李紅斌，徐樹成，邢滿江，黃海端

(1.河北聯(lián)合大學(xué)河北省現(xiàn)代冶金技術(shù)重點實驗室，河北唐山 063009;2.河北任丘建投熱電有限責(zé)任公司，河北 任丘 062550;3.河北聯(lián)合大學(xué)遷安學(xué)院，河北唐山 064400)

0 引言

在金屬材料的塑性加工過程中，塑性變形的同時常常伴隨著金屬溫度隨之升高的現(xiàn)象。在低應(yīng)變率下的塑性變形通常處理成等溫過程，在應(yīng)變率為10－4～10－3s－1時試樣受到拉伸，并沒有表現(xiàn)出明顯的溫升現(xiàn)象［1］。而在高應(yīng)變率時的變形過程往往可近似為絕熱過程，且變形做功可轉(zhuǎn)換成導(dǎo)致試件產(chǎn)生溫升的熱量，而溫升往往導(dǎo)致材料軟化［2］。MacdougallD等［3］人認(rèn)為金屬材料的塑性功轉(zhuǎn)熱系數(shù)η是一個介于0.8～1.0的常數(shù)。但也有文獻(xiàn)［4］指出功轉(zhuǎn)熱系數(shù)低于該范圍，發(fā)現(xiàn)功轉(zhuǎn)熱系數(shù)與塑性應(yīng)變有關(guān)，并且極大地依賴于溫度、應(yīng)變和應(yīng)變率。塑性變形功并不會完全轉(zhuǎn)化為變形熱，將會以位錯、空位等形式部分儲存于軋件內(nèi)部(占2% ～5%)［5］;η通常取0.95～0.98之間［6］。在采用Gleeble3500進(jìn)行壓縮實驗中，高速變形會出現(xiàn)試樣溫度快速升高，利用這種現(xiàn)象可以測定η的方法。

1 現(xiàn)象分析

在熱模擬試驗機(jī)上進(jìn)行圓柱體單向壓縮的試驗中，常常伴隨著溫度在壓縮瞬間有所沖高的現(xiàn)象，壓縮過程中造成溫度波動的原因主要有以下幾個方面:

(1)壓縮過程導(dǎo)致熱電偶正負(fù)極之間的間距變大;

(2)由于試樣在壓縮過程中變短，截面變大，電阻變小;

(3)內(nèi)外表面溫度梯度造成的溫度變化;

(4)在變形過程中，由塑性功轉(zhuǎn)化為熱，造成溫度波動;

(5)試樣截面變化，導(dǎo)致試樣與砧子頭的接觸面積變大，熱流變大。

即:

式中，ΔT為試樣壓縮時的溫度波動值;dT1為熱電偶間距變大造成的溫度變化值;dT2為試樣電阻原因造成的溫度變化;dT3為試樣內(nèi)外溫度梯度造成的溫度變化值;dT4為塑性功轉(zhuǎn)化成熱導(dǎo)致的溫度變化值;dT5為試樣接觸面積變大導(dǎo)致的溫度變化值。

由(1)式可計算塑性變形導(dǎo)致的溫度變化量，即:dT4，用dT4取代公式(2)中的ΔT［7］，求得轉(zhuǎn)化系數(shù)。

式中，η為功熱轉(zhuǎn)化系數(shù);ΔT為塑性功轉(zhuǎn)化成熱導(dǎo)致的溫度變化值;c為試樣在該條件下的比熱容;ρ為試樣在該條件下的密度;W為單位體積變形功。

2 材料與實驗

2.1 實驗材料

選用35#鋼，用線切割機(jī)把試樣切成Ф8 mm×15 mm的圓柱體試樣，然后用砂紙磨光，確保表面光潔、無油漬、鐵銹等;采用Ni－Cr(+)vsNi－Al(－)熱電偶焊接，鉭片、石墨片、陶瓷管等做壓縮試驗的耗材。

2.2 實驗方案

試樣以10℃/s加熱到900℃，再以5℃/s加熱到1150℃，保溫5分鐘后，以15℃/s的冷卻速度到900℃并分別執(zhí)行方案A、方案B和方案C。方案A:焊接兩對熱電偶，一對按照標(biāo)準(zhǔn)焊接，間距為1 mm，另一對間距為2 mm，冷卻到900℃的時候保溫10s，然后壓縮;方案B:冷卻到900℃時停止加熱立即壓縮;方案C:冷卻到900℃的時候保溫10s，立即停止加熱立即壓縮。壓縮速率為10/s，壓縮量為8mm，期間采集的數(shù)據(jù)有:TC1，TC3，strain，stress等，查看變形過程中TC1以及TC3所采集的溫度變化;方案A中TC1，TC3分別為正常焊接的熱電偶檢測的溫度和非標(biāo)準(zhǔn)焊接的熱電偶檢測的溫度;方案B與方案C中TC1為正常焊接的熱電偶檢測的溫度;strain，stress分別為應(yīng)變與應(yīng)力。

3 結(jié)果與分析

3.1 實驗結(jié)果

執(zhí)行方案A、方案B與方案C得到試驗結(jié)果，試樣溫度隨時間變化曲線如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 方案A實測的溫度-時間曲線

圖2 方案B實測的溫度-時間曲線

圖3 方案C實測的溫度-時間曲線

由圖1、圖2與圖3可確定不同試驗方案中的溫度升高結(jié)果，如表1所示。

表1 各實驗方案的溫度升高結(jié)果

ΔT包含著以上五種因素的影響，下面分別對各影響因素進(jìn)行分析。

3.2 結(jié)果分析

由于方案A與方案B的基本條件相同，把兩個方案溫度的彈跳值相減得:

式中，ΔTA，ΔTB分別是方案A與方案B的溫度彈跳值;dT1A、dT1B分別為方案A、B熱電偶間距變化對ΔT的影響;dT2A、dT2B分別為方案A、B試樣電阻變化對ΔT的影響;dT3A、dT3B分別為方案A、B試樣溫度梯度對ΔT的影響;dT4A、dT4B分別為方案A、B機(jī)械功以及斷面摩擦對ΔT的影響;dT5A、dT5B分別為方案A、B熱電偶間距變化對ΔT的影響。

3.2.1 熱電偶間距對ΔT的影響

在方案A的溫度變化歷程中，兩對熱電偶由于正負(fù)極間距不同造成的溫度測量差別如圖4所示。

TC1與TC3之間的最大溫度差值是6℃左右，而且是發(fā)生在剛加熱到1150℃的時候，當(dāng)保溫時溫度差值變小，控制在5℃之內(nèi)。在壓縮的瞬間，dT1=TC1－TC3=2.62℃，可以確定在壓縮后，由于TC1之間距離變大，約為2 mm，所以TC1測得的溫度應(yīng)該比實際溫度低－2.62℃，僅就熱電偶間距對ΔT的影響來說，方案A、方案B和方案C是相同的，即:

式中，dT1C為方案C中由于熱電偶間距變化對ΔT的影響。

圖4 TC1－TC3的溫度差隨TC1的變化關(guān)系

3.2.2 試樣電阻變化對ΔT的影響

在試樣壓縮的過程中，由于方案A與方案B試驗條件的差異在于，方案A在壓縮過程中有電流，而在方案B與方案C中，則沒有電流通過，所以在方案B中，不會產(chǎn)生由于試樣電阻變化而導(dǎo)致的溫度變化，即:

式中，dT2C為方案C中由于試樣電阻變化對ΔT的影響。

3.2.3 試樣溫度梯度對ΔT的影響

由于在方案A與方案C中，均有10s的均溫時間，所以方案A中試樣可以忽略溫度梯度對ΔT的影響，即:

式中，dT3C為方案C中由于溫度梯度對ΔT的影響。

由表1可得，試樣的內(nèi)外溫度梯度對溫度波動的影響很小:

式中，ΔTC為方案C的溫度彈跳值。

3.2.4 試樣塑性功對ΔT的影響

三個方案中，變形條件相同，由機(jī)械功所造成的溫度升高也是相同的，故有下式成立:

3.2.5 試樣截面變化引起的熱通量變化對ΔT的影響

由于方案A、方案B和方案C的基本條件相同，在變形過程中砧子頭與試樣接觸，所以砧子頭的溫度也與試樣的溫度非常的接近，并且并行時間很短僅為0.0826s，由于斷面變化不大，認(rèn)為:

式中，dT5C為方案C中由于截面變化對ΔT的影響。

即由于試樣斷面變化引起熱通量變化對ΔT的影響相等，且為零

綜上所述:

可得由于電阻的因素對溫度造成的影響為:

所以，可以確定由塑性功導(dǎo)致的溫度上升值為:

單位體積塑性功由式(14)計算［8］:

將(13)、(14)式代入(2)式，并由dT4A代替(2)式中的ΔT，可以得到:

4 結(jié)論

(1)壓縮實驗中，由于熱電偶的間距變大會對溫度檢測造成影響，但影響很小。

(2)該方法是建立在利用熱模擬試驗機(jī)的平臺之上，利用熱模擬試驗機(jī)的精準(zhǔn)的控制能力實現(xiàn)其對溫度及壓縮量的合理控制，推導(dǎo)出由于塑性功導(dǎo)致的溫度升高值;

(3)用熱模擬試驗機(jī)來測定功熱轉(zhuǎn)化系數(shù)是可行的，在本次實驗的條件下測得的塑性功轉(zhuǎn)化系數(shù)為0.97。

［1］張偉，肖新科，郭子濤，等.塑性功轉(zhuǎn)熱系數(shù)對鈍頭彈侵徹金屬靶模擬結(jié)果的影響［J］.兵工學(xué)報，2010，31(1):168-171.

［2］MarcAndréMeyers.材料的動力學(xué)行為［M］.張慶明，劉彥，黃風(fēng)雷，等譯.北京:國防工業(yè)出版社，2006.

［3］Macdougall D.Determination of the plasticwork converted to heat using radiometry［J］.Experimental Mechanics，2000，4(3):298-306.

［4］Hayashi T，Yamamura H，kano S.Temperaturemeasurementofmetals underhigh velocity deformation［J］.Society of Materials Science，1977，Kyoto:94-98.

［5］William F H.Metal Forming Mechanics and Metallurgy［M］.Englewood Cliffs:Prentice-Hall Inc，1983.

［6］謝英杰，趙德文，韓立濤，等.高速線材精軋的等效應(yīng)變研究及溫升計算［J］.鋼鐵.2009，44(1):47-50.

［7］Richardson G J.Worked Examples in Metal Working［M］.London:The Chameleon Press Limited，1985.

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