一种超低温冷却对材料力学性能影响的评价方法

摘要

本发明一种超低温冷却对材料力学性能影响的评价方法属于低温工程领域，涉及一种超低温冷却对材料力学性能影响的评价方法。该方法中，以冷却因子为实验变量设计田口实验，制作试件的超低温冷却方案，按照该方案对试件实施超低温冷却处理，并进行力学性能测试；利用方差分析法分析测试数据，计算冷却因子对力学性能影响的贡献率；构建相对重要性比例标度表，借助层次分析法，定量计算冷却因子对力学性能影响的权重；计算材料某一类力学性能占综合力学性能的权重；最后，确定冷却因子对材料综合力学性能影响的权重，以此表征超低温冷却对材料力学性能的影响。该方法实现了冷却因子对材料综合力学性能影响权重的量化分析，评价结果准确、可靠。

说明书

技术领域

本发明属于低温工程领域，特别涉及一种超低温冷却对材料力学性能影响的评价方法。

背景技术

在材料加工过程中，对刀具-材料作用区域施以超低温冷却(小于-150℃)不仅可以大幅降低切削局部区域温度，而且还能够显著改善材料的可加工性能，进一步提高加工表面质量，延长刀具寿命。而且，采用液氮作为冷却介质，绿色环保。为此，超低温冷却已成为难加工材料一种改性加工有效手段之一。

然而，在超低温冷却过程中，被加工材料不可避免地被超低温改性处理，进而导致某些材料力学性能参数可能被改变，例如某些材料，如金属材料或高分子材料被低温处理后呈现出明显的“冷脆”现象，其低温冷却后的材料抗冲击性会急剧降低；而有些材料的力学性能对超低温冷却反应不敏感。合理评价超低温冷却对材料力学性能的影响程度，已成为被加工材料能否可以选择超低温冷却加工的重要环节。考虑到超低温冷却控制参数较多，如流量、温度、时间、方式等，且对材料力学参数，如抗拉强度、屈服极限、表面硬度等等的影响规律复杂，实现定量评价难度极大。

目前，国内外学者提出了多种材料性能评价方法，2008年，胡燕在《计算机与数字工程》第36卷第12期发表文章《基于层次分析法的材料力学性能评价模型》中介绍了一种材料力学性能评价方法，即通过层次分析法建立模型，根据相对重要性比例标度表，构建比较矩阵，计算出各项具体的力学性能相对材料综合力学性能的权重。广州汽车集团股份有限公司在专利号201510698717.2中公开了“汽车车身材料优化方法及优化系统”，该方法通过获取材料性能评价指标和零件性能评价指标，及预定义材料性能评价指标和零件性能评价指标的级别划分范围，根据初始信息表中的信息获取对应材料性能和零件性能评价指标的评级结果。但是，以上方法均未涉及超低温冷却对材料力学性能影响的评价。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是克服现有方法的不足，针对超低温冷却对材料性能影响的定量评价难题，发明一种超低温冷却对材料力学性能影响的评价方法。该方法利用冷却因子来表征超低温冷却的方法，设置冷却因子对材料综合力学性能影响的权重，实现了量化分析；结合方差分析和层次分析方法，减少材料力学性能定性评价带来的误差，提高评价结果的准确度和可靠性；利用冷却因子对材料综合力学性能影响权重的评价方法，为超低温加工中冷却因子的定量选择提供了合理依据。

本发明采用的技术方案是一种超低温冷却对材料力学性能影响的评价方法，其特征是，该方法首先以冷却因子为实验变量设计田口实验，作为试件的超低温冷却方案，按照该方案对试件实施超低温冷却处理，并进行力学性能测试；利用方差分析法分析测试数据，计算冷却因子对力学性能影响的贡献率；构建相对重要性比例标度表，借助层次分析法，定量计算冷却因子对力学性能影响的权重；利用层次分析法，计算材料某一类力学性能占综合力学性能的权重；最后，确定冷却因子对材料综合力学性能影响的权重，以此表征超低温冷却对材料力学性能的影响。具体步骤如下：

第一步以冷却因子为实验变量设计田口实验，制定试件的超低温冷却方案；

设计冷却因子数量为u，水平数量为v的田口实验，该实验方案共有m组，制定试件的超低温冷却方案Lm，冷却因子F的水平F₁、F₂、…、F_v为实验方案中该因子的不同特定值，冷却因子F＝A,B,…,U，包括冷却温度、冷却时间、液氮流量、移动速度等等；

第二步材料超低温冷却处理及力学性能测试；

按照实验方案中第一组冷却因子参数(A₁、B₁、…U₁)对试件1进行冷却，完成后将试件1放置于室温环境，待试件1温度恢复至室温后，对试件1进行力学性能测试，包括拉伸实验、硬度测试、断裂韧性测试，测试力学性能，并记录测试结果，记录第一组测得的材料力学性能数据σ_k1。依次对实验方案中第二、三、…、m组进行冷却，再放置于室温环境，完成力学性能测试实验，并记录测试结果。

第三步利用方差分析法分析测试数据，计算冷却因子对材料力学性能影响贡献率；

对于材料力学性能σ_k，冷却因子的贡献率为：

式中，为因子平方和，为因子总平方和，F＝A,B,…,U。

因子总平方和为：

式中，i＝1,2,…,m，σ_ki为第i组实验测得的力学性能数据，为m组力学性能数据的平均值，即

因子平方和为：

式中，n_Fj是冷却因子F中水平为F_j的实验组数，j为冷却因子F的水平序号，j＝1,2,…,V，是冷却因子F中水平为F_j的所有组实验得到的力学性能数据的平均值，即其中σ_kFjt为冷却因子F中水平为F_j的第t组实验得到的力学性能数据，t＝1,2,…,n_Fj。

第四步构建冷却因子相对重要性比例标度，定量计算冷却因子对力学性能影响权重；

针对材料力学性能σ_k，定义两个冷却因子相对重要性比例标度：冷却因子A的贡献率与冷却因子B的贡献率相比较，若η＝0，则冷却因子A与冷却因子B相比，前者比后者重要性程度的标度为1；若0＜η≤5％，则冷却因子A与冷却因子B相比，前者比后者重要性程度的标度为2；若5％＜η≤20％，则冷却因子A与冷却因子B相比，前者比后者重要性程度的标度为3；若20％＜η≤35％，则冷却因子A与冷却因子B相比，前者比后者重要性程度的标度为4；若35％＜η≤50％，则冷却因子A与冷却因子B相比，前者比后者重要性程度的标度为5；若50％＜η≤65％，则冷却因子A与冷却因子B相比，前者比后者重要性程度的标度为6；若65％＜η≤80％，则冷却因子A与冷却因子B相比，前者比后者重要性程度的标度为7；若80％＜η≤95％，则冷却因子A与冷却因子B相比，前者比后者重要性程度的标度为8；若95％＜η＜100％，则冷却因子A与冷却因子B相比，前者比后者重要性程度的标度为9。上述标度的倒数是两个因子相比，后者比前者的重要性程度。

第五步利用层次分析法，计算不同力学性能对综合力学性能影响的权重；

利用层次分析法，由冷却因子A、冷却因子B、……、冷却因子U的贡献率计算两两比较后得出的相对重要性程度标度，构建冷却因子比较矩阵

式中，为冷却因子l与冷却因子r相比，前者比后者重要性程度的标度，即η所属区间对应的标度。

冷却因子比较矩阵中元素按列归一化，得到矩阵

式中，为冷却因子比较矩阵中各列元素之和。

将归一化后的矩阵中同一行的各列元素相加，得到列矩阵

将列矩阵中的元素除以u，即得到冷却因子A对材料力学性能σ_k影响的权重冷却因子B的权重冷却因子U的权重如下：

材料力学性能σ_k,k＝Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ代表不同力学性能：σ_Ⅰ为抗拉强度，σ_Ⅰ权重σ_Ⅱ屈服强度，σ_Ⅱ权重σ_Ⅲ为伸长率，σ_Ⅲ权重σ_Ⅳ为硬度，σ_Ⅳ权重σ_Ⅴ为断裂韧度，σ_Ⅴ权重抗拉强度σ_Ⅰ的冷却因子比较矩阵屈服强度σ_Ⅱ的冷却因子比较矩阵伸长率σ_Ⅲ的冷却因子比较矩阵硬度σ_Ⅳ的冷却因子比较矩阵断裂韧度σ_Ⅴ的冷却因子比较矩阵

抗拉强度σ_Ⅰ、屈服强度σ_Ⅱ、伸长率σ_Ⅲ、硬度σ_Ⅳ、断裂韧度σ_Ⅴ，其两两比较后得出相对重要性程度标度，构建力学性能比较矩阵Y：

式中，q_ef(e＝σ_Ⅰ,σ_Ⅱ,σ_Ⅲ,σ_Ⅳ,σ_Ⅴ，f＝σ_Ⅰ,σ_Ⅱ,σ_Ⅲ,σ_Ⅳ,σ_Ⅴ)为力学性能e与力学性能f相比，前者比后者重要性程度的标度；

依照第四步中的计算过程，对于综合力学性能，

式中，为力学性能比较矩阵Y中各列元素之和。

第六步确定冷却因子对材料综合力学性能影响的权重

冷却因子F，F＝A,B,C,D,…,U，其中冷却因子A、冷却因子B、冷却因子C、冷却因子D、……、冷却因子U对材料综合力学性能的影响权重分别为ω_A、ω_B、ω_C、ω_D、…、ω_U：

根据冷却因子A、B、C、D...U的权重ω_A、ω_B、…、ω_U的大小，评价冷却因子A、冷却因子B、……、冷却因子U对材料综合力学性能影响的重要程度，表征超低温冷却对材料力学性能的影响。本发明的有益效果是标定方法利用冷却因子对材料综合力学性能影响的权重，有效地表征了超低温加工中液氮的冷却效果，实现了超低温冷却对材料力学性能影响规律的定量评价。结合方差分析法和层次分析法提高了评价方法的准确度和可靠性，实现了冷却因子对材料综合力学性能影响权重的评价。为超低温加工中冷却温度、冷却时间、液氮流量等冷却因子的定量选择提供了合理依据。可实现对多目标、多准则的分析评价进行精确量化，评价结果准确、可靠。

附图说明

图1-冷却因子对材料综合力学性能影响评价方法的流程图。

具体实施方式

结合附图和技术方案详细说明本发明的详细实施方式，说明利用冷却因子表征超低温冷却对材料力学性能影响的评价过程。

选取圆柱形试件材料，材质为1Cr18Ni9Ti不锈钢，总长100mm，端部直径为15mm，拉伸段直径为10mm、长度50mm，装夹其端部，采用液氮喷淋的方式进行试件的超低温冷却处理，该方法的流程图如附图1所示。方法的具体步骤如下：

第一步，设计田口实验方案，对试件实施超低温冷却，并进行材料力学性能测试。设计冷却因子数量为4的田口实验方案L9，该实验共有9组。其中，冷却因子中冷却温度的水平为-100℃、-150℃、-190℃，冷却时间的水平为20min、40min、60min，液氮流量的水平为60L/h、90L/h、120L/h，移动速度的水平为50mm/min、100mm/min、150mm/min，试验情况如表1所示：

表1.超低温冷却方案

按照超低温冷却方案中第一组的冷却参数对试件1实施冷却，完成后将试件1放置于室温环境，等待试件1温度恢复至室温，20±5℃并稳定后，对试件1进行拉伸实验、硬度测试、断裂韧性测试，并记录测试结果。依次对超低温冷却方案中第二组、第三组、……、第九组冷却参数分别对试件2、试件3、……、试件9实施冷却，恢复至室温后进行拉伸实验、硬度测试、断裂韧性测试，测试力学性能，并记录测试结果。9个试件的力学性能测试结果见表2。

表2.超低温冷却后试件力学性能测试结果

第二步，计算冷却因子对材料力学性能影响的贡献率。

采用方差分析的方法，针对抗拉强度σ_Ⅰ，根据公式(1)-(3)分别计算因子总平方和因子平方和所以，

冷却温度的贡献率

冷却时间的贡献率

液氮流量的贡献率

移动速度的贡献率

针对屈服强度σ_Ⅱ，根据公式(1)-(3)分别计算因子总平方和因子平方和所以，

冷却温度的贡献率

冷却时间的贡献率

液氮流量的贡献率

移动速度的贡献率

针对伸长率σ_Ⅲ，根据公式(1)-(3)分别计算因子总平方和因子平方和所以，

冷却温度的贡献率

冷却时间的贡献率

液氮流量的贡献率

移动速度的贡献率

针对硬度σ_Ⅳ，根据公式(1)-(3)分别计算因子总平方和因子平方和所以，

冷却温度的贡献率

冷却时间的贡献率

液氮流量的贡献率

移动速度的贡献率

针对断裂韧度σ_Ⅴ，根据公式(1)-(3)分别计算因子总平方和因子平方和所以，

冷却温度的贡献率

冷却时间的贡献率

液氮流量的贡献率

移动速度的贡献率

第三步，利用层次分析法，定量计算冷却因子对不同力学性能影响的权重。根据公式(5)、(6)、(7)计算抗拉强度σ_Ⅰ的冷却因子比较矩阵屈服强度σ_Ⅱ的冷却因子比较矩阵伸长率σ_Ⅲ的冷却因子比较矩阵硬度σ_Ⅳ的冷却因子比较矩阵断裂韧度σ_Ⅴ的冷却因子比较矩阵分别为：

上述矩阵归一化处理并将各列元素相加，得到抗拉强度σ_Ⅰ的列矩阵屈服强度σ_Ⅱ的列矩阵伸长率σ_Ⅲ的列矩阵硬度σ_Ⅳ的列矩阵断裂韧度σ_Ⅴ的列矩阵即

根据公式(8)将抗拉强度σ_Ⅰ的列矩阵中的元素除以4，得到冷却温度的影响权重冷却时间的影响权重液氮流量的影响权重移动速度的影响权重

根据公式(8)将屈服强度σ_Ⅱ的列矩阵中的元素除以4，得到冷却温度的影响权重冷却时间的影响权重液氮流量的影响权重移动速度的影响权重

根据公式(8)将伸长率σ_Ⅲ的列矩阵中的元素除以4，得到冷却温度的影响权重冷却时间的影响权重液氮流量的影响权重移动速度的影响权重

根据公式(8)将硬度σ_Ⅳ的列矩阵中的元素除以4，得到冷却温度的影响权重冷却时间的影响权重液氮流量的影响权重移动速度的影响权重

根据公式(8)将断裂韧度σ_Ⅴ的列矩阵中的元素除以4，得到冷却温度的影响权重冷却时间的影响权重液氮流量的影响权重移动速度的影响权重

第四步，计算各项力学性能对材料综合力学性能的影响权重。根据1Cr18Ni9Ti不锈钢在某用途中的使用要求，将抗拉强度σ_Ⅰ、屈服强度σ_Ⅱ、伸长率σ_Ⅲ、硬度σ_Ⅳ、断裂韧度σ_Ⅴ，两两比较后得出相对重要性程度标度，根据公式(9)构建力学性能比较矩阵Y：

将力学性能比较矩阵Y做归一化处理，然后将每行的列元素相加得到一个列矩阵，最后将列矩阵中每一行的元素除以5，得到抗拉强度σ_Ⅰ的权重屈服强度σ_Ⅱ的权重伸长率σ_Ⅲ的权重硬度σ_Ⅳ的权重断裂韧度σ_Ⅴ的权重

第五步，确定冷却因子对材料综合力学性能影响的权重。根据公式(11)确定冷却温度、冷却时间、液氮流量、移动速度对1Cr18Ni9Ti不锈钢综合力学性能的影响权重ω_A、ω_B、ω_C、ω_D为：

因此，冷却温度、冷却时间、液氮流量、移动速度四个冷却因子对1Cr18Ni9Ti不锈钢综合力学性能的影响权重分别为61％、15％、21％、3％。由此表明超低温冷却中，冷却温度对1Cr18Ni9Ti不锈钢的综合力学性能影响最大，液氮流量次之，液氮喷嘴的移动速度对该材料的综合力学性能几乎无影响。

本发明利用冷却因子有效地表征了超低温加工中液氮的冷却效果，实现了超低温冷却对材料力学性能影响规律的定量评价。结合方差分析法和层次分析法，提高了评价方法的准确度和可靠性。实现了冷却因子对材料综合力学性能影响权重的评价，为超低温加工中冷却温度、冷却时间、液氮流量等冷却因子的定量选择提供了合理依据。