专利名称：一种主动施加载荷条件下铝合金热裂测试实验装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种主动施加载荷条件下铝合金热裂测试实验装置及方法，该装置能够测定铝合金热裂时的临界载荷、温度等参数，属于金属材料实验研究和铸造领域。
背景技术：
在铸造生产中，热裂是铸件尤其是大型铸件中普遍存在的铸造缺陷，给工业生产带来了巨大损失，这种铸造缺陷的产生主要与液态合金在凝固后期的固态收缩所引起的应力的产生和发展有关。铸件的热裂是铸件在高温下形成的裂纹，常常出现在液态合金凝固末期即合金固相线以上凝固区间。铸件热裂纹的产生，主要是由于铸件收缩应力超过了金属晶粒间的结合力，大多沿晶界产生从裂纹断口观察可见裂纹处金属往往被氧化，失去金属光泽。裂纹沿晶界延伸，形状呈锯齿形，表面较宽，内部较窄，有的则穿透整个铸件的端面。 大量的研究表明，热裂的形成是一个复杂的物理化学过程，它包括热传导、流体以及引起裂纹产生的其他因素，这些因素包括合金成分、合金的凝固和热力学特性、铸件和铸型的工艺参数、铸型的材料以及一些过程控制的参数等等。20世纪初，铸造工作者就开始研究热裂纹的形成机理，提出了强度理论、液膜理论、综合理论、晶间搭桥理论等几种不同的理论来阐述热裂纹的形成；随着计算机技术在铸造领域的不断发展，铸造过程温度场、流场的数值模拟等技术得到了充分发展，铸造过程应力场的数值模拟研究也随之发展，这也间接推动了铸造过程中热裂纹的数值模拟工作并取得了一定的研究成果，提出了热裂纹预测的一些理论模型和判据(如Rappaz的RDG判据),但仍然没有形成一种通用的理论模型或判据能够较为准确的预测热裂纹。因此，构建适合实际条件下的热裂预测模型也是目前的研究重点。近年来，随着对热裂研究的不断深入，科技工作者设计开发了一些定性或定量表征热裂的测试设备，国内比较有代表性的是大连理工大学设计开发的用于砂型的双试棒合金热裂-线收缩仪、哈尔滨理工大学开发的铸造合金线收缩-应力-热裂特性多功能测定仪和沈阳工业大学研究开发的金属型的ZSR合金热裂倾向性测定仪；国外代表性的是加拿大N-Tec Ltd.的N-Tec热裂测试模具和美国沃斯特理工学院用于铝合金热裂测试的Instrumented Constrained Rod Mold。这些设备的基本原理是将试棒或试样的两端受限固定，在液态合金凝固过程中试棒或试样会发生凝固收缩，尤其是在试棒粗细交接处由于凝固速度的不同而产生了热应力，当热应力超过合计的强度极限时便会有裂纹的产生。利用这些设备可以获得液态合金热裂纹形成过程中的一些信息和数据，但是现阶段实验过程中使用的热裂测试设备基本上是利用液态合金自身的凝固收缩原理来设计的，这些设备有助于易裂合金的热裂研究，但是要研究热裂倾向小的合金的热裂现象，这些设备就不能满足要求
发明内容
针对现有技术和实验装置所存在的不足，本发明摈弃利用液态合金自由收缩的思路，从主动对试样进行载荷施加的思路出发，设计了ー种在主动施加载荷条件下进行铝合金相关热裂测试实验装置，该实验装置结构简单、设计合理、操作简便。本发明通过以下技术方案实现
—种主动施加载荷条件下铝合金热裂测试实验装置，主要包括依次连接的试样模具单元、连接螺杆、数据测试单元、框型连接机构、载荷施加单元；所述试样模具单元、连接螺杆、数据测试単元、框型连接机构、载荷施加単元位于设备基座上部；所述数据采集单元还与数据测试单元连接。所述试样模具单元包括金属模具；所述金属模具包括两个金属半模；所述金属模具内部设置有型腔；所述金属模具上部设置有温度测ロ。所述型腔内安装有保温材料；所述保温材料为冒ロ保温材料制品或石墨材料。所述数据测试单元包括载荷测试机构和温度测试机构；所述载荷测试机构为“S”型传感器，“ S”型传感器通过连接螺杆与试样模具単元相连；所述温度测试机构为“K”型镍铬-镍硅热电偶，“K”型镍铬-镍硅热电偶直接插入金属模具上部的温度测ロ。所述数据采集单元采用无纸记录仪；所述无纸记录仪数据采样周期是O. 1S。所述载荷施加単元包括依次连接的梯形丝杠、轴承座、联轴器和调速电机；所述梯形丝杠通过框型连接机构与“ S”型传感器相连。所述连接螺杆端部安装有全丝螺杆；所述连接螺杆与试样模具单元连接处设置有石墨堵头。所述调速电机的输出轴、框型连接机构、“S”型传感器、连接螺杆、金属模具的中心线均位于同一水平线,装配时的同轴度< O. 15mm。一种主动施加载荷条件下铝合金热裂测试实验装置测试铝合金热裂的方法，包括以下步骤(I)实验前检查无纸记录仪、调速电机、“S”型传感器、“K”型镍铬-镍硅热电偶及联轴器是否正常工作；(2)预热金属模具，使金属模具的温度保持在20(T25(TC ；(3)将连接螺杆调整到初始位置，并将连接螺杆端部的全丝螺杆拧紧；(4)安装好；保温材料、石墨堵头和无纸记录仪的信号输入数据线，然后准备进行合金烧注；(5)合金浇注完成后，根据合金种类、合金热裂倾向性大小，选择适当的合金凝固时间和电机速度，进行载荷加载，直至试样完全拉裂或者试样完全凝固后停止调速电机和无纸记录仪的工作，无纸记录仪记录后的数据转入PC机进行处理，最后开启金属模具取出试样。所述石墨堵头的作用是一是封堵熔融的液态金属，ニ是减小螺杆和模具之间的摩擦力。所述的连接螺杆端部安装有全丝螺杆，可以使金属模具和连接螺杆紧密结合，避免产生滑动，影响载荷的測量。所述保温材料可以选用不同的能够对合金凝固起到保温作用的材料，其主要作用是构建液态合金不同的冷却速度，合金因凝固速度的不同达到不同的枝晶生长方向。所述载荷加载，通常在合金的液固共存区时开始施加载荷。
所述无纸记录仪采集的数据可以通过U盘等存储设备转存到PC机上进行相应的数据处理；无纸记录仪数据采样周期是O. 1S，当温度值下降至300°C时停止数据采集。本发明的技术方案突出特点如下I.采用调速电机进行主动施加载荷的方式，载荷施加的强度和速度通过调整电机的转速来实现。2.采用保温材料控制试样的凝固速度，通过选用不同尺寸大小和不同种类的保温材料来实现试样不同的凝固速度或冷却速度，进而达到控制液态合金不同枝晶生长方向的目的。3.所述的连接螺杆上装有全丝螺杆，实验完成后可以方便的将螺杆从连接螺杆上取下，方便拆卸。
4.数据的采集采用无纸记录仪进行采集，方便后续数据的处理。本发明的有益效果是从主动对试样进行施加载荷的思路出发，设计了一种用于铝合金热裂测试的整套实验装置，可以获得试样被拉裂时的临界载荷大小、温度变化等信息，为构建铝合金固相率和施加载荷之间的关系提供数据信息；还可通过选用不同的保温材料构建铝合金不同的冷却速度进而获得不同枝晶生长方向的试样，以此来探求枝晶生长方向和热裂之间的关系。该实验装置结构简单、设计合理、操作简便，既适用于易裂合金，也适用于不易发生热裂的合金，进一步丰富热裂研究过程中所使用的测试设备种类，推动热裂的研究发展。


图I是本发明的结构示意图；图2是本发明的俯视图；图3和图4是本发明在不同条件下测试A356合金所得的温度、施加载荷与时间的关系图。图中1_保温材料；2_金属模具；3_全丝螺杆；4_石墨堵头；5_连接螺杆；6-传感器；7_框型连接机构；8_梯形丝杠；9_联轴器；10_调速电动机；11_设备基座；12_轴承座；13-温度测口。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。如图I、图2所示，一种主动施加载荷条件下铝合金热裂测试实验装置，主要包括依次连接的试样模具单元、连接螺杆5、数据测试单元、框型连接机构7、载荷施加单元；试样模具单元、连接螺杆5、数据测试单元、框型连接机构7、载荷施加单元位于设备基座11上部数据采集单元还与数据测试单元连接。试样模具单元包括金属模具2 ;所述金属模具包括两个金属半模；金属模具2内部设置有型腔；金属模具2上部设置有温度测口 13 ;保温材料I安装于金属模具的型腔内，保温材料I为冒口保温材料制品或石墨材料。数据测试单元包括载荷测试机构和温度测试机构；载荷测试机构为“S，，型传感器6，“S”型传感器6通过连接螺杆5与试样模具单元相连；温度测试机构为“K”型镍铬-镍硅热电偶，“K”型镍铬-镍硅热电偶直接插入金属模具2上部的温度测ロ 13。数据采集单元采用无纸记录仪；无纸记录仪数据采样周期是O. 1S，当温度值下降至300°C时停止数据采集。载荷施加単元包括依次连接的梯形丝杠8、轴承座12、联轴器9和调速电机10 ;梯形丝杠8通过框型连接机构7与“S”型传感器6相连。连接螺杆5端部安装有全丝螺杆3 ;连接螺杆5与试样模具单元连接处设置有石星堵头4。实施例I(I)实验所用的材料A356合金(合金成分如表I所不)，石墨保温材料，Al_10%Sr变质剂，Al-5%Ti-l%B细化剂，DSG铝合金除渣除气剂，涂料。表1A356合金的化学组成成分(wt% )
合金元素
含金种类-
,SiMsFeTiCuAl
A3 567.190.330,160.0690,022余量(2)实验所用的仪器设备中频炉，12KW电阻炉，主动施加载荷热裂测试装置，TP1000无纸记录仪，”K”型镍铬-镍硅热电偶。(3)实验前的准备工作①实验前检查无纸记录仪、调速电机、拉压传感器、“K”型镍铬-镍硅热电偶及其他元件是否正常工作。②将连接螺杆调整到初始位置，并将连接螺杆端部的全丝螺杆拧紧。③混制好实验所用的涂料，该涂料成份为氧化锌、水玻璃与水。④将“K”型镍铬-镍硅热电偶和“S”型传感器的信号输出端与无纸记录仪的信号输入端连接好。(4)实验操作步骤第一歩将金属模具粉刷涂料，并在金属模具上安装好所需要的石墨保温材料和石墨堵头，然后将金属模具进行预热，预热温度在230°C左右。第二步熔炼。具体过程为①将称量好的A356合金放入坩埚，并将坩埚放在中频炉中进行熔化；②将熔化后的A356合金(铝液)转移至电阻炉中进行保温，电阻炉的保温温度设定为 730 0C ；③铝液温度为700°C 720°C时，将A356合金总重O. 5%的DSG铝合金除渣除气剂均匀撒在铝液表面，用压勺背反复压入铝液中3 5次，静置10分钟，舀出少量铝液放到耐火砖上观察除气效果；④加入A356合金总重O. 5%的Al_5%Ti_l%B细化剂，搅拌3分钟左右，静置10分钟；⑤加入A356合金总重O. 2%的Al_10%Sr变质剂，搅拌3分钟，静置10分钟。
第三步在730°C下进行浇注。第四步合金浇注完成后，无纸记录仪开始采集温度数据，当温度降至610°C时，开启调速电机的电源，调速电机的转速调整为20r/min (在该转速下，水平的加载速度为O. 7mm/s)，直至试样完全拉裂或者试样完全凝固后停止电机工作，当温度降至300°C时停止温度的采集，最后开启金属模具取出试样。该实验中，棒状试样出现了拉断现象，通过在扫描电镜下观察断口的表面形貌，可以证明该断口是热裂纹。第五步数据处理。在实验过程中，所测得的温度和施加载荷的曲线如图3所示。由图3所给出的曲线图可知，实验测得的合金的初晶相温度为609. 8°C，共晶温度为564. 8°C，稍低于理论的共晶温度，这主要是因为本实验采用的是金属模具进行浇注，铸件整体的冷却速度较快，实验测得的该合金的共晶温度低于理论共晶温度是正常现象，该现象在其他文献中有所验证。通过载荷的曲线可以得到比较突出的3个特征点，即 试样施加载荷的阶段(如图3中B点)、试样出现裂纹阶段(如图3中C点)和试样最终断裂阶段(如图3中E点)。图中区域A所示的是熔融的液态金属对拉压传感器的压力，区域D所示的是由于试样的裂纹之间晶间搭桥的存在而出现的一个强度值的下降，区域F所示的是断裂后的试样与金属模具之间的摩擦力。实施例2具体的实验步骤详见实施例1，不同之处所用的金属模具型腔内部的保温材料由石墨保温材料改为冒口保温材料；为了降低金属模具整体的冷却速度，在预热好的金属模具周围用保温砖进行保温；水平的加载速度控制在O. 15mm/s。所测得的温度和施加载荷的曲线如图4所示。在本实施例中，由于降低了金属模具整体的冷却速度，使得实验测得的初晶相温度(615. 5°C)和共晶温度(576°C)更接近该合金的理论温度。由施加载荷的曲线可知，与实例I相似也同样有3个特征点和3个特征区域。两个实施例在高温下拉裂试样的临界载荷数值不同，这主要是在实例2中降低了金属模具整体的冷却速度，在进行主动施加载荷的过程中，试样未完全凝固即枝晶间的强度未完全建立便被拉裂，也就是说试样是在固相率小于O. 9以下被拉裂的。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式
进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所述领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种主动施加载荷条件下铝合金热裂测试实验装置，其特征是，主要包括依次连接的试样模具单元、连接螺杆、数据测试单元、框型连接机构、载荷施加单元；所述试样模具单元、连接螺杆、数据测试单元、框型连接机构、载荷施加单元位于设备基座上部；所述数据采集单元还与数据测试单元连接。
2.根据权利要求I所述的一种主动施加载荷条件下铝合金热裂测试实验装置，其特征是，所述试样模具单元包括金属模具；所述金属模具包括两个金属半模；所述金属模具内部设置有型腔；所述金属模具上部设置有温度测口。
3.根据权利要求2所述的一种主动施加载荷条件下铝合金热裂测试实验装置，其特征是，所述型腔内安装有保温材料；所述保温材料为冒口保温材料制品或石墨材料。
4.根据权利要求3所述的一种主动施加载荷条件下铝合金热裂测试实验装置，其特征是，所述数据测试单元包括载荷测试机构和温度测试机构；所述载荷测试机构为“S”型传感器，“S，，型传感器通过连接螺杆与试样模具单元相连；所述温度测试机构为“K”型镍铬-镍硅热电偶，“K”型镍铬-镍硅热电偶直接插入金属模具上部的温度测口。
5.根据权利要求4所述的一种主动施加载荷条件下铝合金热裂测试实验装置，其特征是，所述数据采集单元采用无纸记录仪；所述无纸记录仪数据采样周期是0. 1S。
6.根据权利要求5所述的一种主动施加载荷条件下铝合金热裂测试实验装置，其特征是，所述载荷施加单元包括依次连接的梯形丝杠、轴承座、联轴器和调速电机；所述梯形丝杠通过框型连接机构与“S，，型传感器相连。
7.根据权利要求6所述的一种主动施加载荷条件下铝合金热裂测试实验装置，其特征是，所述连接螺杆端部安装有全丝螺杆；所述连接螺杆与试样模具单元连接处设置有石墨堵头。
8.如权利要求7所述的一种主动施加载荷条件下铝合金热裂测试实验装置，其特征是，调速电机的输出轴、框型连接机构、“S”型传感器、连接螺杆、金属模具的中心线均位于同一水平线，装配时的同轴度彡0. 15mm。
9.如权利要求8所述的一种主动施加载荷条件下铝合金热裂测试实验装置测试铝合金热裂的方法，其特征是，包括以下步骤 (1)实验前检查无纸记录仪、调速电机、“S”型传感器、“K”型镍铬-镍硅热电偶及联轴器是否正常工作； (2)预热金属模具，使金属模具的温度保持在20(T25(TC； (3)将连接螺杆调整到初始位置，并将连接螺杆端部的全丝螺杆拧紧； (4)安装好；保温材料、石墨堵头和无纸记录仪的信号输入数据线，然后准备进行合金浇注； (5)合金浇注完成后，根据合金种类、合金热裂倾向性大小，选择适当的合金凝固时间和电机速度，进行载荷加载，直至试样完全拉裂或者试样完全凝固后停止调速电机和无纸记录仪的工作，无纸记录仪记录后的数据转入PC机进行处理，最后开启金属模具取出试样。
全文摘要
本发明涉及一种主动施加载荷条件下铝合金热裂测试实验装置，主要包括依次连接的位于设备基座上部的试样模具单元、连接螺杆、数据测试单元、框型连接机构、载荷施加单元；所述数据采集单元还与数据测试单元连接。本发明设计了一种用于铝合金热裂测试实验装置，可获得试样被拉裂时的临界载荷、温度变化等信息，为构建铝合金固相率和施加载荷之间的关系提供数据信息；还可通过选用不同的保温材料构建铝合金不同的冷却速度进而获得不同枝晶生长方向的试样，探求枝晶生长方向和热裂之间的关系。该实验装置结构简单、设计合理、操作简便，适用于易裂合金和不易裂合金，进一步丰富热裂研究过程中所使用的测试设备种类，推动热裂的研究发展。
文档编号G01N3/18GK102680326SQ20121014116
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月9日 优先权日2012年5月9日
发明者孙玉成, 张勇, 田学雷, 许荣福, 郑洪亮, 郭风祥 申请人:山东大学