金属塑性变形的有关实验测试方法

1、金属塑性变形的有关实验测试方法第1页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四电桥分类：按桥压分： 直流电桥；交流电桥按输出方式分： 功率电桥（按低阻抗负载） 电压电桥（按高阻抗负载） 电阻应变片的信号调理电路: 由于将应变等机械量转换为电阻的变化，此变化的数量是很微弱的，因此须采用高精度的测量电路电桥测量电路。 二.测量电桥测量电桥的任务：把电阻的变化量转化成电压或电流的的变化量，以便于后续仪表的计量与测量。第2页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四1、直流电桥的基本关系常用的几个术语:全桥：半桥：相对桥臂相邻桥臂邻臂对臂全桥半桥第3页，共112页，20

2、22年，5月20日，13点20分，星期四直流电桥平衡条件：即：相对桥臂电阻之积相等。当平衡电桥桥臂电阻发生变化时，其输出电压为：（1）电桥的电压输出：第4页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四（2）电桥输出公式的使用前提条件：1）先决条件是：电桥起始是平衡的；2）无论各电阻如何变化，一定要在平衡点附近；3） 仅发生微小变化.a)等臂全桥 （3）两种特殊电桥的输出：第5页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四b)等臂半桥 对称半桥：R3、R4为固定电阻 非对称半桥： R1、R4为固定电阻 非对称半桥的输出还与桥臂阻值比有关。第6页，共112页，2022年

3、，5月20日，13点20分，星期四（4）总结与讨论： （1）电桥平衡条件 （2）电桥的输出电压与相对计算电阻增量 成正比 其中R为一个桥臂的阻值。 （3）因 与应变成正比，因此电桥的输出电压与应变成正比。 （4）对于等臂全桥，由于 ，电桥输出公式又可写成:上式为电桥加减特性表达式。电桥输出的八字原则： 相邻桥臂相减，相对桥臂相加。第7页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四2. 交流电桥的基本关系：电阻平衡、存在不平衡电容或相对桥臂阻抗之积相等第8页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四交、直流电桥的异同点相同点：输出电压的幅值都与被测的应变成正比；不同

4、点：直 流 电 桥交 流 电 桥输出的是正或负的直流电压，与应变同频率变化。输出的是正弦调幅波；从输出电压的正或负，可以判断是拉应变还是压应变。可通过输出与参考桥压的相位相同或是相反来判断拉、压应变的关系；只要电阻调平衡。既有电阻调平衡，又有电容调平衡。第9页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四3. 电桥的读数方法：（1）直接读数法：将电桥的输出直接或经放大器放大后，用电表读出或用示被器记录。电表的读数或示被器的记录曲线正比于被测量的量值或变化过程一般动态测试仪器即动态应变都是采用这种读数方法。1）机械标定法：在等强度梁上贴好与测点相同规格的应变片，测量系统的状态维持测试

5、时的状态不变，给梁加载，使它产生一个标准应变，此时应变仪上输出一个大小一定的电信号与该标准应变相对应，以此电信号为基准，来度量对应于被测动应变的电信号所代表的应变值。缺点：现场使用不方便。优点：不需要修正。注意：必须进行标定。第10页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四3. 电桥的读数方法：1）机械标定法：2）电标定法：在动态应变仪上专设标定电路，由标定电路给出代表一定应变的电信号，与对应于被测应变的电信号进行比较。优点：方便可靠。桥臂并联标定电阻标定和测试的示波图标定应变：第11页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四 标定电桥法： 电压标定法：标定

6、精度较高。第12页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四（2）零读数法：利用一些调节元件(可调电阻)使电桥恢复平衡，然后记下调节元件的调节量，从而计算被测量的大小。这时，指示电表只起平衡指示作用。一般静态测试仪器如静态应变仪常采用这种读数方法。 将测量电桥和读数电桥反向串联起来，调整读数桥的桥臂电阻值，使两桥串联后的输出电压等于零。第13页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四 应变片的灵敏系数 应变仪的灵敏系数 读数应变双电桥零读数法的原理图第14页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四(三）静态电阻应变仪 静态电阻应变仪由电桥、振

7、荡器、交流放大器、相敏检波器、指示电表等组成第15页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四（四）动态电阻应变仪 多采用交流供桥、载波放大的形式。 由电桥、标定电路、振荡器、放大器、相敏检波器、滤波器等组成。第16页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四被测应变信号调幅后输出电压一般检波器检波相敏检波器检波第17页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四（五）应变仪的使用：(1)应变仪的选用原则 应变仪的工作频率应大于被测量的最高次谐波分量的频率，以保证不产生幅频失真和相频失真。应变仪的最大量程应大于被测应变的最大值，并应使其输出不超过最

8、大线性输出量，以保证不产生非线性失真。应变仪的输出形式应与记录仪相适应，并注意它们之间的阻抗匹配。对于静态测量，应根据测试精度要求和测试量来选择仪器的分辨率（最小应变读数）和测量点数（配预调平衡箱）。第18页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四应变仪的使用：（2）应变仪的操作要点：按实测需要确定接桥形式，测点与仪器间的连线应采用金属屏蔽线，导线要固定，接地点要正确。根据被测信号的大小，正确选择衰减器的档位，使其输出既有一定的幅度，又不产生非线性失真。连接记录器，并注意其阻抗匹配。对于电标定，其标定应变应根据被测信号的最大值来选用，一般标定应变2/3被测最大值仪器的预调平衡

9、应在“预调平衡”的档位上进行。第19页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四第20页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四第21页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四第22页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四第23页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四第24页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四第25页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四温度效应 (1)温度变化引起的电阻变化 (2)被测试件与应变片膨胀系数不同引起的附加应变例如：一镍铬丝片，标

10、距贴在单向应力的钢件上，当 3 温度补偿的办法第26页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四(1) 温度补偿方法： 桥路补偿（常温下）和应变片自补偿（高温下）桥路补偿：1）工作片和补偿片半桥接法(温度补偿）：工作片与补偿片应该相同；补偿板与零件的材料应相同；两者的温度条件必须相同；补偿片与工作片在电桥的相邻桥臂上。第27页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四半桥接法(温度补偿）：第28页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四（2）在试件上找到与测点的应变符号相反、比例关系已知、温度条件相同的另外一个点，则不必另外制作专用于粘贴补偿片

11、的补偿块，而在这两点上分别粘一片特性相同的应变片，也可实现温度补偿。半桥接法：第29页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四全桥接法：第30页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四应变片自补偿：缺点：一种特定的应变片只适用于一种特定的材料及一定的温度范围。温度补偿是否正确：（1）温度能否补偿。（2）是否能从读数应变 求得第31页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四2-2 电阻应变仪一.电阻应变仪一般介绍 由于电阻应变片的相对变化很小，因此必须设计专门的仪器对上述应变转化成的电阻相对变化进行测量，最后用应变的标度指示出来。该类仪器就是

12、应变仪，它由测量电路和放大器构成。 第32页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四电桥分类：按桥压分： 直流电桥；交流电桥按输出方式分： 功率电桥（按低阻抗负载） 电压电桥（按高阻抗负载） 电阻应变片的信号调理电路: 由于将应变等机械量转换为电阻的变化，此变化的数量是很微弱的，因此须采用高精度的测量电路电桥测量电路。 二.测量电桥测量电桥的任务：把电阻的变化量转化成电压或电流的的变化量，以便于后续仪表的计量与测量。第33页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四1、直流电桥的基本关系常用的几个术语:全桥：半桥：相对桥臂相邻桥臂邻臂对臂全桥半桥第34页，共1

13、12页，2022年，5月20日，13点20分，星期四直流电桥平衡条件：即：相对桥臂电阻之积相等。当平衡电桥桥臂电阻发生变化时，其输出电压为：（1）电桥的电压输出：第35页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四（2）电桥输出公式的使用前提条件：1）先决条件是：电桥起始是平衡的；2）无论各电阻如何变化，一定要在平衡点附近；3） 仅发生微小变化.a)等臂全桥 （3）两种特殊电桥的输出：第36页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四b)等臂半桥 对称半桥：R3、R4为固定电阻 非对称半桥： R1、R4为固定电阻 非对称半桥的输出还与桥臂阻值比有关。第37页，共1

14、12页，2022年，5月20日，13点20分，星期四（4）总结与讨论： （1）电桥平衡条件 （2）电桥的输出电压与相对计算电阻增量 成正比 其中R为一个桥臂的阻值。 （3）因 与应变成正比，因此电桥的输出电压与应变成正比。 （4）对于等臂全桥，由于 ，电桥输出公式又可写成:上式为电桥加减特性表达式。电桥输出的八字原则： 相邻桥臂相减，相对桥臂相加。第38页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四2. 交流电桥的基本关系：电阻平衡、存在不平衡电容或相对桥臂阻抗之积相等第39页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四交、直流电桥的异同点相同点：输出电压的幅值都与

15、被测的应变成正比；不同点：直 流 电 桥交 流 电 桥输出的是正或负的直流电压，与应变同频率变化。输出的是正弦调幅波；从输出电压的正或负，可以判断是拉应变还是压应变。可通过输出与参考桥压的相位相同或是相反来判断拉、压应变的关系；只要电阻调平衡。既有电阻调平衡，又有电容调平衡。第40页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四3. 电桥的读数方法：（1）直接读数法：将电桥的输出直接或经放大器放大后，用电表读出或用示被器记录。电表的读数或示被器的记录曲线正比于被测量的量值或变化过程一般动态测试仪器即动态应变都是采用这种读数方法。1）机械标定法：在等强度梁上贴好与测点相同规格的应变片

16、，测量系统的状态维持测试时的状态不变，给梁加载，使它产生一个标准应变，此时应变仪上输出一个大小一定的电信号与该标准应变相对应，以此电信号为基准，来度量对应于被测动应变的电信号所代表的应变值。缺点：现场使用不方便。优点：不需要修正。注意：必须进行标定。第41页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四3. 电桥的读数方法：1）机械标定法：2）电标定法：在动态应变仪上专设标定电路，由标定电路给出代表一定应变的电信号，与对应于被测应变的电信号进行比较。优点：方便可靠。桥臂并联标定电阻标定和测试的示波图标定应变：第42页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四 标定电

17、桥法： 电压标定法：标定精度较高。第43页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四（2）零读数法：利用一些调节元件(可调电阻)使电桥恢复平衡，然后记下调节元件的调节量，从而计算被测量的大小。这时，指示电表只起平衡指示作用。一般静态测试仪器如静态应变仪常采用这种读数方法。 将测量电桥和读数电桥反向串联起来，调整读数桥的桥臂电阻值，使两桥串联后的输出电压等于零。第44页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四 应变片的灵敏系数 应变仪的灵敏系数 读数应变双电桥零读数法的原理图第45页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四(三）静态电阻应变仪

18、静态电阻应变仪由电桥、振荡器、交流放大器、相敏检波器、指示电表等组成第46页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四（四）动态电阻应变仪 多采用交流供桥、载波放大的形式。 由电桥、标定电路、振荡器、放大器、相敏检波器、滤波器等组成。第47页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四被测应变信号调幅后输出电压一般检波器检波相敏检波器检波第48页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四（五）应变仪的使用：(1)应变仪的选用原则 应变仪的工作频率应大于被测量的最高次谐波分量的频率，以保证不产生幅频失真和相频失真。应变仪的最大量程应大于被测应变的最大

19、值，并应使其输出不超过最大线性输出量，以保证不产生非线性失真。应变仪的输出形式应与记录仪相适应，并注意它们之间的阻抗匹配。对于静态测量，应根据测试精度要求和测试量来选择仪器的分辨率（最小应变读数）和测量点数（配预调平衡箱）。第49页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四应变仪的使用：（2）应变仪的操作要点：按实测需要确定接桥形式，测点与仪器间的连线应采用金属屏蔽线，导线要固定，接地点要正确。根据被测信号的大小，正确选择衰减器的档位，使其输出既有一定的幅度，又不产生非线性失真。连接记录器，并注意其阻抗匹配。对于电标定，其标定应变应根据被测信号的最大值来选用，一般标定应变2/3

20、被测最大值仪器的预调平衡应在“预调平衡”的档位上进行。第50页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四第51页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四第52页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四第53页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四第54页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四第55页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四第56页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四温度效应 (1)温度变化引起的电阻变化 (2)被测试件与应变片膨胀系数不同引起的附加

21、应变例如：一镍铬丝片，标距贴在单向应力的钢件上，当 3 温度补偿的办法第57页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四(1) 温度补偿方法： 桥路补偿（常温下）和应变片自补偿（高温下）桥路补偿：1）工作片和补偿片半桥接法(温度补偿）：工作片与补偿片应该相同；补偿板与零件的材料应相同；两者的温度条件必须相同；补偿片与工作片在电桥的相邻桥臂上。第58页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四半桥接法(温度补偿）：第59页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四（2）在试件上找到与测点的应变符号相反、比例关系已知、温度条件相同的另外一个点，则不必

22、另外制作专用于粘贴补偿片的补偿块，而在这两点上分别粘一片特性相同的应变片，也可实现温度补偿。半桥接法：第60页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四全桥接法：第61页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四应变片自补偿：缺点：一种特定的应变片只适用于一种特定的材料及一定的温度范围。温度补偿是否正确：（1）温度能否补偿。（2）是否能从读数应变 求得第62页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四示波器续4 振子的参数及选用 振子光点的安排（1）应正确安排振子的光点位置，使光点与振子位置相对应。（2）多个信号同时记录时，为了便于分辨与观测：主

23、要信号放在记录纸中间，次要信号放在两边；单向偏转信号应放在两边，双向偏转信号应放在中间；频率高和频率低的信号可靠近，波形不一样的可靠近；主要信号的幅值要大些，次要信号的幅值要小些；波形不一样或频率相差者，幅值都可以大，不怕重叠。第63页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四5应变测量中几个问题第64页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四（3）绝缘电阻的影响绝缘电阻应很大，一般要求达到50100兆欧。（4）导线电阻的影响（5）长导线间电容的影响避免导线间的相对移动；使用屏蔽线，屏蔽层接地。（6）应变片粘贴方向不准的影响贴片时应尽量贴在主方向上，避免贴在与

24、主方向相差45度的方向上。第65页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四6零件应变应力的测定 应力状态的测定常采用电阻应变法。该方法是先用应变片测出应变，然后用虎克定律求出其应力。此方法仅适用于弹性平面问题，即测定零件表面的弹性应力和应变。 应变应力测定的核心是应变测量和应力计算问题，即对每一测点进行贴片测量和由测得的应变数据计算应力。一、应变测量和应力计算线应力状态：单向应力状态第66页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四6零件应变应力的测定主应力方向已知的平面应力状态：第67页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四主应力方向未知

25、的平面应力状态：第68页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四第69页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四第70页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四第71页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四第72页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四第73页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四第74页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四应变花的测定结果的校核：对于直角式四组而言，使用应变第一张量不变量对于T 型：第75页，共112页，2022年，5月20日

26、，13点20分，星期四测点的选择：根据力学知识、构件的边界情况等进行分析。需要考虑以下问题：1. 被测件最大应力处的测点，是结构强度的关键部位，应特别加以重视。最大应力点一般都产生在危险截面或应力集中的地方。2. 如果最大应力点难以确定，或者需要了解构件应力分布的全貌，一般都在所研究的线段上比较均匀地布置5-7个测点。3. 对于构件上开有孔、凹槽或截面急剧变化等一些产生应力集中的区域，测点应适当的加多，以了解其应力变化情况。4. 为了减少测点数目，可以利用结构与载荷的对称性和结构边界的特殊情况。例如厚壁筒容器，由于结构与载荷都是轴对称，所以在一侧布置测点就可以了。5. 由于动态测试仪器线数有限

27、、测试技术要求高和影响因素多，所以动态测试应在静态测试的基础上进行，测点数目要比静态的少。同时，动态测点一定要选在能反映构件动态性质的关键部位。第76页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四应变片的布置 测点选定后，即可根据测点的应力状态来考虑应变片的布置。当测点是线应力状态时，只要沿主应力方向贴片。若测点是主应力方向已知的平面应力状态就沿两个主应力方向上分别贴片。当测点的主应力方向未知，则需贴上相应的应变花。 测点应力状态的判定，可根据力学知识、构件的边界情况、形状与载荷的村称性等来分析。有时也可借助其它试验方法，如脆漆法或密栅云纹法来判断主应力方向，这样可以减少贴片。应

28、变片的选择 三角型应变花的覆盖面积比直角型的小，所以应力梯度大的测点宜选用三角型的。若没有应力梯度限制，则选用直角型的为好，因它容易计算。第77页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四1 电测系统由哪些环节组成？各环节的作用是什么？2 何谓频谱分析？周期信号和非周期信号的频谱各有什么特点？3 如何估计信号的主要谐波范围？4 何谓电测装置的静态特性？何谓电测装置的动态特性？他们对不失真测量有何指导意义？5 测量装置的灵敏度、幅频特性、相频特性6 测量系统不失真的条件是什么？7 传感器是如何定义的？传感器的选用原则8 简述电阻应变片的工作原理，解释下列名词：电阻丝的灵敏度电阻片

29、的横向影响系数电阻片的灵敏系数第78页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四9 被测点应变状态对应变片的灵敏度系数是否有影响？对应变测量的精度是否有影响？10 何谓电压桥？何谓电流桥？桥臂电阻与电桥输出有何关系？11 电桥输出的读数方法有几种？各有何优缺点？12 使用动态应变仪时怎样进行标定？为什么必须进行标定？13 使用应变片测应变时怎样贴片？怎样接桥才能实现温度补偿？温度补偿的方式有哪些？14 了解静态应变仪、动态应变仪的结构、原理、主要参数和使用方法。15 光线示波器的动态特性与什么因素有关？16 怎样正确选用光线示波器的振子？17 单向应力、两向应力主方向已知、两向

30、应力主方向未知时测应力怎样布片？怎样计算应力？18 选择应力测点和布置应变片应遵循什么原则？第79页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四 金属塑性变形实验测试方法用于研究和测定金属塑性变形所需的变形力和变形功、塑性变形流动规律和变形的不均匀分布、接触面摩擦和压力分布、变形体内应力应变分布和温度分布以及各种因素对塑性变形的影响，为制定合理的加工工艺规范、开发新工艺、验证理论研究成果和选用加工设备提供依据。 由于金属塑性变形过程是一个极其复杂的力学和物理-化学变化过程，在大多数情况下无法进行实地测定，只能通过模型模拟实验才能获得规律性认识。实验模拟测试需要考虑的主要问题有：明

31、确实验目标，即实验需要解决的问题和需要获取的信息；选择何种实验方法实现实验目标，包括选用实验材料、测试仪器和设计实验装置等；怎样处理和分析实验结果，即数据和资料。其中实验方法的选用是达到实验目标的关键。第80页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四 金属塑性变形实验的分类：（1）金属流动：表面：伸长应变、网格式的变形、脆性涂层内部：抛光和刻蚀、滑移带、变形区、网格、缺陷、宏观检查、相变（2）金属位移：照相、电接触针、位移转换器（3）力和应力：载荷传感器、压力针、行程图、贴应变片、X射线、光弹、光塑性、光应力、脆性漆、云纹法和网格法（4）温度：热电偶、涂料（5）模型材料：铅、

32、蜡泥塑料、石蜡、超塑性铝等（6）金属性能：屈服强度、硬度、晶粒尺寸等（7）表面摩擦条件：摩擦系数、摩擦控制、表面研磨、表面变化模拟、测量方法、性能试验等个方面的内容。第81页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四1 模拟材料的选用 模拟材料是指实验模拟时所用的材料它可以是实物材料，也可以是替代材料。合适的金属塑性加工模拟材料应满足以下条件：(1)塑性模拟相似准则所要求的条件，即几何相似、力学相似和物理相似等；(2)材料性能稳定，实验数据的量测和汁算方便、可靠；(3)实验时所需载荷小，试件和模具的加丁方便，可用小吨位设备进行模型试验；(4)能在常温状态下模拟高温塑性变形；(5

33、)易于获得，成本低。第82页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四目前，常用的模拟材料有以下几类：软金属材料：例如铅、铝、铜和锡等，通常用铅模拟钢的热变形(加热到再结晶温度以上的变形)、用铝模拟钢的冷变形。粘土类材料：塑性泥是该类材料的代表，英国Harbutts plasticine Ltd.生产塑件泥有黑、白、青、绿、灰等10余种颜色，其主要成分为粘土(CaCO3)，含量约占质量大小的50-60，其他的有矿物油粘合剂，氧化铁、氧化硫、碳酸镁等添加剂及少量色素。蜡：常用于塑性模拟的蜡是熔点为54的石蜡，其应力应变曲线受温度和应变速度的影响较大。当温度较高和应变速率较小时，塑

34、性较好，反之则差。第83页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四高分子材料：例如有机玻璃、聚碳酸酯等塑性塑料。用赛璐珞可模拟金属的弹性、塑性和粘性，55.5的赛璐珞（celluloid，硝化纤维塑料）与450-860 软钢的无量纲应力-应变曲线很一致。同种实物材料：用和实物相同的材料做模拟试验，自然而然能满足一些相似模拟限则的要求，因此对许多冷塑性成形工序的模拟， 一般均采用同种材料做实验，而对于用同种材料模拟热塑性成形工序，则由于需有高温条件而相当麻烦，所以此时往往采用以上某些非同种材料在常温下进行模拟。 对上述五类模拟材料的选用，应根据分析目的和具体实验条件来确定。例如

35、，模拟钢的热锻时可选用铅或塑泥在室温下进行；模拟金属的塑性变形流动时，选用塑泥或蜡的混合物就更为方便。第84页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四一、铅在软金属材料中，铅是较好的模拟材料。常用的工业纯铅密度为11.37g/cm3,在室温下能再结晶，其应力-应变关系曲线和应变速度-应力关系曲线与热态锻造钢的相应曲线基本相似，硬化指数n、应变速度敏感指数m和无润滑状态的摩擦系数也与热态锻造钢的相应值基本一致.用室温下铅的变形模拟热态下钢的塑性变形符合模拟准则的要求，而且实验量测方便，数据准确可靠，易于保持变形后的形状尺寸。铅对应变速度的敏感性与热态钢相差稍大，不过若在纯铅中加

36、入某些合金成分进行预锻，则可改善其性能。用铅作模拟材料时，试件与实验模的加工较费事，所需实验设备的功率也较大，而且加热至溶化温度400-500 时呈蒸气逸出，对人体有害，所以浇铸铅坯料时应戴防护口罩。第85页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四铅与热态钢的比较工业纯铅在静载时的变形硬化曲线第86页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四二、塑性泥塑性泥的密度约为3，在24 左右常温下的硬度HB为15左右。随温度上升明显变软，其压缩屈服应力约为0.12MPa。塑性泥在常温下的静动态力学性能和钢在高温下(约1000 下)的力学性能十分相似，而且符合屈服准则和

37、体积不变条件等对塑性变形模拟材料的基本要求、因此已被广泛应用于在室温下模拟热钢的塑性成形过程。塑性泥与热态钢的比较第87页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四塑性泥由于含有矿物油粘结剂(如液态石蜡等)，是一种温度敏感材料，即使在室温附近，温度对塑性及流动应力的影响也很大，温度上升15 ，流动应力大约减小一半。下图表示温度对白色塑性泥真实应力应变和应变速率曲线的影响。白塑性泥应力应变曲线第88页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四塑性泥与铅等软金属模拟材料相比，具有以下优点：流动应力小，对试验设备及模具的要求不高，甚至可使用木质模具；试件可由手工成形，

38、制作简便，周期短，适应性强，可做成任意形状；试件易于剖分可通过坐标网格或不同颜色塑性泥观察内部变形流动，甚至可嵌入一些特殊测试装置，如直径为6mm、厚为0.6mm的超微应力传感器，直接测其内部的应力和应变；材料利用率高，可反复使用，而且可根据模拟的金属种类不同，调节塑性泥的成分，改变其、n和m。例如，多加些矿物油可使s下降，多加些CaCO3，可使s增大、硬度升高。另外，也可通过改变温度调节塑泥的性能；塑性泥适合使用x射线照相术，可用来研究大锻件的内部缺陷：第89页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四但是，利用塑性泥模拟金属塑性变形时，应注意以下问题：由于粘结剂中含有挥发物

39、，需放置两年才能相对稳定，所于模拟金属塑性加工的塑性泥应当是存放两年以上的。另外，制成的模型，放置时间愈长流动应力也愈大，一般需经4-5天后变化才缓慢，最后达到某定值，所以模型使用前要经过稳定性处理。出于颜色、批号等对塑性泥的性能均有影响，所以在进行模拟实验前，首先要做塑件泥的拉伸或压缩实验，测定其应力应变曲线及其他基本性能。制试件前，应将塑性泥充分揉和，消除其中的缝隙和气泡，使其成为均匀的各向同性的连续体，满足塑性变形体积不变条件。试样难做得十分精确，变形后的尺寸、形状保持也比较困难，因而实验数据量测的准确性差。另外、在小应变(0.1)范围内，其性能与热钢有显著不同，所以一般用于模拟大应变。

40、第90页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四三、石蜡 石蜡的变形特性对温度有较大的敏感性，当温度低于16 时，试样不产生屈服便断裂，或圆柱镦粗时外周产生45裂纹。当温度高于16 时，试样能产生足够的塑性变形，而后在外周产生纵裂。另外，实验表明，蜡有比较严重的蠕变和滞后现象。用蜡作为模拟材料的优点是：(1) 能预先在试件上着色，便于了解各部分的流动情况和位移。(2) 能借助石蜡的结晶性观察材料内部结晶的变化和流动状态；(3) 保持变形后状态比塑性泥较为容易，对薄壁成形件的模拟较为有利。第91页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四蜡模拟材料的缺点：(1)

41、 应力-应变曲线受温度和应变速度的影响较灵敏，会给实验带来较大的困难和误差；(2) 当温度高于室温时，实验比较麻烦；(3) 成分不同性能变化很大，因而实验前需要进行性能测定。第92页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四四、高分子材料1有机玻璃(PolyMethyl MethAcrylate, PMMA） PMMA的透光度类似于无机玻璃而且在塑料中具有最高的透明性，故称有机玻璃，其性能如下：密度，布氏硬度20-40，抗张强度70MPa，伸长率3-7，折射率，透光率92-94；易燃火焰呈黄色,上端蓝色，离火后继续燃烧，发出强烈的腐烂的果臭和蔬菜臭。不溶于醇和润滑油。 市场上买

42、来的有机玻璃板料已有塑性变形，需在135 下保温做稳定性处理。 2聚碳酸酯(PolyCarbonate, PC) PC具有优良的力学性能，耐热、耐寒、电性能好，并具有自熄性和透明性等特征，是一种无色或略带褐色的透明材料。 PC的性能:密度1.28g/cm3，折射率1.585，抗张强度55-66MPa, 伸长率80-100，硬度M70-R118吸水性强。在室温相对湿度为60时，16天后吸水率为0.18，浸人水中的吸水率为0.36；受强碱、弱碱浸蚀，也受强酸浸蚀，但对弱酸不作用。第93页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四 PMMA和PC的两个重要特性(形状记忆性和应力应变冻

43、结性) (1)形状记忆性：PMMA和PC光塑性材料在塑性变形后经高温退火(即在约100-120 下保温一段时间)可恢复到原坯料形状尺寸的性能，称为形状记忆性。利用这种性能可研究变形体内的应变场。 (2) 应力应变冻结性：用PMMA和PC等光弹性材料制成模型，在室温下加载，则模型具有暂时双折射效应，在光弹性仪上可见到应力条纹图形。如卸去载荷，则应力条纹图形随即消失。但是，若将受力模型(受力状态下的模型)的温度升高到材料的冻结温度(通常为110-120 )，恒温一定时间(视模型大小而定)，然后再缓慢降至室温，则卸载后模型承载时所产生的双折射现象就永久地被保存下来，这种性能，称为应力(或应变)冻结性

44、能。冻结曲线如图：冻结曲线第94页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四有机玻璃减速小齿轮(奇数齿)锻件的恢复实验 a-锻件图；b-锻件剖面上的网格；c-恢复后的网格 用P MMA棒制成圆柱坯料进行复杂零件的精确闭式模锻，获得减速小齿轮锻件。然后，沿锻件的子午面剖开在其上划上坐标网格。再将它放进烘干箱内加热到125，保温3-4h，随炉冷却，即得变形前的形状，其坐标网格变化所示。实验表明，有机玻璃的恢复形状性能十分优良，整个齿形和内孔均完全复原至圆柱坯料的原型，只有内孔由于冲挤变形过大，发生撕裂并呈发泡状。 第95页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四记

45、忆材料实验模拟法的应用 一、定性划分塑性变形区 利用肋-腹板型模锻件的形变恢复定性划分其塑性变形区。取稳定处理后的聚碳酸酯坯料(42mmX39mmX34mm)，在液压机上进行模锻试验。成形后，沿其塑性流动平面剖开、磨平抛光，并画上均匀的坐标网格。然后在高温烘箱内做应变恢复试验，复原后的网格畸变情形如图。根据该网格图形的变化可以做出该模锻件变形大小区域的定性划分。肋-腹板型模锻件记忆材料法实验示意图第96页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四 二、测定塑性变形体的应变分布 1塑性变形恢复实验 (1)去除棒料的残余应力：将直径50mm x 50mm的国产有机玻璃柱体置于箱室电

46、阻炉(烘干炉)内，按每厚1cm保温Ih进行稳定性加热处理，然后随炉冷却； (2)加工试样：在机床上将冷却后的直径50mm x 50mm柱体加工至要求的试样尺寸直径48mm x 48mm； (3)加热至热塑性变形温度：将加工好的试样连同上、下垫板置于电阻炉(烘干炉)内加热至125，保温3h，以保证热透； (4)镦粗：将热试样置于上、下垫板之间，在预调好的压力机上快速压缩至一半高度后在保压状态下冷却至室温；第97页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四(5)在剖分面上画坐标网格：锯开变形冷却后的试样，在剖分面上画上3mmX3mm的坐标网格；(6)恢复至原始尺寸：将画有网格的变形

47、试样重新放回箱式电阻炉内进行恢复处理，即慢速加热至恢复温度125 左右，保温3h，随炉冷却至室温。恢复后的试样及其上的坐标网格变化如下图，外廓完全恢复到变形以前的尺寸。第98页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四2实验数据处理 为获得圆柱体镦粗的应变值，利用四节点平面等参元理论及塑性欧拉大变形公式，对恢复前后的网格进行数据处理，求各处网格的应变分量及等效应变。第99页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四3试验结果分析根据等效应变等值线，整个子午面大致可以分为三种区域：A区：与工具接触附近区域及侧面区域，应变值在0.3左右。B区：一部分是边缘区域，应变

48、为1.2左右。另一部分是中心区域，应变值也在1.2左右。C区：A区和B区的中间部分，应变值在之间。 以上结果与多层铅试件镦粗结果基本接近，说明有机玻璃的塑性和记忆性都十分优良，可用来模拟金属塑性变形的应变分布，但在模拟大变形和复杂变形时，应采用分步变形的方法进行应变计算第100页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四 是研究金属塑性变形分布应用最广泛的一种方法，其实质是，把模型毛坯制成对分试样，变形前在试样的一个剖分面上刻上坐标网。变形后根据网格变化计算相应的应变也可内此推算出应力分布。坐标网可划成正方形或圆形，其尺寸根据坯料尺寸及变形程度确定，一股在2-10mm之间。当网

49、格很小时，可认为网格就代表某质点的周边。坐标网格法(Coordinae Grid Method)第101页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四一、坐标网格网线的制备 在试样剖面或表面制备坐标网格，可采用直接刻划法、感光印刷法和贴片法等。感光印刷法中最简单的是将试样表面抛光、洗净，涂上感光胶。 覆上正确的坐标网底片(母版)，经过感光冲洗后，即可得到精细的坐标网。贴片法是先用母版把网格复制至一种涂有可剥离感光乳剂薄膜的塑料片基上，然后将感光好的乳剂层粘贴到试样表面 待贴牢后剥去塑料片基，使带有网格的乳剂薄膜留在试样上。第102页，共112页，2022年，5月20日，13点20分，星期四二、剖分试样的粘接 对于铅试样，可根据一次变形量大小选择粘接的方法。小变形量用伍德合金(铅25, 铅50，镉12.5，锡12.5)粘接。 大变形量可采用含铋42.5