝24mm，內(nèi)徑d＝12mm，高度h＝6mm，其原始形貌如圖1所示。然后通過研磨機、拋光機進行機械

研磨(一般采用150#、320#、800#、2000#砂紙研磨)和機械拋光，為下一步在顯微硬度計下打

硬度點做好準(zhǔn)備工作。

[0069] 本次實例使用的實驗材料為Zr?4合金，屬于Zr?Sn系合金，其名義成分為Zr?1.2wt％Sn?0.2wt％Fe?0.1wt％Cr。該合金具有非常低的熱中子吸收截面，良好的加工性

能，機械強度適中以及優(yōu)良的耐腐蝕性能等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于壓水堆和重水堆燃料的包

殼材料。

[0070] 2)利用顯微硬度儀在Zr?4樣品表面上沿半徑方向打一系列點，為使所打硬度點準(zhǔn)確分布在一條半徑線上，可先用記號筆在圓環(huán)樣品表面任意標(biāo)記一條半徑線。均勻移動顯

微硬度計樣品臺保證所打點與點之間間隔大致為0.15mm，加載時間為15s,并將所有硬度點

按照距離圓心距離由小到大的順序依次編號。

[0071] 3)利用體式顯微鏡統(tǒng)計每個硬度點到圓心的距離并記錄；[0072] 具體方法為先將打完硬度點的樣品置于體式顯微鏡下，放大50x或100x，保證硬度點清晰可見即可。利用體式顯微鏡平面拼接功能為圓環(huán)樣品拍攝多種圖片，然后拼接為一

張圖片，保證所有硬度點均在該圖片內(nèi)可見，注意統(tǒng)計圓環(huán)表面硬度點的數(shù)量并對每個硬

度點編號，以防止鐓粗后有個別硬度點消失，從而為實驗結(jié)果帶來誤差。然后利用Image?

ProPlus軟件處理圖片，并測定每個硬度點到樣品圓心的距離并記錄,如圖3所示。

[0073] 4)進行壓縮實驗。[0074] 利用壓縮機進行圓環(huán)壓縮實驗，壓縮實驗參數(shù)為：變形量＝30％，應(yīng)變速率＝?1

0.001s ，溫度＝300℃，由于大多數(shù)壓縮機自身附帶的壓頭較小，并不能全部覆蓋圓環(huán)樣

品，從而造成樣品受力不均勻，因此，需要為本實驗中的樣品定制一個符合樣品尺寸的壓

頭。在壓縮實驗中，注意調(diào)整圓環(huán)與壓頭位置，盡量使其完全接觸，以盡可能保證圓環(huán)樣品

受力均勻，保證實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

[0075] 壓縮實驗完成后，Zr?4圓環(huán)樣品表面硬度點分布如圖4所示，再次統(tǒng)計樣品上硬度點數(shù)量，確保圓環(huán)在壓縮過程中沒有硬度點消失，并使其與壓縮前的硬度點一一對應(yīng)。仔細(xì)

觀察圓環(huán)樣品壓縮后的截面形貌，初步判斷其分流面位于實體內(nèi)，即分流面半徑大于圓環(huán)

內(nèi)徑。

[0076] 5)再次利用體式顯微鏡統(tǒng)計壓縮后每個硬度點距圓心的距離，具體方法與步驟3)相同；

[0077] 6)對比壓縮前后同一編號的硬度點到圓心的距離，從而確定分流面具體半徑，以各硬度點編號為橫坐標(biāo)，鐓粗前后各硬度點到圓環(huán)樣品圓心的距離為縱坐標(biāo)作曲線圖，倆

曲線相交點的縱坐標(biāo)即為分流面半徑，如圖5及圖6所示(圖5為第一列硬度點1，圖6為第二

列硬度點2)。綜合二者可知，本實驗中分流面半徑約為7.7160mm，確實位于實體內(nèi)，與步驟

4)的初步判斷一致，在一定程度上證明了該方法的可行性。

[0078] 7)在測得Zr?4圓環(huán)樣品鐓粗過程中的分流面半徑ρ后，將其與圓環(huán)外半徑R0，圓環(huán)內(nèi)半徑Ri及圓環(huán)高度H一起代入公式(3)可求得鐓粗過程中摩擦因子m數(shù)值為0.87。

[0079] 上述實施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍。凡根據(jù)本發(fā)明

精神實質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。