專(zhuān)利名稱(chēng)：一種主動(dòng)施加載荷條件下鋁合金熱裂測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種主動(dòng)施加載荷條件下鋁合金熱裂測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置及方法，該裝置能夠測(cè)定鋁合金熱裂時(shí)的臨界載荷、溫度等參數(shù)，屬于金屬材料實(shí)驗(yàn)研究和鑄造領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在鑄造生產(chǎn)中，熱裂是鑄件尤其是大型鑄件中普遍存在的鑄造缺陷，給工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)了巨大損失，這種鑄造缺陷的產(chǎn)生主要與液態(tài)合 金在凝固后期的固態(tài)收縮所引起的應(yīng)力的產(chǎn)生和發(fā)展有關(guān)。鑄件的熱裂是鑄件在高溫下形成的裂紋，常常出現(xiàn)在液態(tài)合金凝固末期即合金固相線以上凝固區(qū)間。鑄件熱裂紋的產(chǎn)生，主要是由于鑄件收縮應(yīng)力超過(guò)了金屬晶粒間的結(jié)合力，大多沿晶界產(chǎn)生從裂紋斷口觀察可見(jiàn)裂紋處金屬往往被氧化，失去金屬光澤。裂紋沿晶界延伸，形狀呈鋸齒形，表面較寬，內(nèi)部較窄，有的則穿透整個(gè)鑄件的端面。大量的研究表明，熱裂的形成是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，它包括熱傳導(dǎo)、流體以及引起裂紋產(chǎn)生的其他因素，這些因素包括合金成分、合金的凝固和熱力學(xué)特性、鑄件和鑄型的工藝參數(shù)、鑄型的材料以及一些過(guò)程控制的參數(shù)等等。20世紀(jì)初，鑄造工作者就開(kāi)始研究熱裂紋的形成機(jī)理，提出了強(qiáng)度理論、液膜理論、綜合理論、晶間搭橋理論等幾種不同的理論來(lái)闡述熱裂紋的形成；隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在鑄造領(lǐng)域的不斷發(fā)展，鑄造過(guò)程溫度場(chǎng)、流場(chǎng)的數(shù)值模擬等技術(shù)得到了充分發(fā)展，鑄造過(guò)程應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬研究也隨之發(fā)展，這也間接推動(dòng)了鑄造過(guò)程中熱裂紋的數(shù)值模擬工作并取得了一定的研究成果，提出了熱裂紋預(yù)測(cè)的一些理論模型和判據(jù)(如Rappaz的RDG判據(jù)),但仍然沒(méi)有形成一種通用的理論模型或判據(jù)能夠較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)熱裂紋。因此，構(gòu)建適合實(shí)際條件下的熱裂預(yù)測(cè)模型也是目前的研究重點(diǎn)。近年來(lái)，隨著對(duì)熱裂研究的不斷深入，科技工作者設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一些定性或定量表征熱裂的測(cè)試設(shè)備，國(guó)內(nèi)比較有代表性的是大連理工大學(xué)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的用于砂型的雙試棒合金熱裂-線收縮儀、哈爾濱理工大學(xué)開(kāi)發(fā)的鑄造合金線收縮-應(yīng)力-熱裂特性多功能測(cè)定儀和沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)研究開(kāi)發(fā)的金屬型的ZSR合金熱裂傾向性測(cè)定儀；國(guó)外代表性的是加拿大N-Tec Ltd.的N-Tec熱裂測(cè)試模具和美國(guó)沃斯特理工學(xué)院用于鋁合金熱裂測(cè)試的Instrumented Constrained Rod Mold。這些設(shè)備的基本原理是將試棒或試樣的兩端受限固定，在液態(tài)合金凝固過(guò)程中試棒或試樣會(huì)發(fā)生凝固收縮，尤其是在試棒粗細(xì)交接處由于凝固速度的不同而產(chǎn)生了熱應(yīng)力，當(dāng)熱應(yīng)力超過(guò)合計(jì)的強(qiáng)度極限時(shí)便會(huì)有裂紋的產(chǎn)生。利用這些設(shè)備可以獲得液態(tài)合金熱裂紋形成過(guò)程中的一些信息和數(shù)據(jù)，但是現(xiàn)階段實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用的熱裂測(cè)試設(shè)備基本上是利用液態(tài)合金自身的凝固收縮原理來(lái)設(shè)計(jì)的，這些設(shè)備有助于易裂合金的熱裂研究，但是要研究熱裂傾向小的合金的熱裂現(xiàn)象，這些設(shè)備就不能滿(mǎn)足要求
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)和實(shí)驗(yàn)裝置所存在的不足，本實(shí)用新型擯棄利用液態(tài)合金自由收縮的思路，從主動(dòng)對(duì)試樣進(jìn)行載荷施加的思路出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種在主動(dòng)施加載荷條件下進(jìn)行鋁合金相關(guān)熱裂測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置，該實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)合理、操作簡(jiǎn)便。本實(shí)用新型通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)—種主動(dòng)施加載荷條件下鋁合金熱裂測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置，主要包括依次連接的試樣模具單元、連接螺桿、數(shù)據(jù)測(cè)試單元、框型連接機(jī)構(gòu)、載荷施加單元；所述試樣模具單元、連接螺桿、數(shù)據(jù)測(cè)試單元、框型連接機(jī)構(gòu)、載荷施加單元位于設(shè)備基座上部；所述數(shù)據(jù)采集單元還與數(shù)據(jù)測(cè)試單元連接。 所述試樣模具單元包括金屬模具；所述金屬模具包括兩個(gè)金屬半模；所述金屬模具內(nèi)部設(shè)置有型腔；所述金屬模具上部設(shè)置有溫度測(cè)口。所述型腔內(nèi)安裝有保溫材料；所述保溫材料為冒口保溫材料制品或石墨材料。所述數(shù)據(jù)測(cè)試單元包括載荷測(cè)試機(jī)構(gòu)和溫度測(cè)試機(jī)構(gòu)；所述載荷測(cè)試機(jī)構(gòu)為“S”型傳感器，“S”型傳感器通過(guò)連接螺桿與試樣模具單元相連；所述溫度測(cè)試機(jī)構(gòu)為“K”型鎳鉻-鎳硅熱電偶，“K”型鎳鉻-鎳硅熱電偶直接插入金屬模具上部的溫度測(cè)口。所述數(shù)據(jù)采集單元采用無(wú)紙記錄儀；所述無(wú)紙記錄儀數(shù)據(jù)采樣周期是O. 1S。所述載荷施加單元包括依次連接的梯形絲杠、軸承座、聯(lián)軸器和調(diào)速電機(jī)；所述梯形絲杠通過(guò)框型連接機(jī)構(gòu)與“S”型傳感器相連。所述連接螺桿端部安裝有全絲螺桿；所述連接螺桿與試樣模具單元連接處設(shè)置有石墨堵頭。所述調(diào)速電機(jī)的輸出軸、框型連接機(jī)構(gòu)、“S”型傳感器、連接螺桿、金屬模具的中心線均位于同一水平線,裝配時(shí)的同軸度< O. 15mm。一種主動(dòng)施加載荷條件下鋁合金熱裂測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)試鋁合金熱裂的方法，包括以下步驟(I)實(shí)驗(yàn)前檢查無(wú)紙記錄儀、調(diào)速電機(jī)、“S”型傳感器、“K”型鎳鉻-鎳硅熱電偶及聯(lián)軸器是否正常工作；(2)預(yù)熱金屬模具，使金屬模具的溫度保持在20(T25(TC ；(3)將連接螺桿調(diào)整到初始位置，并將連接螺桿端部的全絲螺桿擰緊；(4)安裝好；保溫材料、石墨堵頭和無(wú)紙記錄儀的信號(hào)輸入數(shù)據(jù)線，然后準(zhǔn)備進(jìn)行合金燒注；(5)合金澆注完成后，根據(jù)合金種類(lèi)、合金熱裂傾向性大小，選擇適當(dāng)?shù)暮辖鹉虝r(shí)間和電機(jī)速度，進(jìn)行載荷加載，直至試樣完全拉裂或者試樣完全凝固后停止調(diào)速電機(jī)和無(wú)紙記錄儀的工作，無(wú)紙記錄儀記錄后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入PC機(jī)進(jìn)行處理，最后開(kāi)啟金屬模具取出試樣。所述石墨堵頭的作用是一是封堵熔融的液態(tài)金屬，二是減小螺桿和模具之間的摩擦力。所述的連接螺桿端部安裝有全絲螺桿，可以使金屬模具和連接螺桿緊密結(jié)合，避免產(chǎn)生滑動(dòng)，影響載荷的測(cè)量。所述保溫材料可以選用不同的能夠?qū)辖鹉唐鸬奖刈饔玫牟牧?，其主要作用是?gòu)建液態(tài)合金不同的冷卻速度，合金因凝固速度的不同達(dá)到不同的枝晶生長(zhǎng)方向。所述載荷加載，通常在合金的液固共存區(qū)時(shí)開(kāi)始施加載荷。[0024]所述無(wú)紙記錄儀采集的數(shù)據(jù)可以通過(guò)U盤(pán)等存儲(chǔ)設(shè)備轉(zhuǎn)存到PC機(jī)上進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理；無(wú)紙記錄儀數(shù)據(jù)采樣周期是O. 1S，當(dāng)溫度值下降至300°C時(shí)停止數(shù)據(jù)采集。本實(shí)用新型的技術(shù)方案突出特點(diǎn)如下I.采用調(diào)速電機(jī)進(jìn)行主動(dòng)施加載荷的方式，載荷施加的強(qiáng)度和速度通過(guò)調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)。2.采用保溫材料控制試樣的凝固速度，通過(guò)選用不同尺寸大小和不同種類(lèi)的保溫材料來(lái)實(shí)現(xiàn)試樣不同的凝固速度或冷卻速度，進(jìn)而達(dá)到控制液態(tài)合金不同枝晶生長(zhǎng)方向的目的。3.所述的連接螺桿上裝有全絲螺桿，實(shí)驗(yàn)完成后可以方便的將螺桿從連接螺桿上取下，方便拆卸。4.數(shù)據(jù)的采集采用無(wú)紙記錄儀進(jìn)行采集，方便后續(xù)數(shù)據(jù)的處理。本實(shí)用新型的有益效果是從主動(dòng)對(duì)試樣進(jìn)行施加載荷的思路出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種用于鋁合金熱裂測(cè)試的整套實(shí)驗(yàn)裝置，可以獲得試樣被拉裂時(shí)的臨界載荷大小、溫度變化等信息，為構(gòu)建鋁合金固相率和施加載荷之間的關(guān)系提供數(shù)據(jù)信息；還可通過(guò)選用不同的保溫材料構(gòu)建鋁合金不同的冷卻速度進(jìn)而獲得不同枝晶生長(zhǎng)方向的試樣，以此來(lái)探求枝晶生長(zhǎng)方向和熱裂之間的關(guān)系。該實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)合理、操作簡(jiǎn)便，既適用于易裂合金，也適用于不易發(fā)生熱裂的合金，進(jìn)一步豐富熱裂研究過(guò)程中所使用的測(cè)試設(shè)備種類(lèi)，推動(dòng)熱裂的研究發(fā)展。

圖I是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型的俯視圖；圖中1_保溫材料；2_金屬模具；3_全絲螺桿；4_石墨堵頭；5_連接螺桿；6-傳感器；7_框型連接機(jī)構(gòu)；8_梯形絲杠；9_聯(lián)軸器；10_調(diào)速電動(dòng)機(jī)；11_設(shè)備基座；12_軸承座；13-溫度測(cè)口。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說(shuō)明。如圖I、圖2所示，一種主動(dòng)施加載荷條件下鋁合金熱裂測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置，主要包括依次連接的試樣模具單元、連接螺桿5、數(shù)據(jù)測(cè)試單元、框型連接機(jī)構(gòu)7、載荷施加單元；試樣模具單元、連接螺桿5、數(shù)據(jù)測(cè)試單元、框型連接機(jī)構(gòu)7、載荷施加單元位于設(shè)備基座11上部數(shù)據(jù)采集單元還與數(shù)據(jù)測(cè)試單元連接。試樣模具單元包括金屬模具2 ;所述金屬模具包括兩個(gè)金屬半模；金屬模具2內(nèi)部設(shè)置有型腔；金屬模具2上部設(shè)置有溫度測(cè)口 13 ;保溫材料I安裝于金屬模具的型腔內(nèi)，保溫材料I為冒口保溫材料制品或石墨材料。數(shù)據(jù)測(cè)試單元包括載荷測(cè)試機(jī)構(gòu)和溫度測(cè)試機(jī)構(gòu)；載荷測(cè)試機(jī)構(gòu)為“S，，型傳感器6，“S”型傳感器6通過(guò)連接螺桿5與試樣模具單元相連；溫度測(cè)試機(jī)構(gòu)為“K”型鎳鉻-鎳硅熱電偶，“K”型鎳鉻-鎳硅熱電偶直接插入金屬模具2上部的溫度測(cè)口 13。數(shù)據(jù)采集單元采用無(wú)紙記錄儀；無(wú)紙記錄儀數(shù)據(jù)采樣周期是O. 1S，當(dāng)溫度值下降至300°C時(shí)停止數(shù)據(jù)采集。載荷施加單元包括依次連接的梯形絲杠8、軸承座12、聯(lián)軸器9和調(diào)速電機(jī)10 ;梯形絲杠8通過(guò)框型連接機(jī)構(gòu)7與“S”型傳感器6相連。連接螺桿5端部安裝有全絲螺桿3 ;連接螺桿5與試樣模具單元連接處設(shè)置有石墨堵頭4。上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本實(shí)用新型保護(hù)范圍的限制，所述領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本實(shí)用新型的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或 變形仍在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種主動(dòng)施加載荷條件下鋁合金熱裂測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是，主要包括依次連接的試樣模具單元、連接螺桿、數(shù)據(jù)測(cè)試單元、框型連接機(jī)構(gòu)、載荷施加單元；所述試樣模具單元、連接螺桿、數(shù)據(jù)測(cè)試單元、框型連接機(jī)構(gòu)、載荷施加單元位于設(shè)備基座上部；所述數(shù)據(jù)采集單元還與數(shù)據(jù)測(cè)試單元連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種主動(dòng)施加載荷條件下鋁合金熱裂測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是，所述試樣模具單元包括金屬模具；所述金屬模具包括兩個(gè)金屬半模；所述金屬模具內(nèi)部設(shè)置有型腔；所述金屬模具上部設(shè)置有溫度測(cè)口。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種主動(dòng)施加載荷條件下鋁合金熱裂測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是，所述型腔內(nèi)安裝有保溫材料；所述保溫材料為冒口保溫材料制品或石墨材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種主動(dòng)施加載荷條件下鋁合金熱裂測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是，所述數(shù)據(jù)測(cè)試單元包括載荷測(cè)試機(jī)構(gòu)和溫度測(cè)試機(jī)構(gòu)；所述載荷測(cè)試機(jī)構(gòu)為“S”型 傳感器，“S，，型傳感器通過(guò)連接螺桿與試樣模具單元相連；所述溫度測(cè)試機(jī)構(gòu)為“K”型鎳鉻-鎳硅熱電偶，“K”型鎳鉻-鎳硅熱電偶直接插入金屬模具上部的溫度測(cè)口。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種主動(dòng)施加載荷條件下鋁合金熱裂測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是，所述數(shù)據(jù)采集單元采用無(wú)紙記錄儀；所述無(wú)紙記錄儀數(shù)據(jù)采樣周期是0. 1S。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種主動(dòng)施加載荷條件下鋁合金熱裂測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是，所述載荷施加單元包括依次連接的梯形絲杠、軸承座、聯(lián)軸器和調(diào)速電機(jī)；所述梯形絲杠通過(guò)框型連接機(jī)構(gòu)與“S，，型傳感器相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種主動(dòng)施加載荷條件下鋁合金熱裂測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是，所述連接螺桿端部安裝有全絲螺桿；所述連接螺桿與試樣模具單元連接處設(shè)置有石墨堵頭。
8.如權(quán)利要求7所述的一種主動(dòng)施加載荷條件下鋁合金熱裂測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置，其特征 是，調(diào)速電機(jī)的輸出軸、框型連接機(jī)構(gòu)、“S”型傳感器、連接螺桿、金屬模具的中心線均位于同一水平線，裝配時(shí)的同軸度彡0. 15mm。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及一種主動(dòng)施加載荷條件下鋁合金熱裂測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置，主要包括依次連接的位于設(shè)備基座上部的試樣模具單元、連接螺桿、數(shù)據(jù)測(cè)試單元、框型連接機(jī)構(gòu)、載荷施加單元；所述數(shù)據(jù)采集單元還與數(shù)據(jù)測(cè)試單元連接。本實(shí)用新型設(shè)計(jì)了一種用于鋁合金熱裂測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置，可獲得試樣被拉裂時(shí)的臨界載荷、溫度變化等信息，為構(gòu)建鋁合金固相率和施加載荷之間的關(guān)系提供數(shù)據(jù)信息；還可通過(guò)選用不同的保溫材料構(gòu)建鋁合金不同的冷卻速度進(jìn)而獲得不同枝晶生長(zhǎng)方向的試樣，探求枝晶生長(zhǎng)方向和熱裂之間的關(guān)系。該實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)合理、操作簡(jiǎn)便，適用于易裂合金和不易裂合金，進(jìn)一步豐富熱裂研究過(guò)程中所使用的測(cè)試設(shè)備種類(lèi)，推動(dòng)熱裂的研究發(fā)展。
文檔編號(hào)G01N3/18GK202583014SQ201220205408
公開(kāi)日2012年12月5日 申請(qǐng)日期2012年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月9日
發(fā)明者田學(xué)雷, 許榮福, 鄭洪亮, 張勇, 郭風(fēng)祥, 孫玉成 申請(qǐng)人:山東大學(xué)