CN100498312C - 一种材料温度的原位精密测量方法及其在材料形变研究中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种材料温度的原位精密测量方法，其特征在于：用胶贴在材料试样上的热敏电阻将试样的温度变换成相应的电阻；用数字式电阻测量仪表测得电阻值，事先对电阻值与温度的对应关系进行标定，标定的温度范围为5～50℃；用计算机采集电阻值和相应的时间，从而得到实时温度变化曲线。本发明提供的材料温度的原位精密测量方法的优点在于：具有非常高的灵敏度和温度分辨率(高于0.001℃)，是一种研究疲劳过程中试样所发生的变化监测和疲劳机理研究的有效手段；可应用于利用温度波形监测疲劳试样中组织结构的变化，为用能量法研究疲劳提供定量的实验结果；可用于研究发生相变材料的相变行为；也可用于其它需要快速、准确测温的场合。
Description
技术领域：
本发明涉及材料温度的测量方法。
背景技术：
近代工业的发展，使人们越认识到疲劳研究的重要意义。随着人们对疲劳研究的深入，人们越来越需要发展新的研究手段。在试样变形的过程中，由于内耗，外部的机械功转化为试样的内能，试样的温度会升高(见Hill R，M.A.，Ph.D(Can TaB.)，the Mathematic Theory of Plasticity.OxfordUniversity Press，1950.)。对于处于循环应力下的材料，由于每周的应力应变曲线有滞后环，滞后环的面积的大小就相当于转化为热能的部分(见LagodaT，Intern.J.Fatigue，2001；23：467)，试样的温度就会因此与环境的温度有所不同。但是到目前为止，还没有工作对一些最常见的材料在疲劳和变形过程中试样的温度的变化进行准确地测量。曾有工作Tobushi H，Nakahara T，ShimenoY，Hashimoto T，J.Eng.Mater.Tech.Trans.ASME，2000；122：186、Tobushi H，Takata K，ShimenoY，Nowacki WK，Gadaj SP，Proceedings oftheIinstitution of Mechanical Engineers Part l-Journal of Materials-Design andApplications，1999；213(L2)：93和Tobushi H，Hachisuka T，Hashimoto T，Yamada S，J.Eng.Mater.Tech.Trans.ASME，1998；120(1)：64测量了在形状记忆合金丝旋转弯曲疲劳过程中试样的温度变化，得出试样的温度会比环境的温度高，而且这种温差随应变幅，频率等的变化而变化。但是由于形状记忆合金与常见材料的应力应变曲线明显不同，在相同的总应变条件下，超弹性的形状记忆合金的循环应力应变曲线的滞后环的面积要比常见材料中的小许多，更重要的是，超弹性的形状记忆合金的变形是由应力诱发马氏体相变和逆相变来携带的，马氏体相变和逆相变过程属于一级相变，在相变的过程中伴随有潜热的释放(见Feng D.Metallic Physics.Vol.2.PhaseTransformation.Beijing：Science Press，1998(冯端，金属物理学，第二卷·相变，科学出版社，1998))，而普通金属材料中发生的是滑移变形，变形的机制明显不同，因此不能把从TiNi形状记忆合金中得到的温度变化的测量结果用于常见的金属材料变形。
对一般的材料而言，在疲劳的过程中，循环变形引起的试样温度的变化对材料疲劳行为的影响可以忽略，因为在一般的情况下，环境的温度与引起材料发生强度明显变化或者相转变的温度相差很远，疲劳循环所引起的试样的温度变化不足以影响到试样的力学性质。但是在一些情况下，就必须考虑循环变形时试样温度变化对力学性能和疲劳行为的影响，例如：对于低熔点的材料，几度的温度变化也可能引起试样强度较明显的变化；对常见的形状记忆合金而言，由于它们的相变温度就在室温附近，而且它们的相变温度滞后小，通常只有十几度，因此在室温附近较小的温度变化，就会引起试样的强度、应力应变响应、疲劳行为等很大的改变(见舟久保，熙康著.千东范译.左铁镛校.形状记忆合金.第一版：机械工业出版社，1992.66)，因此就需要考虑形变过程中材料的温度变化对材料性能的影响。另外在应变幅较大的情况下，试样的温度可能会与环境有很大的差别，这时也必须考虑试样的真实温度。
在应力作用下，试样发生变形时引起的温度变化反映了在疲劳过程中不同能量形式之间的转换，是弹塑性应变能向热能的转化，疲劳过程中试样内部组织结构的变化，位错密度和组态的变化等都可能使这种能量的转化发生变化，因此随着不同的循环周次时试样内组织结构的变化，在每一周加载过程中试样的温度波形也会发生变化，因此研究这种温度波形的变化规律，有助于及时、原位的了解试样内所发生的结构变化，从而了解疲劳损伤的积累程度，具有重要的理论和实际应用意义。但是在通常的疲劳实验中，试样的温度变化很小，在每一周内的温度波动更是非常小，原位、准确地测量在循环加载过程中试样的温度变化的波形有一定的困难，这种方法用于疲劳过程的研究工作还没有开展。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种温度的精密测量方法，其精度可达到小于0.001℃，尤其适用于在疲劳过程中实时、原位测量材料表面温度变化。
本发明提供一种材料温度的原位精密测量方法，其特征在于：用胶贴在试样上的热敏电阻将试样的温度变换成相应的电阻；用数字式电阻测量仪表测得电阻值，事先对电阻值与温度的对应关系进行标定，标定的温度范围为5～50℃；用计算机采集电阻值和相应的时间，从而得到试样的实时温度变化曲线，精度可达0.001℃以上，并可应用于受变形的试样的温度测量。
本发明提供的材料温度的原位精密测量方法中所述的胶是固化后非常软的704胶，当试样发生变形时，由于704硅橡胶很软，而热敏电阻又有一定的刚性，因此热敏电阻不会随试样变形。
本发明提供的材料温度的原位精密测量方法中所述胶在相同的变形量时的温度变化比金属材料的温度变化相对较小，以致可以忽略胶温度变化的影响。
本发明提供的材料温度的原位精密测量方法中所述的胶优选为704硅橡胶。
本发明提供的材料温度的原位精密测量方法中所述热敏电阻的厚度优选为0.1～0.5mm，以减少温度测量的滞后。
本发明提供的材料温度的原位精密测量方法中所述的热敏电阻的尺寸优选为(0.5～0.8)×(0.1～0.3)mm，通过采用大的试样截面积，尽量使测温探头微型化，以增大材料试样的热容，减小测温探头的热容，使测温度探头与试样达到相同的温度。
本发明提供的材料温度的原位精密测量方法中所述的热敏电阻在粘贴前进行塑封。
本发明提供的材料温度的原位精密测量方法中所述的数字式电阻测量仪表可以选用Keithley 2001型精密数字万用表。
本发明提供的材料温度的原位精密测量方法中所述的电阻值包括热敏电阻的阻值、测量电路中的其它电阻以及热电势等引起的电阻，所标定的曲线中也包含了测量电路中的电阻，以及由于热电势等因素产生的对测量电阻的影响，从测量的电阻值就可以通过标定的曲线来准确地得出所测量的温度值。
本发明还提供一种材料温度的原位精密测量方法在材料形变研究中的应用，其特征在于：被测件是疲劳试验中不断变形的试样。
本发明提供的材料温度的原位精密测量方法的优点在于：具有非常高的灵敏度和温度分辨率，分辨率可高于0.001℃，是一种研究疲劳过程中试样所发生的变化监测和疲劳机理研究的有效手段；可应用于利用温度波形监测疲劳试样中组织结构的变化，为用能量法研究疲劳提供定量的实验结果；可研究有相变材料的相变行为；以及其它需要快速、准确测温的场合。
附图说明：
图1是X52钢在微小弹性变形时试样的温度变化曲线(虚线表示应力波形)；
图2是X52钢在1～20周循环塑性变形时试样的温度变化曲线；
图3是X52钢在1～800周循环塑性变形时试样的温度变化曲线；
图4是X52钢在第50循环周次下试样的温度波形；
图5是X52钢在第700循环周次下试样的温度波形；
图6是不同循环周次下TiNi形状记忆合金疲劳试样的温度曲线。
具体实施方式：
实施例1普通无相变材料在循环应力作用下试样的温度变化
用704硅橡胶将长0.7mm宽0.2mm厚0.3mm的热敏电阻贴在试样上，用Keithley 2001型精密数字万用表测量电阻值，用计算机采集数据和相应的时间得到温度变化曲线。
分别对一种普通无相变材料X52钢在弹性和塑性变形时试样的温度变化进行了测量，结果如下：
X52钢在弹性变形时试样的温度变化：
X52钢在发生弹性变形时试样的温度随着外部应力的大小而发生的变化如图1。从图中可以看出，弹性拉伸时，试样的温度降低，拉伸卸载时，试样的温度回复，而在弹性压缩时，试样的温度升高，在压缩卸载时，试样的温度回复。在三角波控制的应力循环下，弹性变形时X52钢的试样温度变化曲线也呈三角波形。在每一应力循环周内，由拉伸和压缩卸载时产生的温度降低刚好被拉伸卸载和压缩时产生的温度升高所补偿，因此，在每一周内，由弹性变形引起的试样净温度变化为零，试样随着外部弹性应力的变化，温度在环境温度附近波动。
从图1中可以看出，试样的温度随着加载波形在0.01℃幅度波动时，用上述方法可以很准确地测量在这一微小温度区间内试样温度变化的波形，测量噪声很小，因此，用这种测温度的方法，可以测量出0.001℃(甚至更小)的温度变化，具有非常高的测量灵敏度。
X52钢在循环塑性变形时试样的温度变化：
X52钢在循环塑性变形时试样的温度变化曲线如图2和图3，从图2中可以看出，一开始加载时，试样的平均温度持续升高，在每一周加载过程中，试样的温度发生一定的波动，波动的幅度与试样在发生弹性变形时的温度波动幅度值相当，说明这种温度的波动是由于在循环变形过程中的弹性部分引起的。由于试样发生塑性变形，在对称拉压的应力应变曲线上表现出滞后回线，这部分的能量消耗主要使试样的温度升高，因此在循环塑性变形条件下，试样的温度不断地升高。随着试样温度的升高，试样与环境的温度差不断增大，试样向环境放热的速率也不断增加，当试样向环境释放热的速率与每周内试样由于塑性变形产生的热量相当时，试样的温度就会保持在一个相对稳定的值上
由于由试样的弹性变形和塑性变形引起的试样的温度变化的速率是不同的，而且，弹性变形可以引起试样的温度升高和降低，而塑性变形只会引起试样温度升高，在不同的循环周次下，由于试样内部组织结构发生了变化，试样的弹性和塑性变形行为也会随之发生一定的变化，会引起试样的温度曲线的变化，因而从温度曲线上可以推测试样内发生弹性变形和塑性变形的情况，从而推测试样内组织结构的变化。
应力应变曲线的测量结果表明，在第50周和第700周的循环应力应变响应基本相同，而两者的温度曲线则有明显的差别(见图4和5)，说明第50周与第700周时试样内的组织结构发生了变化，只是这种组织结构的变化还不足以引起应力应变响应的明显变化，从而说明疲劳过程中试样的温度变化曲线比循环应力应变响应能更敏感地反映试样的组织结构变化，是一种研究疲劳过程中试样中组织结构变化的好方法。
实施例2TiNi形状记忆合金在循环应力作用下的温度变化。
用704硅橡胶将长0.8mm宽0.3mm厚0.2mm的热敏电阻贴在试样上，用Keithley 2001型精密数字万用表测量电阻值，用计算机采集数据和相应的时间得到温度变化曲线。
在形状记忆合金中，由于在应力作用下，试样中会发生应力诱发马氏体相变，试样在每一周内的温度波动比普通金属材料大得多，因此，可以利用形状记忆合金应力诱发马氏体相变的相变潜热的这一性质，利用准确的试样温度测量来达到监测试样中应力诱发马氏体相变的发生以及其发生的变化的目的。
在实验中，我们分别记录了在应力控制，σmax＝300MPa，三角波，R＝0，f＝0.5Hz的循环应力作用下，形状记忆合金第10周和第10000周时试样的温度曲线，示于图6中。
从图6中可以看到在温度波形的最大值处(对应于最大应力处)，随着循环周次的增加，试样温度升高和降低的速率减慢。这种温度变化速率的降低说明试样中发生应力诱发马氏体相变和逆相变的速率在最大应力处不断降低，说明此时有一部分的应力是由马氏体的弹性变形来携带的(因为弹性变形引起温度变化的速率比应力诱发相变所产生的温度变化速率要小得多)。这种在最大应力处部分应力由马氏体的弹性变形携带的推测在应力应变曲线的变化中得到验证：随着循环周次的增加，TiNi形状记忆合金在最大应力处的应力应变曲线越来越陡，应力应变曲线平直，加载和卸载时的应力应变滞后也越来越小，这是弹性变形的特征；与此相对应的是，在零应力处，第10000周卸载时温度曲线的斜率比第15周时大得多，说明在接近零应力处，第10000周卸载时时试样内仍发生着较快速率的应力诱发马氏体逆相变，这一点也可与应力应变曲线的变化对应起来。
从上面的分析可以看出，通过分析在不同的循环周次下形状记忆合金温度曲线的变化，就可以推断度试样中应力诱发相变行为所发生的变化，具有连续、原位的特点，是研究应力诱发相变行为的重要方法。
Claims (10)
1、一种材料温度的原位精密测量方法，其特征在于：用粘贴在材料试样上的热敏电阻将试样的温度变换成相应的电阻；用数字式电阻测量仪表测得电阻值，事先对电阻值与温度的对应关系进行标定，标定的温度范围为5～50℃；用计算机采集电阻值和相应的时间，从而得到试样的实时温度变化曲线，精度可达0.001℃以上，并可应用于受变形的试样的温度测量。
2、按照权利要求1所述的材料温度的原位精密测量方法，其特征在于：粘贴热敏电阻所用的胶在固化后是软的，不会造成热敏电阻随试样变形；相同的变形量下，粘贴热敏电阻所用的胶温度变化比金属材料的温度变化相对较小，不会对金属材料温度测量产生干扰。
3、按照权利要求2所述的材料温度的原位精密测量方法，其特征在于：所述的胶是704硅橡胶。
4、按照权利要求1～3之一所述的材料温度的原位精密测量方法，其特征在于：所述热敏电阻的厚度为0.1～0.5mm。
5、按照权利要求4所述的材料温度的原位精密测量方法，其特征在于：所述热敏电阻的尺寸为长(0.5～0.8)×宽(0.1～0.3)mm。
6、按照权利要求1所述的材料温度的原位精密测量方法，其特征在于：所述的热敏电阻在粘贴之前进行塑封。
7、按照权利要求1所述的材料温度的原位精密测量方法，其特征在于：所述的温度测量区域为热敏电阻处的金属试样的温度随时间的变化。
8、按照权利要求1所述的材料温度的原位精密测量方法，其特征在于：所述的数字电阻测量仪表是Keithley 2001型精密数字万用表。
9、权利要求1～3和6～8之一所述的材料温度的原位精密测量方法在材料形变研究中的应用，其特征在于：被测件是疲劳试验试样，可在材料变形的过程中进行动态实时测量。
10、按照权利要求9所述的材料温度的原位精密测量方法在材料形变研究中的应用，其特征在于：所述热敏电阻的尺寸为长(0.5～0.8)mm×宽(0.1～0.3)mm×厚(0.1～0.5)mm。
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