利用高速变深度切削测试脆性材料动态力学性能的方法技术

本发明专利技术公开了利用高速变深度切削测试脆性材料动态力学性能的方法，涉及动态力学性能测试领域，采用金刚石球头刀具在被测试材料表面进行变深度切削加工，获取不同加载条件下的变形行为；针对塑性域切削加工区域计算切削应力与切削应变率；进行不同应变率下的切削区域应力无量纲化处理，拟合获得无量纲化应力与无量纲化应变率之间的关系曲线，得到依赖于应变率的材料本构模型；利用激光辅助加热装置辐照被切削区域，以加热温度作为切削变量，建立综合考虑温度与应变率影响的材料本构模型。本发明专利技术将加工方法转变为材料性能测试方法，所实现的材料动态变形应变率高于分离式霍普金森压杆或拉杆等测试方法，为材料动态性能测试提供新的解决思路。新的解决思路。新的解决思路。

【技术实现步骤摘要】
利用高速变深度切削测试脆性材料动态力学性能的方法


[0001]本专利技术涉及动态力学性能测试领域，尤其涉及利用高速变深度切削测试脆性材料动态力学性能的方法。

技术介绍

[0002]对于大多数工程材料，在动态载荷条件下的变形与失效行为与其静态或准静态加载变形相比具有显著差异，即材料表现出应变率敏感性。有效的材料动态力学性能测试技术和方法对于准确获取不同应变率范围内的材料力学响应特性，进而建立考虑应变率影响的材料本构模型和失效模型具有重要意义。
[0003]利用万能材料试验机进行拉伸、压缩或弯曲试验是最常用的材料力学性能测试方法，但常规万能材料试验机的最高测试应变率只能达到0.1/s
–
1/s量级，且高速液压伺服材料试验机的最高测试应变率通常小于200/s。更高范围应变率的力学性能测试需要借助特定设备实现，例如分离式霍普金森压杆和分离式霍普金森拉杆等可实现103/s
‑
104/s范围的高应变率测试。
[0004]分离式霍普金森压/拉杆主要用于测试塑性材料的动态变形行为；对于高脆性材料而言，由于小尺寸圆柱形试样的制样难度大、塑性变形域窄，导致分离式霍普金森压/拉杆的适用性和测试精度较差。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供利用高速变深度切削测试脆性材料动态力学性能的方法，在常用的切削加工方法基础上，将加工方法转变为材料性能测试方法，所实现的材料动态变形应变率高于分离式霍普金森压杆或拉杆等测试方法，将为材料动态性能测试提供新的解决思路。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术是通过如下的技术方案来实现：
[0007]本专利技术的实施例提供了利用高速变深度切削测试脆性材料动态力学性能的方法，包括：
[0008]采用金刚石球头刀具在被测试材料表面进行变深度切削加工，获取不同加载条件下的变形行为；
[0009]以塑性域切削加工区域为应力分析区域，计算切削应力与切削应变率；
[0010]进行不同应变率下的切削区域应力无量纲化处理，拟合获得无量纲化应力与无量纲化应变率之间的关系曲线，得到依赖于应变率的材料本构模型；
[0011]固定切削速度，利用激光辅助加热装置辐照被切削区域，以加热温度作为切削变量，建立综合考虑温度与应变率影响的材料本构模型。
[0012]作为进一步的实现方式，将被测试材料进行预加工，切割制备出片状被测试样，且将被测试样表面抛光至镜面。
[0013]作为进一步的实现方式，将测力仪固定于工作台上表面，被测试样放置于测力仪
上侧；测力仪用于测量变切深切削过程中的切削力分量。
[0014]作为进一步的实现方式，所述工作台为高速运动工作台，其覆盖1mm/min
‑
104mm/min的线性运动速度范围。
[0015]作为进一步的实现方式，以最低切削速度条件下的切削应力和应变率为基准，对各切削速度下的加工应力和应变率进行无量纲化处理；拟合获得无量纲化应力与无量纲化应变率之间的关系曲线，建立材料变形应力与应变率之间的函数关系。
[0016]作为进一步的实现方式，切削应力根据切削力分量与相应方向的投影面积比值得出；切削应变率根据切削速度与切削宽度的比值得出。
[0017]作为进一步的实现方式，采用线性拟合方法得到无量纲化应力与无量纲化应变率或温度之间的关系式。
[0018]作为进一步的实现方式，采用切削深度由零开始线性增大的变深度切削加工方式。
[0019]作为进一步的实现方式，金刚石球头刀具的切削速度范围为1mm/min
‑
104mm/min，最大切削深度小于5μm。
[0020]作为进一步的实现方式，塑性域切削加工区域根据切削力曲线的波动情况或加工表面形貌确定。
[0021]本专利技术的有益效果如下：
[0022](1)本专利技术采用金刚石球头刀具在被测试材料表面进行变深度切削加工，通过控制切削深度范围实现脆性材料的塑性域加工，通过改变切削速度实现不同应变率条件下的材料切除；分析不同应变率下加工区域的应力分布规律，获得加载应变率对材料流动应力的影响规律，实现脆性材料的动态力学性能定量测试及表征；利用激光辅助加热装置照射被切削区域，实现高温状态下不同切削速度的材料切除，获得温度和应变率共同作用的脆性材料动态力学性能；在常用的切削加工方法基础上，将加工方法转变为材料性能测试方法，所实现的材料动态变形应变率高于分离式霍普金森压杆或拉杆等测试方法，将为材料动态性能测试提供新的解决思路。
[0023](2)本专利技术采用切削深度由零开始线性增大的变深度切削加工方式，以获取不同加载条件下的变形行为；随切削深度逐渐增大时，材料被去除方式将逐渐由塑性变形转变为脆性断裂，为避免脆性断裂导致切削力测试精度下降及材料变形区域无法准确识别等问题，在分析加工区域应力时将选取塑性域加工区间作为对象。
附图说明
[0024]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0025]图1是本专利技术根据一个或多个实施方式的流程图；
[0026]图2是本专利技术根据一个或多个实施方式的测试装置示意图；
[0027]图3是本专利技术根据一个或多个实施方式的高速变深度切削原理图；
[0028]图4是本专利技术根据一个或多个实施方式的金刚石球头刀具与被加工表面接触面积示意图；
[0029]图5是本专利技术根据一个或多个实施方式的单晶硅高速变深度切削实验切削力变化
曲线图；
[0030]图6是本专利技术根据一个或多个实施方式的单晶硅高速变深度切削无量纲化应力与应变率拟合曲线图；
[0031]图7是本专利技术根据一个或多个实施方式的单晶硅高速变深度切削无量纲化应力与温度拟合曲线图。
[0032]其中，1、刀柄；2、金刚石球头刀具；3、激光束热源；4、激光器；5、被测试样；6、螺栓；7、工作台；8、测力仪。
具体实施方式
[0033]实施例一：
[0034]本实施例提供了利用高速变深度切削测试脆性材料动态力学性能的方法，采用金刚石球头刀具2在被测试材料表面进行变深度切削加工，获取不同加载条件下的变形行为；以塑性域切削加工区域为应力分析区域，计算切削应力与切削应变率；进行不同应变率下的切削区域应力无量纲化处理，拟合获得无量纲化应力与无量纲化应变率之间的关系曲线，得到依赖于应变率的材料本构模型；固定切削速度，利用激光辅助加热装置辐照被切削区域，以加热温度作为切削变量，建立综合考虑温度与应变率影响的材料本构模型。
[0035]具体的，如图1所示，包括以下步骤：
[0036]步骤(1)：对被测试材料进行预加工，切割制备出片状被测试样5，且将被测试样5表面抛光至镜面(表面粗糙度Ra<1nm)以保证切削测试精度。
[0037]在本实施例中，被测试样本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.利用高速变深度切削测试脆性材料动态力学性能的方法，其特征在于，包括：采用金刚石球头刀具在被测试材料表面进行变深度切削加工，获取不同加载条件下的变形行为；以塑性域切削加工区域为应力分析区域，计算切削应力与切削应变率；进行不同应变率下的切削区域应力无量纲化处理，拟合获得无量纲化应力与无量纲化应变率之间的关系曲线，得到依赖于应变率的材料本构模型；固定切削速度，利用激光辅助加热装置辐照被切削区域，以加热温度作为切削变量，建立综合考虑温度与应变率影响的材料本构模型。2.根据权利要求1所述的利用高速变深度切削测试脆性材料动态力学性能的方法，其特征在于，将被测试材料进行预加工，切割制备出片状被测试样，且将被测试样表面抛光至镜面。3.根据权利要求2所述的利用高速变深度切削测试脆性材料动态力学性能的方法，其特征在于，将测力仪固定于工作台上表面，被测试样放置于测力仪上侧；测力仪用于测量变切深切削过程中的切削力分量。4.根据权利要求3所述的利用高速变深度切削测试脆性材料动态力学性能的方法，其特征在于，所述工作台为高速运动工作台，其覆盖1mm/min
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104mm/min的线性运动速度范围。5.根据权利要求1所述的利用高速变深度切削测试脆性材...

【专利技术属性】
技术研发人员：王兵，刘战强，解振威，姜立平，蔡玉奎，宋清华，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：