用Gleeble3500測塑性功轉熱系數的研究

李紅斌，徐樹成，邢滿江，黃海端

(1.河北聯合大學河北省現代冶金技術重點實驗室，河北唐山 063009;2.河北任丘建投熱電有限責任公司，河北 任丘 062550;3.河北聯合大學遷安學院，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象。在低應變率下的塑性變形通常處理成等溫過程，在應變率為10－4～10－3s－1時試樣受到拉伸，并沒有表現出明顯的溫升現象［1］。而在高應變率時的變形過程往往可近似為絕熱過程，且變形做功可轉換成導致試件產生溫升的熱量，而溫升往往導致材料軟化［2］。MacdougallD等［3］人認為金屬材料的塑性功轉熱系數η是一個介于0.8～1.0的常數。但也有文獻［4］指出功轉熱系數低于該范圍，發現功轉熱系數與塑性應變有關，并且極大地依賴于溫度、應變和應變率。塑性變形功并不會完全轉化為變形熱，將會以位錯、空位等形式部分儲存于軋件內部(占2% ～5%)［5］;η通常取0.95～0.98之間［6］。在采用Gleeble3500進行壓縮實驗中，高速變形會出現試樣溫度快速升高，利用這種現象可以測定η的方法。

1 現象分析

在熱模擬試驗機上進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)壓縮過程導致熱電偶正負極之間的間距變大;

(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，由塑性功轉化為熱，造成溫度波動;

(5)試樣截面變化，導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為試樣內外溫度梯度造成的溫度變化值;dT4為塑性功轉化成熱導致的溫度變化值;dT5為試樣接觸面積變大導致的溫度變化值。

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

式中，η為功熱轉化系數;ΔT為塑性功轉化成熱導致的溫度變化值;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，一對按照標準焊接，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，期間采集的數據有: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準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分別為應變與應力。

3 結果與分析

3.1 實驗結果

執行方案A、方案B與方案C得到試驗結果，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果，如表1所示。

表1 各實驗方案的溫度升高結果

ΔT包含著以上五種因素的影響，下面分別對各影響因素進行分析。

3.2 結果分析

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，而且是發生在剛加熱到1150℃的時候，當保溫時溫度差值變小，控制在5℃之內。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，不會產生由于試樣電阻變化而導致的溫度變化，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的平臺之上，利用熱模擬試驗機的精準的控制能力實現其對溫度及壓縮量的合理控制，推導出由于塑性功導致的溫度升高值;

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

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

［2］MarcAndréMeyers.材料的動力學行為［M］.張慶明，劉彥，黃風雷，等譯.北京:國防工業出版社，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.

［8］Arsenault R J，Beelar J R，Esterling D M.ComputerSimulationin Material science Seminar.ASM Material Science Seminar，Florida，ASM International，1988.