CN103033402B - 一种板带退火试样的设计方法及其试样 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种板带退火试样的设计方法及其试样，通过改变试样长度方向各段电阻值的方法确定试样的形状，使靠近夹具的试样端部区域获得相对多的能量输入，补偿夹具热传导作用所导致的温度降低。解决常规板带试样在长度方向上容易产生较大的温度梯度的问题。

Description

一种板带退火试样的设计方法及其试样

技术领域

本发明涉及金属热处理技术领域，具体涉及一种板带退火试样的设计方法及其用该方法设计的试样。

背景技术

板带试样经过连续退火工艺模拟之后，经常要求对其进行拉伸、冲压等性能测试试验，以了解板带退火工艺对试验钢力学性能的影响。按照国家标准规定，对进行拉伸、冲压性能测试试验的板带试样有一定的尺寸要求，并且为了获得较准确的试验结果，要求待测试样在测试范围内具有较好的均匀性，即要求板带试样在连续退火过程中具有较好的温度均匀性。

目前，美国DSI公司制造的Gleeble-3800热模拟试验机所配备的板带退火系统可以模拟板带连续退火工艺。为了达到金属试样快速加热的目的，该设备采用直接电阻加热方式，其原理是将导电的板带试样连入设备与设备中安装的加热变压器等部件形成闭合电路，通过加热变压器给试样两端加上一定的电压值，使较大电流通过试样，利用试样本身电阻达到加热的目的。板带试样本身的尺寸规则，因此，加热的电能输入沿试样长度方向处处相等，但由于板带试样被夹于两个通有冷却水的夹具之间，在热传导的作用下，在板带试样的长度方向上容易产生较大的温度梯度。在试验过程中，用来研究材料性能和采集数据的均温区是相对的概念，经实际测量，在板带试样的长度方向上仍然存在温度梯度，因此，这对板带试样进行拉伸、冲压性能测试试验的试验结果会产生较大影响。

申请号为CN200510047083.0的“一种在金属板带试样热处理试验中消除温度梯度的方法”，其特征是在直接电阻加热方式的基础上，增加红外辐射加热方式，在试样的上、下，接近夹具两侧分别安装红外加热装置，利用红外辐射能量，弥补试样两端由于热传导而散失的热量。若将这种方法应用于Gleeble-3800热模拟试验机所配备的板带退火系统，不仅需要增加辅助设备，还需增加一套对该设备进行控制的控制系统，这增大了设备的操作难度，同时加大了设备的造价。

发明内容

本发明的目的在于提供一种板带退火试样的设计方法及其试样，基于热模拟机直接电阻加热方式，通过改变板带试样连入电路的电阻阻值，用以弥补试样两端由于热传导而散失的热量，降低板带试样退火试验中温度梯度。

1.板带试样温度梯度的测定

取一个常规待测板带试样，在板面几何中心处以及沿着长度方向的试样端部附近分别焊接一对热电偶。根据温度梯度计算公式，得到板带试样长度方向上的温度分布。

$\mathrm{\ΔT}={\left(\frac{2x}{L}\right)}^2(T_0-T_1)---\left(1\right)$

其中，L为两夹具间的距离，X为板带试样一点沿长度方向距中心的距离，

T₀、T₁分别为试样中心和端部升高的温度

2.常规板带试样加热一般规律

1)试样的任意位置

对于步骤1中的板带试样，由于其尺寸规则，输入热量

Q_i＝I²Rt                         (2)

其中，Q_i为输入的电能，R为作为电阻的板带试样的电阻，t为通电时间

根据能量守恒，电路对试样所作的功转化为热量，其中一部分热量用于使试样温度升高，另一部分则通过夹具的热传导作用和热量辐射作用损失掉，即

Q_i＝Q₁+Q₂                        (3)

其中，Q₁为使试样温度升高的热，Q₂为热量损失

I²Rt＝CmΔT+Q₂                   (4)

其中，m为作为电阻的板带试样的质量

该公式表明：在经过时间t的加热过程，试样升高温度ΔT。由于Q₂沿着板带试样的长度方向是变化的，且靠近试样的端部其值较大，有如下公式：

$\mathrm{\ΔT}=\frac{I^2\mathrm{Rt}-Q_2}{\mathrm{Cm}}---\left(5\right)$

2)试样的中心或靠近试样端部区域

对于试样的中心区域，即靠近热电偶焊接位置，将这一小段长为l的试样看成一个电阻，其阻值设为R₀，质量设为m₀，则由(5)式得

$T_0=\frac{I^2{R}_{0}t-Q_{02}}{{\mathrm{Cm}}_0}---\left(6\right)$

其中，Q₀₂为试样该处的热量损失

同理，在试样接近夹具附近区域的一小段长为l的试样看成一个电阻，由于试样是均一的，其阻值、质量与中心位置处一致，不同之处在于其所升高的温度要低于中心位置处升高的温度，则由(5)式得

$T_1=\frac{I^2{R}_{0}t-Q_{12}}{{\mathrm{Cm}}_0}---\left(7\right)$

其中，Q₁₂为试样该处的热量损失

由式(6)、(7)得

Q₁₂-Q₀₂＝Cm₀(T₀-T₁)        (8)

3.变截面的板带试样加热规律

试验是将板带试样作为电阻直接通电加热，板带试样为矩形，则其各处的热量输入均相同，然而由于其两端由通冷却水的夹具夹持，会产生较强的热传导，从而导致试样的温度不均。通过改变试样长度方向的电阻值的方法，可以使试样获得相对多的能量输入，补偿夹具热传导作用所导致的温度降低，从而达到改变试样在电加热的条件下的温度升高值。改变该阻值的方法，可以通过改变试样截面来实现。

对于试样(与步骤2中的试样区别在于，其靠近端部的宽度小于中心宽度)的中心区域，上述关系式(6)成立，且中心区域这一小段试样质量为m₀，密度为ρ，电阻率为ρ₀，横截面积为s₀则

$R_0={\mathrm{\ρ}}_0\frac{l}{s_0}---\left(9\right)$

m₀＝ρls₀                    (10)

而在试样接近夹具附近区域(与步骤2中的位置相同)的一小段长为l的试样，其宽度要小于中心区域，其阻值为R₁，质量设为m₁，横截面积为s₁则

$R_1={\mathrm{\ρ}}_0\frac{l}{s_1}---\left(11\right)$

m₁＝ρls₁                    (12)

设该段试样的温度均匀，且试样在该处热量损失近似相等，则由步骤2中(7)式可知，其温度升高值为

$T_2=\frac{I^2{R}_{1}t-Q_{12}}{{\mathrm{Cm}}_1}---\left(13\right)$

为了减小温度梯度，则令T₀＝T₂，由式(6)、(7)、(8)、(9)、(10)、(11)、(12)、(13)得到以下公式：

$\frac{T_0-T_1}{T_0}=\frac{s_0}{s_1}-\frac{s_1}{s_0}---\left(14\right)$

由于s＝ld，设l₀为试样中心处宽，l₁为所取试样段宽，将其代入式(14)得

$\frac{\mathrm{\ΔT}}{T_0}=\frac{l_0}{l_1}-\frac{l_1}{l_0}---\left(15\right)$

由式(1)、(8)、(15)，并令 $\mathrm{\σ}=\frac{{4l}_0}{T_0{L}^2}\left(\frac{Q_{12}-Q_{02}}{{\mathrm{Cm}}_0}\right),$ 则

$\mathrm{\σ}=\frac{{4l}_0}{T_0{L}^2}(T_0-T_1)---\left(16\right)$

$l_1=\frac{\sqrt{{\mathrm{\σ}}^2{x}^4+4l_0^2}-\mathrm{\σ}{x}^2}{2}---\left(17\right)$

可知，可以通过板带试样长度上温度梯度，来设计板带试样的横截面尺寸，较容易的方法是设计板宽，且在试样长度方向距离中心为x处的试样宽度l₁满足(17)式。

4.变截面的板带试样设计

由步骤1所计算的板带试样温度梯度公式代入步骤3中推导出的公式，然后根据板带试样的加热温度，以及沿试样的长度方向上将试样看成由许多段组成，依次带入公式进行计算，得到距离试样中心不同距离处的试样宽度(或宽度与试样中心处试样宽度的比值)，此宽度或比值确定了试样的轮廓线(即试样的形状)，从而可以应用剪板机或线切割设备加工出可在退火过程中，获得较均匀温度区间的板带试样。

综上所述，本发明的一种板带退火试样的设计方法，通过改变试样长度方向各段电阻值的方法确定试样的形状，使靠近夹具的试样端部区域获得相对多的能量输入，补偿夹具热传导作用所导致的温度降低。所述试样长度方向各段电阻值的改变，是通过改变试样长度方向各段宽度来实现，具体步骤如下：

1)取一个常规待测板带试样，在板面几何中心处以及沿着长度方向的试样端部附近分别焊接一对热电偶，测定出该试样在长度的温度分布；

2)根据热模拟试验机将试样作为电阻直接加热特点，流过试样截面的电流保持不变，将试样沿长度方向划分为若干段电阻，通过改变试样各段的横截面尺寸实现对该试样连入电路的电阻阻值的改变，相应试样各段的质量发生改变，从而使连入电路的试样各段在电加热作用下所获得的热量发生改变，使试样各段升高的温度作出相应的改变，以补偿由于夹具热传导作用导致板带试样长度方向上的温度梯度；

3)根据试样各段的横截面尺寸的改变确定板带试样一半的形状；

4)根据步骤1)～3)或采用对称方式确定板带试样的另一半的形状。

本发明的有益效果是基于热模拟机直接电阻加热方式，通过改变板带试样连入电路的电阻阻值，用以弥补试样两端由于热传导而散失的热量。该方法简便快捷，不需要对模拟试验设备作任何修改，对试样尺寸规格做简单处理，即可实现降低板带试样退火试验中温度梯度，继而为板带一系列的性能测试提供更准确、可靠的数据。

附图说明

图1为常规板带试样温度梯度计算示意图；

其中，1为试样，2为夹具

图2为本发明对板带试样宽度计算示意图。

具体实施方式

下面介绍本发明的几个实例，为比较本发明的效果还给出了对比实例。

本发明采用具体步骤如下：

1.板带试样温度梯度，测定σ值

取一个常规待测板带试样，200*50*1长*宽*厚度，在板面几何中心处以及沿着长度方向，靠近夹具处分别焊接一对热电偶，通电加热试样，测定出试样在不同加热条件下的温度值。应用式(16)，

$\mathrm{\σ}=\frac{{4l}_0}{T_0{L}^2}(T_0-T_1)$

计算出σ值。

2.变截面的板带试样尺寸定制

试验是将板带试样作为电阻直接通电加热，板带试样为矩形，则其各处的热量输入均相同，然而由于其两端由通冷却水的夹具夹持，会产生较强的热传导，从而导致试样的温度不均。通过改变试样长度方向的电阻值的方法，可以使试样获得相对多的能量输入，补偿夹具热传导作用所导致的温度降低，从而达到改变试样在电加热的条件下的温度升高值。改变该阻值的方法，可以通过改变试样截面来实现。

将步骤1中所计算出的σ值代入式(17)，

$l=\frac{\sqrt{{\mathrm{\σ}}^2{x}^4+4l_0^2}-\mathrm{\σ}{x}^2}{2}$

等距离间隔地取不同的x值，计算出相应的l值，如表1。

3.变截面的板带试样设计

根据距离试样中心不同距离处的试样宽度与试样中心不同距离处的试样宽度，此宽度确定了试样一半的轮廓线(即试样的形状)，再根据上述方法或采用对称方式确定板带试样的另一半的形状。应用剪板机或线切割设备加工。裁切出的板带试样可在退火过程中，在板带长度方向上获得较长的均匀温度区间。

表1宽度值计算

Claims (2)

1.一种板带退火试样的设计方法，其特征在于：通过改变试样长度方向各段电阻值的方法确定试样的形状，使靠近夹具的试样端部区域获得相对多的能量输入，补偿夹具热传导作用所导致的温度降低，所述试样长度方向各段电阻值的改变，是通过改变试样长度方向各段宽度来实现，具体步骤如下：

1)取一个常规待测板带试样，在板面几何中心处以及沿着长度方向的试样端部附近分别焊接一对热电偶，测定出该试样在长度的温度分布；

2)根据热模拟试验机将试样作为电阻直接加热特点，流过试样截面的电流保持不变，将试样沿长度方向划分为若干段电阻，通过改变试样各段的横截面尺寸实现对该试样连入电路的电阻阻值的改变，相应试样各段的质量发生改变，从而使连入电路的试样各段在电加热作用下所获得的热量发生改变，使试样各段升高的温度作出相应的改变，以补偿由于夹具热传导作用导致板带试样长度方向上的温度梯度；

3)根据试样各段的横截面尺寸的改变确定板带试样一半的形状；

4)根据步骤1)～3)或采用对称方式确定板带试样的另一半的形状。

2.一种由权利要求1所述的一种板带退火试样的设计方法所设计的试样，其特征在于：所述试样各段的横截面尺寸为中间宽两端窄渐变的轴对称形状。