CN116296876A - 一种热模拟试验机拉伸试样的传热计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种热模拟试验机拉伸试样的传热计算方法，包括以下步骤：S1、计算热模拟试验机拉伸夹具的抗拉强度，Rm0＝F0÷S0；F0＝Rm1×S1；S2、计算热模拟试验机拉伸夹具的传热：d2t/dx2＝0；
夹具平壁中温度分布的最终解为：
将温度t(x)代入傅里叶定律：
对移项得到：
S3、计算夹具的热密度q：Cρ＝Q/m(t‑t0)；m＝ρ·V；得到热量Q；Q＝Cρ·ρV(t‑t0)；推导出热流密度的计算公式：q＝Q/t·S。通过计算并了解夹具在使用过程中可能会发生的具体情况，以便后续的热模拟试验机高温拉伸试样夹具的材料选择及热处理工艺的选择。
Description
技术领域
本发明涉及材料动态力学实验技术领域，尤其是一种热模拟试验机拉伸试样的传热计算方法。
背景技术
热模拟试验机是一种多功能的设备可以实现多种工艺模拟，如焊接、连铸、热轧和锻造等，以及材料力学性能实验的仿真，如热拉伸、热压缩、轴向变形、平面变形、应变诱导析出、熔化与凝固、热处理以及相转变(动态CCT和静态CCT)等，使用该设备既可进行材料的单项特性试验，也能完成多项综合性、设计性、创新性试验，常用于材料力学性能和物理性能测试、热加工过程动态模拟、加工质量控制及其他冶金研究，用于教学中可为学生提供研究材料在加热、冷却及受力情况下的性能及其变化规律的技术性支持。
目前，热模拟实验设备按不同的加热途径可分为两大类型，一种是利用电阻直接通电加热，另一种是焊接电偶丝借助感应线圈通过高频感应线圈加热，按照设备的实验功能的不同又可分为单项的性能测试和带有力学性能实验的多功能仿真设施装置。但是，热模拟试验机在具体实验中仍存在某些不足，例如，钛合金材料拉伸实验所用拉伸试样件夹具要高温(700℃左右)下工作，而钛合金在高温下也能保持比较高的强度，若所选夹具的材料力学性能达不到相关要求，抗拉载荷过小，长时间在高温下反复冷却，材料的内部组织及性能发生变化，夹具的使用功能就会失效，所以有必要模拟计算高温下热模拟试验机拉伸试样件夹具的力学性能及受热温度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种热模拟试验机拉伸试样与夹具之间的传热计算方法，通过计算并了解夹具在使用过程中可能会发生的具体情况，以便后续的热模拟试验机高温拉伸试样件夹具的材料选择及热处理工艺的选择。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种热模拟试验机拉伸试样的传热计算方法，其特征在于；包括以下步骤：
S1、计算热模拟试验机拉伸夹具(1)的抗拉强度
Rm0＝F0÷S0 (一)
F0＝Rm1×S1 (二)
在公式(一)和(二)中，Rm0为夹具的抗拉强度极限，单位为MPa；Rm1为试样件的抗拉强度极限，单位为MPa；S0为夹具最小截面积，单位为mm2；S1为试样件最小截面积，单位为mm2；F0为拉伸试样件所受拉应力极限，单位为N；
S2、计算热模拟试验机拉伸夹具的传热
夹具导热微分方程和相应边界条件如下：
d2t/dx2＝0 (三)
对公式(三)积分两次，得到夹具平壁的温度分布通解t＝c1x+c2；由第一类边界条件公式(四)和(五)得出两个积分常数，则夹具平壁中温度分布的最终解为，如下：
将温度t(x)代入傅里叶定律，即得到通过单层平壁的热流密度q，如下：
通过公式(七)对移项得到，如下：
在公式(八)中，q为热流密度：单位时间内通过单位面积的热流量，单位为W/m2；λ为导热系数：反映材料导热能力大小的物理量，单位为W/(m·k)；δ为壁厚：两点之间热传导的距离，单位为m；
为热源温度，单位为℃；/>
为所求距离点的温度，单位为℃；
S3、计算热模拟试验机高温拉伸夹具(1)的热密度q
Cρ＝Q/m(t-t0) (九)
m＝ρ·V (十)
在公式(九)和(十)中，Cρ为比热容，单位为J/(kg/K)；Q为热量，单位为J；m为质量，单位为Kg；t为最终温度，单位为℃；t0为初始温度，单位为℃；ρ为密度，单位为kg/m3；V为体积,单位为m3；
通过公式(九)和(十)得到热量Q，如下：
Q＝Cρ·ρV(t-t0) (十一)
再通过热量密度的单位W/m2推导出热流密度的计算公式，如下：
q＝Q/t·S (十二)
在公式(十二)中，S为面积，单位为m2。
所述试样件为棒状或者板状。
所述热模拟试验在真空下进行，所述试样件通过线圈加热，所述加热温度为500～1600℃。
所述试样件的材为钛合金。
所述夹具的材质为高速钢W18Cr4V和耐热钢42Cr9Si2，所述夹具经过锻造、切削加工和热处理工艺。
本发明的有益效果是：
1、通过对热模拟试验机高温实验过程的力学性能及传热的数值模拟计算，计算出夹具在实验过程中可能因热传导而达到受热温度，受拉伸载荷而承受的应力情况，可很好的应用于热模拟试验机拉伸实验中，能够准确、可靠、稳定的测量板材状金属材料的拉伸强度极限、断后伸长率等，打破热模拟试验机无法对板材状金属材料拉伸局限性，是一套符合力学性能要求的拉伸夹具，可运用于多种板材状金属材料在热模拟试验机中进行高温拉伸测试，具有一定实际的应用价值。
2、通过设计方案中的结构尺寸及模拟计算高温下夹具的应用温度及受力情况下，结合夹具的各方面性能要求挑选综合力学性能良好、耐热且经济性较高的马氏体型耐热钢42Cr9Si2，并设计出合理的加工工序及热处理工艺，在热处理前完成夹具的粗加工，留有相应的磨削余量，避免因热处理过程而引起零件毛坯的外径扭曲量。
附图说明
图1是本发明中钛及钛合金板材的高温力学性能列表；
图2是本发明中钛及钛合金棒材的高温力学性能列表；
图3是本发明中棒状夹具的抗拉强度极限列表；
图4是本发明中板状夹具的强度极限列表；
图5是本发明中金属与合金的热物理性质列表；
图6是本发明中方案(一)中棒状夹具与试样件传热结构示意图；
图7是本发明中方案(二)中棒状夹具与试样件传热结构示意图；
图8是本发明中方案(二)中板状夹具与试样件传热结构示意图；
图9是图8的俯视图；
图10是本发明中方案(一)中板状夹具与试样件传热结构示意图；
图11是高速钢的牌号和化学成分列表；
图12是马氏体型耐热钢的化学成分列表；
图13是常用高速工具钢的种类、牌号、主要性能和用途列表；
图14是马氏体型耐热钢棒材热处理后的力学性能与硬度列表；
图15是W18Gr4V的热处理列表；
图16是Cr9Si2的热处理列表；
图17是6-1TC4化学成分列表；
图18是6-2TC4板材常温力学性能列表；
图19是热模拟试验机测试TC4的高温力学性能列表；
图20是350℃拉伸过程曲线图；
图21是400℃拉伸过程曲线图；
图22是450℃拉伸过程曲线图；
图23是500℃拉伸过程曲线图；
图24是550℃拉伸过程曲线图；
图25是600℃拉伸过程曲线图；
图26是屈服强度随温度的变化曲线图；
图27是断后伸长率数温度的变化曲线图；
图28是45号碳素结构钢的化学成分列表；
图29是45号碳素结构钢的常温力学性能列表；
图中所示：1-夹具；2-试样件。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例1
本发明的热模拟试验机拉伸试样件夹具，主要运用于高温(700℃左右)下的钛合金材料拉伸实验，而钛合金在高温下也能保持比较高的强度，若所选夹具1的材料力学性能达不到相关要求，抗拉载荷过小，长时间在高温下反复冷却，材料的内部组织及性能发生变化，夹具1的使用功能就会失效，所以有必要模拟计算高温下，热模拟试验机拉伸试样件夹具的力学性能及受热温度，了解夹具1在使用过程中可能会发生的具体情况，以便后续的热模拟试验机高温拉伸试样件夹具的材料选择及热处理工艺的选择。
抗拉强度是金属由均匀塑性变形向局部集中塑性变形过渡的临界值，也是金属在静拉伸条件下的最大承载能力，抗拉强度即表征材料最大均匀塑性变形的抗力，拉伸试样件2在承受最大拉应力之前，变形是均匀一致的，但超出之后，金属开始出现缩颈现象，即产生集中变形。在材料超出抗拉强度极限时，材料即失效，所以计算材料的抗拉强度尤为重要。
一般公式为：额定力(N)÷截面积(mm2)＝N/mm2＝MPa
常见钛及钛合金板材高温力学性能如图1所示，钛及钛合金棒材高温力学性能如图2所示。
一种热模拟试验机拉伸试样的传热计算方法，包括以下步骤：
S1、计算热模拟试验机拉伸夹具的抗拉强度
Rm0＝F0÷S0 (一)
F0＝Rm1×S1 (二)
在公式(一)和(二)中，Rm0为夹具1的抗拉强度极限，单位为MPa；Rm1为试样件2的抗拉强度极限，单位为MPa；S0为夹具1最小截面积，单位为mm2；S1为试样件2最小截面积，单位为mm2；F0为拉伸试样件2所受拉应力极限，单位为N；
(1)夹具1为棒状的强度计算如下：
棒状试样件最小截面积＝πr2＝3.14×(4mm)2＝50.24mm2
棒状夹具最小截面积＝πr12＝3.14×(5mm)2＝78.5mm2
将棒状试样件最小截面积、棒状夹具最小截面积和图1列表中各种温度下钛合金的强度极限，代入公式(一)和(二)，计算出棒状夹具的抗拉强度极限如图3的列表所示；
(2)夹具1为板状的强度计算：
板状试样件最小截面积＝a×b＝2mm×5mm＝10mm2
板状夹具最小截面积＝πr1 2＝3.14×(5mm)2＝78.5mm2
同理，将板状试样件最小截面积、板状夹具最小截面积和图1列表中各种温度下钛合金的强度极限，代入公式(一)和(二)，计算出板状夹具的抗拉强度极限如图4的列表所示。
S2、计算热模拟试验机拉伸夹具的传热
热模拟试验机拉伸实验是在真空下进行，实验中除用热电偶及线圈加热试样件2外，无任何其余形式的热源，夹具1受热的温度会影响到夹具1的使用性能和使用寿命，所以传热计算必不可少。
设定夹具1材料均匀构成的平壁，厚度等于δ，两侧面分别维持均匀一致的温度
和/>
，材料的导热系数在此温度范围内可以视为常数，平壁无任何形式的内热源，在此条件下，可看作一维稳态导热处理，夹具1导热微分方程和相应边界条件如下：
d2t/dx2＝0 (三)
对公式(三)积分两次，得到夹具1平壁的温度分布通解t＝c1x+c2；由第一类边界条件公式(四)和(五)得出两个积分常数，则夹具1平壁中温度分布的最终解为，如下：
将温度t(x)代入傅里叶定律，即得到通过单层平壁的热流密度q，如下：
通过公式(七)对移项得到，如下：
在公式(八)中，q为热流密度：单位时间内通过单位面积的热流量，单位为W/m2；λ为导热系数：反映材料导热能力大小的物理量，单位为W/(m·k)；δ为壁厚：两点之间热传导的距离，单位为m；
为热源温度，单位为℃；/>
为所求距离点的温度，单位为℃；
条件设定：试样件2初始温度平均室温25℃＝298.15K；THERMEDMASTOR热模拟试验机加热试样件2至750℃＝1023.15K；加热速度为10℃/S，所需时间72.5S。
根据设计：棒状试样件工作加热段截面积为5.02×10-5m2；棒状试样件工作加热段体积为6.03×10-7m3；板状试样件工作加热段截面积为1×10-5m2；板状试样件工作加热段体积＝1.2×10-7m3；
S3、计算热模拟试验机高温拉伸夹具的热密度q
Cρ＝Q/m(t-t0) (九)
m＝ρ·V (十)
在公式(九)和(十)中，Cρ为比热容，单位为J/(kg/K)；Q为热量，单位为J；m为质量，单位为Kg；t为最终温度，单位为℃；t0为初始温度，单位为℃；ρ为密度，单位为kg/m3；V为体积,单位为m3；
通过公式(九)和(十)得到热量Q，如下：
Q＝Cρ·ρV(t-t0) (十一)
再通过热量密度的单位W/m2推导出热流密度的计算公式，如下：
q＝Q/t·S (十二)
在公式(十二)中，S为面积，单位为m2。
计算中所需的金属材料的物理性能如图5列表所示，图5中不同热力学温度(K)下的导热系数λ/[W/(m·k)]和比热容Cρ[J/(kg/K)]上面的数字为导热系数，下面的数字为比热容。
所述试样件为棒状或者板状。
所述热模拟试验在真空下进行，所述试样件2通过线圈加热，所述加热温度为500～1600℃°。
所述试样件2的材质为钛合金。
所述夹具1的材质为高速钢W18Cr4V和耐热钢42Cr9Si2，所述夹具1经过锻造、切削加工和热处理工艺。
实施例2
拉伸试样件材料为TC4，夹具1材料为30CrMo的传热计算
(A)棒状试样件及夹具传热计算
将设定棒状试样件及夹具1的条件及图5中表的数据，代入公式(十一)中计算750℃时的热量Q1：(750℃＝1023.15K，固选1000K温度下的钛的导热系数λ1和比热容Cρ1)
Q1＝675J/kg·k×4500kg/m3×6.03×10-7m3×(1023.15-298.15)K＝1327.92J
将Q1及相关数据代入公式(十二)计算热流密度q1：
q1＝1327.92J÷(72.5S×5.02×10-5m2)＝3.65×105W/m2
(A-1)如图6所示，计算设计方案(一)中棒状夹具与棒状试样件最近接触点试样件2温度：距离δ1＝15mm；试样件2加热段a1＝12mm。
将q1及λ1代入公式(八)得:
则棒状夹具与棒状试样件最近接触点试样件温度t1：
t1＝1023.15K-(3.65×105W/m2×1.5×10-2m)÷20.7W/m·k＝1023.15K-264.49K＝758.66K＝485.5℃
同理计算夹具1在该点所受热传导温度，距离δ2＝0.1mm(选择800K温度下的铬钢的导热系数λ2)：
棒状夹具所受热传导温度t2：
t2＝758.66K-(3.65×105W/m2×1×10-4m)÷33.3W/m·k＝758.66K-1.1K＝757.56K＝484.41℃
(A-2)如图7所示，计算设计方案(二)棒状夹具与棒状试样件最近接触点试样件2温度，距离δ3＝19mm；；试样件2加热段a3＝12mm。
将q1及λ1代入式(3-8)得
棒状夹具与试样件最近接触点试样件温度t3：
t＝1023.15K-(3.65×105W/m2×1.9×10-2m)÷20.7W/m·k＝1023.15K-335.02K＝688.13K＝414.98℃
同理计算棒状夹具在该点所受热传导温度，距离δ4＝0.1mm(选择700K温度下的铬钢导热系数λ3＝(λ600K+λ800K)÷2＝35W/m·k)：
棒状夹具所受热传导温度t4：
t4＝688.13K-(3.65×105W/m2×1×10-4W)÷35W/m·k＝688.13K-1.04K＝687.09K＝413.94℃
(B)板状试样件及夹具传热计算
将设定棒状试样件及夹具1的条件及图5中表的数据
将设定板状试样件及夹具1的条件及图5中表的数据代入式(十一)，计算750℃时的热量Q2：(750℃＝1023.15K，固选1000K温度下的钛的导热系数λ1和比热容Cρ1)
Q2＝675J/kg·k×4500㎏/m3×1.2×10-7m2×(1023.15-298.15)K＝264.26J
将Q2及相关数据代入式(3-12)计算热流密度q2：
q2＝264.26J÷(72.5S×1×10-5m2)＝3.64×105W/m2
(B-1)计算设计方案(二)板状夹具与板状试样件最近接触点试样件温度：距离δ5＝4mm；试样件2加热段a6＝12mm，具体如图8至9所示；
将q2及λ1代入公式(八)得
板状夹具与板状试样件最近接触点试样件温度t5：
t5＝1023.15K-(3.64×105W/m2×4×10-3m)÷20.7W/m·k＝1023.15K-70.34K＝952.81K＝679.66℃
计算夹具1在该点的受热传导温度，距离δ6＝0.1mm(选择1000K温度下铬钢的导热系数λ4＝26.9W/m·k)
夹具1在该点的温度t6
t6＝952.81K-(3.64×105W/m2×1×10-4m)÷26.9W/m·k＝952.81K-1.35K＝951.46K＝678.41℃
(B-2)计算设计方案(一)夹具与板状试样件接触点试样件温度：距离δ7＝11mm，试样件2加热段a7＝12mm，具体如图10所示：
将q2及λ2代入式(3-8)得
板状夹具与板状试样件接触点试样件温度t7：
t7＝1023.15K-(3.64×105W/m2×11×10-3m)÷20.7W/m·k＝1023.15K-193.43K＝829.72K＝556,57℃
计算板状夹具在该点的受热传导温度，距离δ8＝0.1mm(选择800K温度下铬钢的导热系数λ2＝33.3W/m·k)
夹具1在该点的受热传导温度t8：
t8＝829.72K-)3.64×105W/m2×1×10-4m)÷33.3W/m·k＝829.72K-1.09K＝828.63K＝555.48℃
实施例3
(1)拉伸试样件材料为普通碳钢Q235，夹具1材料为30CrMo的传热计算
(a)棒状试样件夹具传热计算
设定棒状试样件及夹具1的条件及图5中表的数据，代入公式(十一)中计算750℃时的热量Q3：(750℃＝1023.15K，固选1000K温度下的普通碳钢的导热系数λ5和比热容Cρ2)
Q3＝1169J/kg·k×7854kg/m3×6.03×10-7m3×(1023.15-298.15)K＝4013.85J
将Q3及相关数据代入式(3-12)计算热流密度q3：
q3＝4013.85J÷(72.5S×5.02×10-5m2)＝1.1×106W/m2
(a-1)计算设计方案(一)棒状夹具与棒状试样件最近接触点试样件温度：距离δ1＝15mm，将q3及λ5代入公式(八)得
棒状夹具与棒状试样件最近接触点试样件温度t9：
t9＝1023.15K-(1.1×106W/m2×1.5×10-2m)÷30W/m·k＝1023.15K-550K＝473.15K＝200℃
计算棒状夹具在该点的受热传导温度，距离δ2＝0.1mm(选择500K温度下的铬钢的导热系数λ6＝(λ600K+λ400K)÷2＝37.45W/m·k)：
棒状夹具在该点的受热传导温度t10：
t10＝473.15K-(1.1×106W/m2×1×10-4m)÷37.45W/m·k＝473.15K-2.94K＝470.21K＝197.06℃
(a-2)计算设计方案(二)棒状夹具与棒状试样件最近接触点试样件温度：距离δ3＝19mm，将q3及λ5代入公式(八)得
棒状夹具与棒状试样件最近最近接触点试样件温度t11：
t1＝1023.15K-(1.1×106W/m2×1.9×10-2m)÷30W/m·k＝1023.15K-696.67K＝326.48K＝53.33℃
计算夹具1在该点的受热传导温度，距离δ4＝0.1mm(选择400K温度下铬钢的导热系数λ7＝38.2W/m·k)
夹具1在该点的受热传导温度t12：
t12＝326.48K-(1.1×106W/m2×1×10-4m)÷38.2W/m·k＝326.48K-2.88K＝323.6K＝50.45℃
(b)板状试样件及夹具传热计算
将设定板状试样件及夹具1的条件及图5中表的数据代入公式(十一)中，计算750℃时的热量Q4：(750℃＝1023.15K，固选1000K温度下的普通碳钢的导热系数λ5和比热容Cρ2)
Q＝1169J/kg·k×7845kg/m3×1.2×10-7m2×(1023.15-298.15)K＝797.86J
将Q4及相关数据代入公式(十二)计算热流密度q4：
q4＝797.86J÷(72.5S×1×10-5m2)＝1.1×106W/m2
(b-1)计算设计方案(二)板状夹具与板状试样件最近接触点试样件温度：距离δ5＝4mm，将q4及λ5代入公式(八)得
板状夹具与板状试样件最近接触点试样件温度t13：
t13＝1023.15K-(1.1×106w/m2×4×10-3m)÷30w/m·k＝1023.15K-146.67K＝876.48K＝603.33℃
计算夹具在该点的受热传导温度,距离δ6＝0.1mm(选择900K温度下的铬钢的导热系数λ6＝(λ800K+λ1000K)÷2＝30.1W/m·k
夹具1在该点的受热传导温度t14：
t1＝876.48K-(1.1×106W/m2×1×10-4m)÷30.1W/m·k＝876.48K-3.65K＝872.83K＝599.68℃
(b-2)计算设计方案(一)板状夹具与板状试样件接触点试样件温度：距离δ7＝11mm，将q4及λ5代入公式(八)得
板状夹具与板状试样件最近接触点试样件温度t15：
t15＝1023.15K-(1.1×106W/m211×10-3m)÷30W/m·k＝1023.15K-403.33K＝619.82K＝346.67℃
计算夹具1在该点的受热传导温度,距离δ8＝0.1mm(选择600K温度下的铬钢的导热系数λ7＝39.1W/m·k)
夹具1在该点的受热传导温度t16：
t16＝619.82K-(1.1×106W/m2×1×10-4m)÷39.1W/m·k＝619.82K-2.81K＝617.01K＝348.86℃
实施例3
热模拟试验机拉伸试样件高温夹具材料的选用
材料选择是否合理，直接关系到热处理质量，如果通过热处理未能达到预定的性能指标，就需要重新选择材料，所以选用的材料应考虑到零件的结构形状，保证良好的加工工艺性能同时不过多增加成本，具体要求如下：
工作条件要求
(1)耐磨性：夹具1在工作时与拉伸试样件相结合会发生摩擦，特别是带有螺纹的试样件2与夹具1，从而可能会导致夹具1因磨损而失效，所以耐磨性是夹具1最基本最重要的性能之一。(硬度是影响耐磨性的主要因素，一般情况下，材料的硬度越高，磨损量越小，耐磨性也越好。)
(2)疲劳断裂性能：夹具1工作过程中，在循环应力的长期作用下，往往导致疲劳断裂。其形式有拉伸疲劳断裂接触疲劳断裂。(材料的疲劳断裂性能主要取决于其强度、韧性、硬度以及材料中夹杂物的含量。)
(3)高温性能：当夹具1在工作时会因试样件工作段的加热，受热传导的影响，夹具1局部温度会升高，从而导致材料的硬度和强度下降，使夹具1早期磨损或产生塑性变形而失效。因此，夹具1材料应具有较高的抗回火稳定性，以保证夹具1在工作温度下具有较高的硬度和强度。
(4)耐冷热疲劳性能：夹具1在工作过程中处于反复加热冷却的状态，使夹具1内部受拉力、压力、交变应力的作用，引起表面龟裂和剥落，增大摩擦力阻碍塑性变形，降低了尺寸精度，从而导致夹具1失效。
工艺性要求
夹具1的制造过程一般要经过锻造、切削加工、热处理等多道工序，为保证夹具1的制造质量，降低生产成本，夹具1材料不仅应具有良好的可锻性、切削加工性、淬硬性、淬透性及可磨性，而且还应具有较小的氧化脱碳敏感性和淬火变形开裂倾向。
(1)可锻性：具有较低的热锻变形抗力，塑性好锻造温度范围宽，锻裂冷冽及析出网状碳化物倾向低。
(2)氧化脱碳敏感性：高温加热时抗氧化性能好，脱碳速度慢，对加热介质不敏感，产生麻点倾向小。
(3)淬硬性：淬火后具有均匀而高的表面硬度。
(4)淬透性：淬火后能获得较深的淬硬层，采用较缓和的淬火介质就能达到淬硬的目的。
(5)淬火变形开裂倾向：经常规淬火时，钢的体积变化较小，形状翘曲，畸变轻微，异常变形倾向低。常规淬火开裂敏感性低，对淬火温度及加工形状不敏感。
经济性要求
在进行夹具1选材时，还需考虑经济性原则，尽可能地降低制造成本。因此，在满足使用性能和夹具1寿命的前提下，首先选用价格较低的。此外，在选材时还应尽量立足于国内条件和国家资源，同时应尽量减少材料的品种、规格等。
夹具1材料的确定
选定合适的材料，需对其金属结构的使用条件进行严格的技术分析。即根据结构的结合形状，结构工作的条件(如承受载荷的种类、大小、工作温度、周围介质等)、构件的制造工艺(如各种冷、热加工、冲压、焊接、热处理等)、构件损坏的机能。以及构件的生产批量大小等多种因素，确定对材料的技术要求，然后再对照各种材料牌号的机械、工艺、物理、化学性能来选择。
如果材料牌号选择不当，会造成零件的热处理缺陷或力学性能得不到保证和使用寿命下降，保证产品质量和成本降低都有较大的影响。所以材料牌号的选择尤为重要。
在各种合金钢中符合高温力学性能及要求的材料有很多，其中包括工具钢、不锈钢及耐热钢、高温合金钢、钛及钛合金、镍基合金等。
但结合对热模拟试验机高温下拉伸试样件夹具的工作条件要求、工艺学要求、经济性要去以及对热模拟试验机拉伸试样件夹具的受力载荷以及受热仿真模拟计算综合选择，初步选定热模拟试验机拉伸试样件夹具的材料为高速工具钢和马氏体耐热钢。高速工具钢具有高的红硬性，在高速切削的条件下，温度高达500～600℃硬度也不降低。马氏体型耐热钢是在高Cr型马氏体不锈钢的基础上加入Mo、V、W等元素发展而成的，使用温度在550～600℃，抗氧化性及热强性均较高，淬透性好。
常见高速钢、马氏体型耐热钢的牌号列于如图11和12的表中所示，常用高速工具钢的种类、牌号、主要性能和用途如图13的表中所示，马氏体型耐热钢棒材热处理后的力学性能与硬度如图14的表中所示。
对各常用牌号的合金成分与力学性能进行对比，最终选定高温拉伸夹具1的材料为高速钢W18Cr4V和耐热钢42Cr9Si2。
W18Cr4V(原材料状态：锻后退火硬度HRC65左右)具有良好的热硬性，在500℃及600℃时硬度分别保持在57～58HRC和48.5HRC和较好的切削性，被磨削加工性好，淬火过热敏感性小，比合金工具钢的耐热性能高。其热处理范围比较宽，不易氧化脱碳[16]。比较与其他高速工具钢W18Cr4V的合金成分较少更适合用于夹具1的制作。
42Cr9Si2钢(原材料状态：800～880℃退火状态)，Cr含量比较高，有较高的热强性，抗氧化性好，可用于承受较大载荷的零件。比较与其他马氏体型耐热钢牌号42Cr9Si2钢的化学合金成分较少，且力学性能较大符合夹具1的力学性能要求，价格适中，耐磨性较好。
最终确定热模拟不同形状拉伸试样件夹具热处理工艺如图15至16所示。
实施例3
高温下热模拟拉伸试样件夹具应用验证
1)高温下热模拟拉伸试样件板状夹具应用验证
板状拉伸试样件材料为TC4,其化学成分和常温力学性能如图17至18所示示。该材料在室温下呈α+β型两相组织，因而得名为α+β型钛合金,具有良好的综合力学性能，可热处理强化，锻造、冲压及焊接性能均较好，可切削加工；室温强度高，150～500℃以下且有较好的耐热性，并有良好的低温韧性和良好的抗海水应力腐蚀及抗热盐应力腐蚀能力；但组织不够稳定,熔点为1538～1649℃。热处理制度为700～800℃，1～3h，空冷。
拉伸试验温度分别为750℃、600℃、550℃、500℃、450℃、400℃、350℃，试样件2拉伸尺寸为5mm。试样件在热模拟试验机中采用感应线圈加热，以10℃/s的升温速度升温至试验温度，到达所需温度后保温30s后，开始施加载荷进行拉伸实验。
应力应变曲线及力学性能
根据实验数据的到该材料在实验温度下的力学性能，结果如图19所示，在应力、应变下拉伸曲线示如图20至27所示。
在实验过程中拉伸曲线均完整无拉伸终止或断裂等情况，表面拉伸夹具对热模拟实验机拉伸实验结果无任何不良影响，除500℃和750℃(因实验操作故障未能保存750℃下的拉伸过程曲线)其余温度下的应力—应变曲线均表现出锯齿状，即屈服流变现象。
棒状拉伸试样件材料为45号钢,其化学成分和常温力学性能如图28至29所示，该材料的熔点在1500℃左右，热处理工艺为850℃正火，840℃淬火，600℃回火。
拉伸试验温度分别为1000℃、800℃，试样件2拉伸直径为8mm，试样件2在热模拟试验机中采用感应线圈加热，以10℃/s的速度升温至试验温度，到达所需温度后保温30s后，开始施加载荷进行拉伸实验。
通过对设计的板材状拉伸试样件热模拟高温拉伸夹具1与圆棒状热模拟高温拉伸具所得上述拉伸试验结果显示：所测试出的试验数据均在已有的标准范围内，说明由夹具1带来的误差在可接受范围内，另外，从夹具1的结构观察，即使在高温下受热传导的影响，强度和刚度也能满足要求，断裂部位均在标准规定的标距范围内，表明拉伸夹具与试样件2结合的方式较为合理,棒状夹具也使棒状试样件做到了缩小体积和尺寸大小的要求：同时经多个板状试样件在不同的温度下的测试结果显示，数据呈现一定的升降趋势在标准内，可认为夹具1本身对测量基本无影响。
所以设计的板材热模拟拉伸试样件夹具可很好的应用于热模拟试验机拉伸实验中，能够准确、可靠、稳定的测量板材状金属材料的拉伸强度极限、断后伸长率等，打破热模拟试验机无法对板材状金属材料拉伸局限性，是一套符合力学性能要求的拉伸夹具1，可运用于多种板材状金属材料在热模拟试验机中进行高温拉伸测试，具有一定实际的应用价值。
根据热模拟试验机拉伸实验中存在试样件2制备成本较高和无法对板材状金属材料直接拉伸的问题进行研究，从而针对此问题进行小尺寸及板材夹具的设计，设计的主要内容如下：
(1)热模拟试样件机(棒状、板状)拉伸试样件夹具的尺寸结构以及不同形状试样件2与夹具1连接的设计：尺寸结构包括夹具1与试样件2的尺寸公差，孔和轴的极限配合，几何偏差、内外螺纹的螺距，螺纹的公差等级公差代号，中径小(大)径的偏差，螺纹收尾、肩距、倒角等。还包括夹具1与试样件2的连接方式，棒状试样件与夹具1螺纹连接、垫块夹持连接，板状试样件与夹具1使用螺丝螺母固定连接。：根据设计中的尺寸结构对热模拟试验机高温实验过程的力学性能及传热的数值模拟计算，计算出夹具1在实验过程中可能因热传导而达到受热温度，受拉伸载荷而承受的应力情况。
(2)夹具1的选材加工与热处理：根据设计方案中的结构尺寸及模拟计算高温下夹具的应用温度及受力情况下结合夹具1的各方面性能要求挑选综合力学性能良好、耐热且经济性较高的两种材料：高速钢W18Cr4V，马氏体型耐热钢42Cr9Si2。并设计出合理的加工工序及热处理工艺，在热处理前完成夹具1的粗加工，留有相应的磨削余量，避免因热处理过程而引起零件毛坯的外径扭曲量。
(3)通过实验验证设计不同形状试样件夹具的结构，实验结果表明拉伸夹具与试样件结合的方式较为合理，棒状试样件也做到了缩小体积和尺寸大小的要求，所设计的板材热模拟拉伸试样件夹具可很好的应用于热模拟试验机拉伸实验中，能够准确、可靠、稳定的测量板材状金属材料的拉伸强度极限、断后伸长率等，打破热模拟试验机无法对板材状金属材料拉伸局限性，是一套符合力学性能要求的拉伸夹具。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种热模拟试验机拉伸试样的传热计算方法，其特征在于；包括以下步骤：
S1、计算热模拟试验机拉伸夹具(1)的抗拉强度
Rm0＝F0÷S0 (一)
F0＝Rm1×S1 (二)
在公式(一)和(二)中，Rm0为夹具(1)的抗拉强度极限，单位为MPa；Rm1为试样件(2)的抗拉强度极限，单位为MPa；S0为夹具(1)最小截面积，单位为mm2；S1为试样件(2)最小截面积，单位为mm2；F0为拉伸试样件(2)所受拉应力极限，单位为N；
S2、计算热模拟试验机拉伸夹具(1)的传热
夹具(1)导热微分方程和相应边界条件如下：
d2t/dx2＝0 (三)
对公式(三)积分两次，得到夹具(1)平壁的温度分布通解t＝c1x+c2；由第一类边界条件公式(四)和(五)得出两个积分常数，则夹具(1)平壁中温度分布的最终解为，如下：
将温度t(x)代入傅里叶定律，即得到通过单层平壁的热流密度q，如下：
通过公式(七)对移项得到，如下：
在公式(八)中，q为热流密度：单位时间内通过单位面积的热流量，单位为W/m2；λ为导热系数：反映材料导热能力大小的物理量，单位为W/(m·k)；δ为壁厚：两点之间热传导的距离，单位为m；
为热源温度，单位为℃；/>
为所求距离点的温度，单位为℃；
S3、计算热模拟试验机高温拉伸夹具(1)的热密度q
Cρ＝Q/m(t-t0) (九)
m＝ρ·V (十)
在公式(九)和(十)中，Cρ为比热容，单位为J/(kg/K)；Q为热量，单位为J；m为质量，单位为Kg；t为最终温度，单位为℃；t0为初始温度，单位为℃；ρ为密度，单位为kg/m3；V为体积,单位为m3；
通过公式(九)和(十)得到热量Q，如下：
Q＝Cρ·ρV(t-t0) (十一)
再通过热量密度的单位W/m2推导出热流密度的计算公式，如下：
q＝Q/t·S (十二)
在公式(十二)中，S为面积，单位为m2。
2.如权利要求1所述的一种热模拟试验机拉伸试样的传热计算方法，其特征在于：所述试样件(2)为棒状或者板状。
3.如权利要求1所述的一种热模拟试验机拉伸试样的传热计算方法，其特征在于：所述热模拟试验在真空下进行，所述试样件(2)通过线圈加热，所述加热温度为500～1600℃。
4.如权利要求1所述的一种热模拟试验机拉伸试样的传热计算方法，其特征在于：所述试样件(2)的材为钛合金。
5.如权利要求1所述的一种热模拟试验机拉伸试样的传热计算方法，其特征在于：所述夹具(1)的材质为高速钢W18Cr4V和耐热钢42Cr9Si2，所述夹具(1)经过锻造、切削加工和热处理工艺。
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| CN202310495404.1A CN116296876A (zh) | 2023-05-05 | 2023-05-05 | 一种热模拟试验机拉伸试样的传热计算方法 |
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| CN202310495404.1A CN116296876A (zh) | 2023-05-05 | 2023-05-05 | 一种热模拟试验机拉伸试样的传热计算方法 |
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2023
- 2023-05-05 CN CN202310495404.1A patent/CN116296876A/zh active Pending
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