（材料学专业论文）新型铸造合金线收缩应力热裂特性多功能测定仪的研制.pdf

哈尔滨理工大学t 学颁十学位论文 新型铸造合金线收缩一应力一热裂特性 多功能测定仪的研制 摘要 精确测定不同铸造合金的凝固特性对于优化铸造工艺、获得满足性能和尺 寸要求的铸件具有十分重要的意义。已有的测定铸造合金热裂、应力、线收缩 参数的仪器不仅操作不便，而且功能单一。 本文研制一种新型铸造合金线收缩一应力一热裂特性多功能测定仪，它可以 方便准确的测定金属热裂、应力、线收缩特性。该装置主要由定位单元、卸载 单元、传感器组、造型单元和数据采集与处理单元五大部分构成。定位单元用 于实现测试定位和测试功能变换；卸载单元采用丝杠传动，可方便省力的完成 卸载操作；小车结构的传感器组不但可实现测试功能三位一体的设计要求，而 且还提高了仪器的测试精度；造型单元的砂箱为水平分型的上下两箱结构，利 用同一型板、同一砂箱，通过更换不同模型可完成不同性能参数测试；信号采 集与处理部分的核心是亚当模块，上位机中央管理程序应用v b 设计。由于革 新了传统仪器的机械结构和采用工控机采集与处理数据，因而使其操作更方便、 工作更可靠。 本文详细介绍了各单元的设计方法，同时给出了新型仪器用于评定典型铸 造合金的热裂、线收缩、应力特性的试实验结果。结果表明该仪器可为研究液 态合金凝固特性提供大量有用信息，而且具有较好的后续功能可扩展性，经适 当开发，可构成小型铸造工艺设计专家系统。 关键词线收缩；应力；热裂；铸造合金 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 d e v e l o p m e n to fan e w m u i j r i f u n c t i o n a ld e v i c ef o rt e s t i n g l i n e a rs h i u n k a g ea n ds t r e s sa n dh e a t c h e c ko fc a s t i n ga l l o y a b s t r a c t t ot e s ts o l i d i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fv a r i o u sc a s t i n ga l l o ya c c u r a t e l yi sv e r y s i g n i f i c a n tf o ro p t i m i z i n gc a s t i n gt e c h n i q u ea n dg e a i n gc a s t i n g sw i t hs o u n dp r o p e r t y a n da p p r o p r i a t ed i m e n s i o n s b u tt h ei n s t r u m e n t so ft e s t i n gh e a tc h e c k ，s t r e s sa n d l i n e a rs h r i n k a g eo fc a s t i n ga l l o ya tp r e s e n ta r en o to n l yi n c o n v e n i e n ti no p e r a t i o nb u t a l s ou n i t a r yi nf u n c t i o n an e wm u l t i f u n c t i o n a ld e v i c ef o rt e s t i n gl i n e a rs h r i n k a g e ，s t r e s sa n dh e a tc h e c k o f c a s t i n ga l l o ye a s i l ya n dq u i c k l yi sd e v e l o p e di nt h ep a p e r i tm a i n l yc o n s i s t so f l o c a t i o nu n i t ，u n l o a d i n gu n i t ，s e n s o rs e t , m o l d i n gu n i ta n dd a t aa c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n gu n i ta n ds oo i l t h el o c a t i o nu n i ti su s e dt ol o c a t ea n dt r a n s f o r mt h e t e s t i n gf u n c t i o na n dt h eu n l o a du n i tc a nu n l o a ds t r e s se a s i l yb ym e a n so fg u i d es c r e w t h ed e s i g no ft h es e n s o r so nas m a l lb a r r o wn o to n l ym e e t st h er e q u e s to ft e s t i n g t h r e ep a r a m e t e r st o g e t h e r ，b u ta l s oi m p r o v e st h et e s t i n gp r e c i s i o n t h ef l a s ko ft h e m o l d i n gu n i ti n c l u d e sac o p ea n dad r a ga n db ym a k i n gu s eo ft h es a r n em o u l da n d f l a s ka n dr e p l a c i n gt h ed i f f e r e n tm o d e lt h ed i f f e r e n tp a r a m e t e r sc a nb em e a s u r e db y t h ed e v i c e a l lt h ed a t aa r ea c q u i r e db ya d a mm o d u l e sa n dp r o c e s s e db yp cu n d e r t h ec o n t r o lo fc e n t r a lm a n a g e m e n tp r o g r a md e s i g n e db yv b t h en e ws y s t e mc a nb e o p e r a t e dc o n v e n i e n t l ya n dc a nr u ns t a b l yd u r i n gt e s t i n gb e c a u s eo fa d o p t i o no f i n n o v a t i v em e c h a n i s ma n di n d u s t r i a lc o m p u t e r i nt h i sp a p e rt h ed e s i g nm e t h o d so fe v e r yu n i ta l ei n t r o d u c e di nd e t a i la n dt h e e x p e r i m e n tr e s u l t so fl i n e a rs h r i n k a g e ，s t r e s sa n dh e a tc h e c kg o tb yt h en e wd e v i c e a r ep r e s e n t e d i ti sp r o v e db yp r a c t i c a la p p l i c a t i o nr e s u l t st h a tt h ed e v i c ec a no f f e r m o r eu s e f u li n f o r m a t i o no fr e s e a r c h i n gs o l i d i f i c a t i o nc h a m c t e r i s t i c so fc a s t i n ga l l o y i i 哈尔滨理工大学t 学硕十学位论文 a n di th a st h em e r i t so fe x t e n d i n ge a s i l yf o l l o w i n gf u n c t i o n a f t e rf u r t h e rd e v e l o p e d ， i tc a l lc o n s t r u c tas m a l le x p e r ts y s t e mo fc a s t i n gt e c h n o l o g i c a ld e s i g n k e y w o r d s l i n e a rs h r i n k a g e ；s t r e s s ；h e a tc h e c k ；c a s t i n ga l l o y u i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文新型铸造合金线收缩一应力一热裂 特性多功能测定仪的研制，是本人在导师指导下，在哈尔滨理： 大学攻读硕：匕 学位期间独立进行研究工作所取得韵成果。据本人所知，论文中除己注明部分 外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 烈，葡 同期：z o o 绰3 月j 己日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 新型铸造合金线收缩一应力一热裂特性多功能测定仪的研制系本人在哈尔滨 理工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究 成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。 本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨 理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部 或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密e r 。 ( 请在以上相应方框内打 ，) 作者签名：氯谦 日期；u 蹦年3 月，2 月 名膏锡吼钟户2 日 t 哈尔滨理t 大学t 学硕卜学位论定 1 1 课题来源及意义 第1 章绪论 铸造作为传统产业经历了漫长的发展过程。现代的铸造工业是制造业的重 要分支，对国民经济的发展，特别对很多重要行业，如汽车制造、航空航天、 能源工业等，部具有重要影响。中国是世界铸造大国，但不是铸造强国，铸件 质量和铸造劳动生产率都有待进一步提高【i h 2 。 铸造生产过程是一个复杂的物理化学过程。所生产铸件的质量是生产过程 影响产品质量的诸多因素的综合反映：是工艺过程网络有机结合的最终体现。 铸造过程的各个二级工艺过程，例如零件结构设计、工艺设计、砂处理，造型、 制芯、熔炼、浇注、凝固及冷却、清理等等都会影响最后的铸件质量。尽可能 地预防和消除铸件缺陷，能够低成本、低能源消耗、低污染地生产出优质的铸 件，是铸造生产追求的最终目标【，l 。 铸造合金在凝固过程中所产生的埋性变形、内应力、裂纹等缺陷【4 】，主要 是液态合金凝固后期的固态收缩所致。铸造工艺设计中，必须事先知道合金的 收缩特性，以便采用必要的工艺措施保证生产出合格的铸件。铸造应力是铸件 冷却进入弹性区域以后，由于收缩受到阻碍而形成的内应力，应力残留于铸件 中容易造成使用过程中的变形，而消除铸造应力的基础是研究液态合金凝固过 程中的应力变化规律。热裂特性的测量对于合理选择铸造工艺唧、减少或消除 铸件裂纹具有非常重要的作用1 6 虽然有关铸造合金线收缩、应力和热裂三参数检测方法与装置的研究工作 已有很多报道，一些仪器在生产中也得到实际应用。但多数仪器功能单一，或 在不同程度上存在结构不合理问题，使其实际应用受到一定影响。因此，研制 一种结构合理、操作方便，具有综合测定铸造合金线收缩、应力和热裂特性等 功能的仪器，对于准确把握合金特性和优化铸造工艺无疑具有重要实际意义川。 1 2 热裂、热应力和线收缩产生的原因 1 2 1 热裂产生的原因及对铸件的影响 铸件在凝固后期，固相已形成完整的构架之后，就开始了固态的线收缩， 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 即线收缩不是从完全凝固以后的温度才开始，而是在结晶区间内的某一温度就 开始y t m 。此时的线收缩如果受到阻碍面产生裂纹就称之为“热裂”显然这种 裂纹足在高温下形成的，此温度应高于其完全凝固时的温度。热裂是钢铸件( 特 别是合金钢铸件) 、可锻铸铁件和某些铝合金铸件生产中常见的一种铸造缺陷， 据统计，在钢铸件修补和废品总数中，由于热裂引起的约占2 0 以上1 9 1 。 热裂形成的机理主要有液膜理论和强度理论。液膜理论认为【l o l ，热裂纹的 形成是由于铸件在凝固期间存在液膜和铸件在凝固过程中受拉应力共同作用的 结果。液膜是产生热裂纹的根本原因，而铸件收缩是产生热裂纹的必要条件。 强度理论认为【l o l ，铸件在凝固后期，固相骨架已经形成并开始线收缩，由于收 缩受阻，铸件中产生应力和变形。当应力或变形超过合金在该温度下的强度极 限和变形能力时，铸件便产生热裂纹【1 ”。 热裂可分为外裂和内裂，外裂发生在拐角处截面厚度有突变或局部冷凝慢 且在凝固时承受拉应力的地方；内裂通常产生在铸件内部最后凝固的部位，也 常出现在缩孔的附近和尾部。外裂大部分可用肉眼观察到，细小裂纹用磁力探 伤或其它方法检测；内裂用x 射线、r 射线或超声波探伤。热裂会降低铸件的 机械性能，在铸件工作时裂纹扩展造成断裂。热裂特性的测量对于合理选择铸 造工艺、减少或消除铸件裂纹具有非常重要的意义【1 2 l 。 1 2 2 热应力产生的原因及对铸件的影响 铸件在凝固和以后的冷却过程中，发生线收缩，有些合金还发生固态相变， 都会引起体积的膨胀和收缩。这种变化往往受到外界的约束或铸件各部分之间 的相互制约而不能自由地进行，于是在产生变形的同时还产生应力，这种应力 称为铸造应力。铸造应力按其产生原因分为三种：热应力、相变阻力和机械阻 碍应力【“。热应力：铸件在凝固和其后的冷却过程中，由于各部分冷却速度的 不同，造成同一时刻收缩量的不一致，铸件各部分彼此互相制约，而产生应力。 这种应力称为热应力【。相变应力：合金在冷却过程中由于发生固态相变，使 晶体体积发生改变，影响到铸件收缩而产生的应力称为相变应力。收缩应力： 铸件冷却到弹性状态后，由于收缩受到机械阻碍而产生的应力。 铸造应力和铸件的变形对铸件的质量影响很大。铸造应力是铸件在生产、 存放、加工以及使用过程中产生变形和裂纹的主要原因，它降低铸件的使用性 能。例如，当机件工作应力与残余应力的方向相同时，应力叠加，可能超出合 舍的强度极限，发生断裂。有残余应力的铸件，放置日久或机械加工会变形， 使机件失去精度。产生变形的铸件可能因加工余量不足而报废。在大批量，产 哈尔演理1 大学_ 学硕卜学付论文 时，变形的铸件在机械加工时因放不进夹具而报废。因此尤其对铸件要求较高 的铸件，防止产生变形尤为重要。 1 2 3 线收缩产生的原因及对铸件的影响 铸件在液态、凝固态和固态的冷却过程中，所发生的体积减小现象称为收 缩【1 ”。收缩是铸件中许多缺陷如缩孔、缩松、热裂，应力、变形和冷裂等产生 的基本原因。因此，它是获得符合要求的几何形状和尺寸，以及致密优质铸件 的重要铸造性能指标之一。液态合金从浇注温度到常温冷却过程分三个阶段：1 ) 液态收缩阶段；2 ) 凝固收缩阶段；3 ) 固态收缩阶段。其中，金属在固态时的 线尺寸改变量，称为线收缩。在设计和制造模型时，需要知道线收缩。因为这 个阶段对铸件的形状和尺寸的精度影响很大。另外，金属的线收缩是铸件中产 生应力变形和裂纹的基本原因。 对于有结晶温度范围的合金，其线收缩不是完全凝固以后才开始，而是在 结晶温度范围中的某一温度开始。线收缩与状态图存在联系，如铸铁固态收缩 分为：1 ) 珠光体转变前收缩，2 ) 共析转变期膨胀。3 ) 珠光体转变后收缩。 其中，缩i j 膨胀和珠光体转变i j 收缩对铸件热裂倾向有重大影响。共析膨胀和 珠光体转变后收缩对铸件产生应力变形和冷裂有影响。对于简单棒状铸件可忽 略机械阻力，但在凝固后期不易得到外部合金液的补充，往往在轴线区域产生 缩松。现有的合金在固态收缩过程所产生的塑性变形、内应力、挠曲裂纹等缺 陷，主要是由于液态合金凝固后期的固态收缩所致【1 6 l 。铸造工艺设计中，必须 知道合金的线收缩特性，以便采用必要的补救措施并保证生产出合格的铸件旧。 1 3 铸造合金特性检测的研究现状 1 3 1 铸造合金线收缩检测 金属在固态收缩时的线尺寸的改变量，称为线收缩。对于纯金属和共晶合 金的线收缩是在金属完全凝固后开始的。对于具有一定结晶温度范围的合金， 当液态金属的温度低于液相线温度时，便开始结晶，但是，由于枝晶还比较少， 不能形成连续的骨架，仍为液态收缩性质。当温度继续下降时，枝晶数量牙始 增多，彼此相连构成连续的骨架，合金则表现为固态的性质，即开始线收缩。 因此，有结晶温度范围的合金的线收缩不是从完全凝固以后才开始，而是在结 晶温度范围中的某一温度开始，在测量时需要以温度作辅助参数来精确确定线 收缩的大小，否则将无法确定何时为线收缩阶段【1 8 】。 - 哈尔演理t 大学t 学硕卜学俯论文 典型铸铁的固态收缩曲线如图i - i 所示，它主要分为以下五个阶段： 最初收缩8 初一收缩发生在铸铁凝固开始后，已经凝固的外壳体积缩小 j 芦 7 婷 擎 0 迎i 时间t 董 蛩 幽l i 铸铁的崮态收绍曲线 f i g 1 一it h e c u n ，eo fc a s ti r o ns o l i ds t a t es h r i n k a g e 缩前膨胀铸铁在凝固过程中，继续析出石墨，因而体积膨胀。 珠光体前收缩8 璩前一收缩发生在共析转变温度以上，它和石墨化有关。 共析转变膨胀缸一奥氏体转变为铁素体相变的体积增大和第二次石墨化 的体积膨胀。 珠光体后收缩8 臻后一收缩发生在共析转变温度以下，它和石墨化有关，因 在此温度下石墨化已不再进行。 因此，铸铁的固态线收缩应为1 ”1 1 2 0 1 ： 占l 韧一占前+ e 珠前一拭+ 珠后( 1 - 1 ) 目前国内成形设备有很多，其中大连理工大学研制的z q s 2 0 0 0 型双试棒 合会热裂一线收缩仪1 2 1 1 最具代表性，此外还有山东建筑工程学院材料系研制的 “铸铁动态线收缩测试装置”1 2 2 1 ，哈尔滨理工大学材料学院研制的微机化合金 t 哈尔滨理t 定学t 学硕卜学竹论文 线收缩仪【“，佳木斯工学院材料系改制的铸造合金动态线收缩测定仪等。下 面以三种仪器为例，分析仪器的组成及工作原理。 1 3 1 1z q s - 2 0 0 0 型双试棒合金热裂线收缩仪z q s 2 0 0 0 型双试棒合金热裂线 收缩仪具有测定铸造合金热裂和线收缩的综合测试功能，线收缩测试工作原理 如图1 2 所示。直浇口棒设在试棒的中点上，测试棒两端呈自由收缩状态。右 端的收缩通过导杆向左移动，而百分表和位移传感器安装在基架左端。左端的 收缩通过石英棒向右移动。因此，百分表和位移传感器的示值是同步的，并且 是两端自由收缩值刚性叠加。实验采用潮模砂造型，造好型后放置在工位上， 要保持试样处于水平状态。合金浇注温度为7 2 0 ，采用快速热电偶和x m z 温 度显示仪测定温度。液态合金从试棒中部注入。通过i i 字形刚性传动杆将两端 自由线收缩量的复合运动叠加在一起，位移传感器与百分表同步动作，可测出 最终的线收缩量a 己。采用x - y 函数记录仪同步可自动测得浇注后任意温度时 合金的自由线收缩量。必须等待合金冷却到室温，取出试样，测量全长l ，计 算线收缩率“。试样形状和尺寸如图1 3 所示。 l 一位移传感器2 一自分表3 _ x 2 y 函数记录仪4 一石墨套 5 热电偶6 铸型7 试棒8 一玻璃棒图 图1 - 2 线收缩仪工作原理及铸型装配图 f i g 1 2 t h e d r a w i n g o f o p e r a t i n g p r i n c i p l ea n da s s e m b l i n g m o u l d o f l i n e a rs h r i n k a g e 图1 3 试样模犁的形状和尺寸图 f i g 1 - 3t h ed r a w i n g o fs h a p ea n ds i z eo fi e s t i n gs a m p l e 哈尔演珲t 足学t 学硕士学位论文 1 3 1 2 铸铁动态线收缩测试装置 1 测试装置的设计铸造合金动态线收缩测试装置主要由试样采集、信号检 测和图形记录三部分组成，如图1 - 4 所示。 1 一图形记录仪2 啦移传感器3 - 连接套禾测杆5 砂璎6 - 石墨楔块7 _ 温度传感器8 砂箱 图1 - 4 铸造合金动态线收缩实验装置图 f i g 1 - 4 t h e d r a w i n g o f e x p e r i m e n td e v i c e f o r t e s t i n g d y n a i i i i c l i n e a rs h r i n k a g e o f c a s ta l l o y 试样采集部分主要包括砂箱、砂型和石墨楔块。砂型用水玻璃砂制成，试 样尺寸为：2 0 5 x 1 9 x 1 8 m m 石墨楔块在测试中起固定作用。信号检测部分主要包 括石英棒测杆、差动变压器、整流电路以及热电偶等。这一部分的作用足将合 金收缩过程中产生的位移和温度变化，通过整流放大后提供给图形记录器。图 形记录器部分主要足自动图形记录器，它的作用是把位移电信号和温度电信号 以函数图形的形式记录下来，形象准确地反映出合金在冷却过程中的整个收缩、 膨胀及温度变化过程。 2 位移传感器电路系统设计及实验装置工作原理位移传感器的核心部件 是差动变压器。差动变压器是由初级线圈和两个参数完全相等的次级线圈以及 纯铁铁芯构成，当铁芯位于两个次线圈的中间位置时，由于两个线圈的连接方 向相反，所以产生的感应电动势大小相等方向相反，输出电势为零。但是当试 样收缩并通过石英测棒带动铁芯向一边移动时，在两个次级线圈中产生方向相 反而大小不等的电势，二者之差就在输出端形成一定的电压，大小与位移相应 成正比，并且具有良好的线性关系和高的灵敏度。为了满足差动变压器的要求， 在差动变压器的前端设计了整流稳压、多谐振荡电路。为满足图形记录仪要求， 在图形记录仪前端设计了相敏整流电路，把交流信号变成图形记录器能接受的 直流信号。 当金属液体浇注到试样后，由于温度的不断降低，晶体结构的变化会导致 试样的体积发生变化，这些变化会通过图形记录器对位移信号和温度信号进行 实时测试。绘制两信号变化曲线，最终形成冷却曲线和收缩曲线图形。对曲线 各阶段变化进行定量或定性分析，就可以了解合舍的凝固特点、晶体结构变化、 一 哈尔滨理丁大学t 学硕卜学付论芷 工艺性能及材料的物理性能等。 1 3 1 3 微机化合金线收缩仪微机化合金线收缩仪测试系统总体构成如图1 5 所示，其中热电偶用于测定合金温度，试样冷却过程中的线收缩通过导杆传给位 移传感器。a d 5 9 0 用以检测环境温度以进行热电偶的冷端温度补偿，它是一种 两端集成电路传感器，其输出电流和绝对温度成正比，线性度及互换性好，且 具有抗干扰能力强、功率低、对电流电压漂移和波动不敏感等特点嘲。三路模 拟信号由放大滤波电路处理后，再经a ，d 模数转换变成数字量，由单片机进行 处理，最后由显示器输出测试结果。 图1 - 5 微机化合金线收缩系统总体构成 f i g 1 - 5t h ec o n s t r u c td r a w i n go fa l l o yl i n e a rs h r i n k a g es y s t e mb a s e do nc o m p u t e r 为测定试样的线收缩量，设计了一种电阻应变式传感器。选用铍青铜作为 弹性元件，该材料具有弹性好、强度高、弹性滞后及蠕变极小、抗磁性和抗腐 蚀性好的特点，使用温度为1 0 0 1 5 0 ，在实验室条件下完全满足要求。其 测量电桥电路如图1 - 6 ( a ) 所示，r 心为电阻应变片，r 为精密电位器。其中r 、 兄为工作臂，分别贴于弹性元件的正反两面，如图1 - 6 ( b ) 所示。最、凡为补偿 臂，民用以调整电桥平衡。当弹性元件发生应变时r 与恐阻值变化相同但方向 相反，即 a r t ；一r 2 = a r 故电桥输出为： u 。一坠( 蝇一从：) 一坠笋( a r ) 式中k 应变片灵敏度系数： ( 1 2 ) ( 1 - 3 ) 啥尔滨理t 大学t 学硕卜学位论文 蝻夕r 2 r i 多板 y雹板 匡虱l 呈b 4l a ) 传感器电桥电路b ) 应变片的粘贴 图l - 6 传感器电桥电路及应变片的粘贴 f i g 1 - 6 t h eb r i d g ec i r c u i t o f s e n s o r a n d t h e p a s t e w a y o f s t r a i ng a u g e a r 电阻应变片的阻值变化： u 电桥电压； u 。电桥输出 1 3 2 铸造合金内应力检测 铸件的内应力是铸件生产、加工和使用过程中产生热裂、冷裂及变形等现 象的根本原因。迄今为止，常用的测试铸造应力的方法可归结为三种：应力框 切断法，实际铸件直接测试法和动态应力仪测定法。 1 3 2 1 应力框切断法应力框切断法如图1 7 所示在三根横杆中，中间是一根 粗杆，受拉应力，两边是对称分布的两根细杆，受压应力，三根杆左右两端的 纵向连接杆较粗，即可将三杆之闻视为刚性连接。测量应力棒中应力大小的方 法如下：首先用游标卡尺或读数显微镜测量粗杆中间两点a 、b 的距离厶，然 图l - 7 应力框简图 f i g 1 7t h es k e t c hm a po fs g r e s sf r a m e 略尔滨坪丁定学t 学硕 学付论丈 后在两点之间c 处用锯将其割断，因杆中拉应力释放，故如，厶，此时，测得 两点4 、b 问的距离匕。中间杆残留拉应力计算公式如下： 。；e e ；e l 2 - ，1 ( 1 - 4 ) l 式中盯应力； 应变； e 弹性模量， l 横杆长度 这样日j 接地求得了应力框的应力值。 这种方法虽然简单，但须事先了解或测试被测合金在其测试温度下的弹性 模量e 值，加之在锯断应力框粗枝的整个操作过程中产生应力松弛，都会使应 力框切断法计算所得的应力值与实际应力值有一定误差。另外，应力框切断法 只能测定残余应力值，不能测定铸造应力产生和发展的动态过程。 1 3 2 2 实际铸件直接测试法实际铸件直接测试法( 又称应力释放法或盲孔法) 就是在工件上钻一小通孔或不通孔，使被测点的应力得到释放，并由事先贴在 孔周围的应变计测得释放的应变量，再根据弹性力学原理计算出残余应力来。 标定试件贴片方法如图1 8 所示，由于钻孔的直径和深度都不大，不会影响被 测构件的正常使用。其计算公式如下： 图1 8 贴片方试图 f i g 1 8t h ed r a w i n go ft h ew a yo fp a s t i n gs t r a i ng a u g e d j 岳“w 等厄i 万可丽0 - 5 ) 式中0 ，第i 层的残余应力； ：、s ：、翥第f 层钻孔时o 。、4 5 。、9 0 。三个方向应变测肇值； 哈尔滓理1 - 大学t 学硕卜学竹诊史 a 、通过杯定比例系数雹和砭后的公式计算值 该方法虽然可直接测得实际铸件的铸造应力，但只能测得铸件表层的应力 值。测得的应力值只能定性描述该铸件的应力分布趋势，还破坏了该铸件的完 整性。 1 3 2 3 动态应力仪测定法铸件的热裂、冷裂、变形和残余应力等铸造特性并不 是孤立的，铸造生产中会发生哪一种情况，因合金种类、铸件结构、铸造工艺 条件等的不同而异。如果在一定的试样和工艺条件下，研究合金因素对生产铸 造应力的影响，用来评价某种合金的从高温到低温的力学特性的优劣是完全可 能的。基于这种设想，出现了采用动态应力仪连续测定合金铸造应力的方法。 如大连理工大学研制的“通用框形合金动态应力测定仪”。 1 仪器结构仪器结构如图1 - 9 所示，它由电器箱、测力部分、模板模样及 底座四个部分组成。 l 端梁2 一连接套3 m 1 6 连接螺杆4 一砂箱5 _ - e 形试样 蝴模孔7 圭接螺栓雠接杆啡感器l 卸载螺母 图1 - 9 通用框形合金动态戍力测定仪结构示意图 f i g 1 - 9 t h e $ 1 r t t c = t i i r es c h e m a t i c d r a w i n g o f g e n e r a l f r a m e d y n a m i cs t r e s s t e s t i n g d e v i c e 电器箱内装有x c 压1 0 l 型动圈测温表及6 v 直流电源。测力元件为装在受 力框内的b l r 1 5 0 0 型和b l r 1 ，1 0 0 0 型拉压力传感器。模板、砂箱为铝合金铸 件，底座为钢板焊接件。为保证传感器工作稳定，采用5 k v a 6 1 4 c 3 型电子交流 稳压器作稳压电源。为防止金属凝固放热，使传感器环境温度不超过容许限度 ( 一般为5 0 ) ，连接套采用水冷。 e 形试样的铸型采用砂型湿型。e 形试样( 5 ) 的粗细枝分别与连接套( 2 ) 哈尔滨珲t 大学t 学硕卜学位论文 ! ! ! ! = ! ! ! ! = ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = ! = ! ! ! = ! ! ! ! ! = = = = = ! ! ! ! ! ! ! ! = = ! ! = ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 詈! ! 上的m 1 6 连接螺杆( 3 ) 铸接。m 1 6 连接螺杆为消耗件，每浇一试样更换一次。 水冷连接套通过连接螺栓( 7 ) 与拉压力传感器相连接，传感器的另一端与端梁 ( 1 ) 紧固。金属液通过浇口浇入铸型后，e 形试样凝固冷却，使e 形试样和传 感器、端梁构成整体应力框。其中e 形试样在铸型内是被测量的部分，其余在 铸型之外的是测鼍部分。 。 2 仪器工作原理当会属液通过浇口浇入e 形试样型腔时，由于试件两侧 细枝与中间粗枝截面不相等，所以粗、细技凝固收缩及温度均不相等，因而最 终两侧细枝产生压应力，中俩粗枝产生拉应力，通过拉压式传感器把电讯号输 入到l z 3 4 0 4 型函数记录仪中，同时记录温度、力曲线。根据数据记录曲线， 计算出被测试合金试件的应力值与温度值在整个测试过程中的相互关系，考 查合金铸造应力的建立过程，分析不同合金铸造应力的形成特点。 3 仪器的主要技术指标 测试范围： 粗枝：1 0 0 0 0 n ：细枝：5 0 0 0 n ( 根据传感器确定) 模样尺寸： 粗技：2 0 x 2 0 x 3 0 0 m m ；细技：2 0 x1 0 x 3 0 0 r a m 。 1 3 3 铸造合金热裂检测 如何评定合会的热裂倾向性一直是材料研究工作者所关心的问题嘲嗍。 1 9 8 6 年，我国制定了相应的台金热裂倾向测试方法标准p l 。合金热裂倾向性的 评定主要有实验评定和理论评定两种方法 1 3 3 1 实验测试方法包括热裂纹法、临界尺寸法、热裂环法和电阻截面积法 等。 1 热裂纹法热裂纹法i a o l 是合金在两端受阻的情况下凝固，观测热裂纹的 长度或条数，依此评价合金热裂倾向性此法简单、直观，但耄复性差。 2 临界尺寸法临界尺寸法1 3 l i 又分为临界直径法和临界长度法。 图1 1 0 所示为用于铜合金的工艺试样型用石墨制成，图中尺寸刻度为m m 各捧长度一样，但直径不同。细棒冷却快，变形速度大，加上有效承载面积小， 应力较大，因此比粗棒容易形成热裂。该法取临界直径的平方作为合金热裂倾 向性的评价指标，值越大则合金热裂倾向性越大。 临界长度法与临界尺寸法相似。但试样各棒截面积相同，而长度不同，长 捧收缩量大，应力大于短棒，变形速度也大于短棒，因此长棒比短棒容易形成 哈尔滨珲t 大学丁学锄卜学位论文 热裂。把棒中不同裂纹程度换算成指数，并将各捧指数之和作为热裂倾向性的 评价指标，其值越大，说明合金的热裂倾向越大。 幽1 l o 临界亘行法热裂试样 f i g 1 - 1 0t h eh o tc r a c ks a m p l eo f t h el i m i td i a m e t e rm e t h o d 为了形成不同的收缩阻碍，设计了三组试样宽度( “工”字高度) 尺寸，再 结合热裂的程度，将热裂情况划分为7 种热裂倾向性等级，依此评定定向凝固合 金热裂倾向性。 3 热裂环法热裂环法 3 2 1 最为广泛的合金热裂倾向性实验评价方法。如图 1 1 1 所示，砂型中有两个直径为f 1 0 8 r a m 的圆盘型腔，并在各自的中心分别安置 钢芯，其直径的大小决定了热裂环的宽度。在正对内浇道的外型中放置冷铁， 以便在合金最后凝固的地方形成热裂。合会热裂倾向性大小用热裂环出现热裂 纹的最大宽度来表示。其值越大则表明热裂倾向性越大，抗热裂的能力越小。 冷铁钢芯浇口 钢芯冷铁 图l l l 热裂环试样 f i g 1 1 1t h et e s t i n gs a m p l eo f h o tc r a c kl i n k 临界尺寸法和热裂环法工艺简单，操作方便。但这些方法不能观测热裂过 程和热裂形成温度，因此此类方法不能用于研究热裂形成机理。 4 电阻有效截面积法由于热裂纹形状不规则，尤其是某些内裂纹更是难 以观测，故雉以对热裂特征定量化。电阻有效截面积法很好地解决了这一问题。 c l y n e t 矧和d a v i e s 感线圈加热结合水冷以控制试样的凝固条件，研究了越m g 合 金在不同凝固条件下的热裂倾向性。 哈尔滨理t 大学t 学砀卜学竹论定 1 3 3 2 理论评定方法包括c s c 判据和h c s 判据。 1 c s c 判据c l y n e 和d “i s 了用不可补缩区凝固时间分数f v 和可补缩区凝固 时日j 分数k 的比值c s c ( c r a c k i n g s u s c e p t i b i l i t y c o e f f i c i e n t ) 来预测非定向凝固合 金的热裂倾向性，其算法为：c $ c - 卫 k 对于具官共晶的二元合金 ! ! ：五! 垡! ! 墨：翌 ( 1 厶) h c + f 瓦一r ， 式中纠籍声； f 凝固时间； t 液相线温度： 五液相分数； 砭共晶点温度； 厶共晶分数： r 合金温度； 日熔化热； 乙纯组元熔； ( 1 - 6 ) c 比热； 七溶质分配系数 代入相应的物理参数，即可求得合金的c s c 值。c s c 值越大，则合金的热 裂倾向性越大。并用此法研究y a i - s i 系、a i m g 系、a i - z n 系等系列合金，与通 过热裂环等实验方法得到的结果有较好的一致性。丁浩等人口4 1 将c s c 法用于研 究刖- c u 合金，理论值与实验值基本符合。 2 h c s 判据r r a p p a zm 和d r e z e tj m f 3 5 1 裂敏感性系数h c s r h o t c r a c k i n g s e n s i t i v i t y ) 作为判断合舍热裂倾向性的标准，并用于研究a 1 c u 系合金。 略尔滨理t 大学t 学硕+ 学位论艾 假设技晶在给定的温度梯度( g ) 和液相线移动速度( 吩) 下生长。对于大多数 合金来说，固相的密度( 风) 要大于液相的密度( 几) 。因此，为了补偿收缩，金 属液沿着与凝固方向相反的方向流动。枝晶框架产生垂直于技晶生长方向上的 拉伸应变，一，如果周围的液体能补偿这一形变，则不会发生热裂；如果压力 降到热裂形核的临界压力( 睨。) p 奠- f ，则产生热裂核心。热裂核心一旦产生， 热裂纹必然会进一步扩展。根据d a r c y 定律和c a i 咖卸k o z 吼y 公式，可以推导出 热裂形核的临界压力表达式： 一可1 8 0 等 肌帮( 器产一乃 以及枝晶根部热裂形核的临界形变率表达式： 小盖忐必一南h ( 1 - 8 ) 最终求得， h c s ，( 1 - 9 ) p ，m 缸 式中声一收缩因子，。( 箸一- ) ； r 合舍温度； 合金粘度； 正固相分数； 九二次技晶间距； ，t 哈。金液流速。 g 温度梯度； ，一合金热裂形核的临界率。 盟州端 哈尔滨理t 大学丁学硕十学位论文 瓦固相线温度； 4 足热裂核所受压力 h - j z 踹d t ( d a t a x c r ) t h e g ei sd or e s p o n s ei ft h em o d u l ed e t e c t sas y n t a xe r r o ro f c o m m u n i c a t i o ne r r o ro ri ft h es p e c i f i e da d d r e s sd o e sn o te x i t s r e s p o n s e i sad e l i m i t e rc h a r a c t e r ( d a t a ) i s t h ei n p u tv a l u ei nt h ec o n f i g u r e dd a t af o r m a to ft h e i n t e r r o g a t e d m o d u l e ( f o rd a t af o r m a t s , s e ea p p e n d i xb 1 ( c r ) i st h et e r m i n a t i n gc h a r a c t e r , c a r r i a g er e t u m f 0 d h ) c o m m a n d ： # 3 3 ( c r ) r e s p o n s e ： + 5 8 2 2 2 ( c 0 t h ec o m m a n di n t e r r o g a t e st h ea n a l o gi n p u tm o d u l ea sa d d r e s s3 3 hf o ri t si n p u t e x a m p l e v a l u e t h ea n a l o gi n p u tm o d u l er e s p o n d sw i t h + 5 8 2 2 2v o l t s ( t h ec o n f i g u r e dd a t a f o r m a to ft h ea n a l o gi n p u tm o d u l ei nt h i sc a s ei se n g i n e e r i n gu n i t s 、 c o m n _ a n d ： 舵l ( c r ) r e s p o n s e ：+ 7 2 1 1 1 + 7 2 5 6 7 + ”1 2 5 + 7 1 0 0 0 + 7 4 7 1 2 + 7 2 5 5 5 + 7 1 2 3 4 + 7 5 6 7 8 ( c r ) t h ec o m m a n di n t e r r o g a t e st h ea n a l o gi n p u tm o d u l ea ta d d r e s s2 1 hf o ri t si n p u t e x a m p i e v a l u e so f a l lc h a n n e l s t h ca n a l o gi n p u tm o d u l er e s p o n d sw i t hc h a n n e l sf r o m0t o7w i t h + 7 2 1 1 1 v o l t s ，+ 7 2 5 6 7v o l i s , + 7 3 1 2 5v o l t s , + 7 1 0 0 0v o l t s , + 7 4 7 1 2v o i t s , + 7 2 5 5 5v o l t s , + 7 1 2 3 4v o l t s a n d + 7 5 6 7 8v o l t s 3 5 本章小结 本誊主要介绍了温度、应力及位移传感器选取方法及校对结果，信号采集 3 6 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 与预处理电路设计方法。简介了a d 转换模块的选择方法、a d 模块的功能与 特性，给出了相关控制指令 略尔演珲t 大学t 学碗卜学位论文 第4 章上位机管理程序设计 以上位机为核心构建数据采集与处理系统，不仅可以缩短开发周期，而且 便于提高整个系统的测试精度、智能化程度和工作稳定性1 4 2 l 。本章将介绍人机 交互界面、时序控制、数据接收、测试功能选择、数据调用及坐标查询等程序 的设计方法。 4 1 人机交互界面设计 入机交互界面向用户提供所需的功能选项。在上位机程序中，设定了初始 界面、实验操作界面、实验数据调用界面和详细查询界面。运行程序时最先弹 出如图4 1 的初始界面，此界面向用户提供三种选择方式。 图4 - l 多功能检测仪韧始界面 f i g 4 - 1 t h e i n i t i a l i n t r a c e o f m u l t i f t m c t i o n a l t e s t i n g d e v i