1、金屬塑性變形的有關實驗測試方法第1頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四電橋分類：按橋壓分： 直流電橋；交流電橋按輸出方式分： 功率電橋（按低阻抗負載） 電壓電橋（按高阻抗負載） 電阻應變片的信號調理電路: 由于將應變等機械量轉換為電阻的變化，此變化的數量是很微弱的，因此須采用高精度的測量電路電橋測量電路。 二.測量電橋測量電橋的任務：把電阻的變化量轉化成電壓或電流的的變化量，以便于后續儀表的計量與測量。第2頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四1、直流電橋的基本關系常用的幾個術語:全橋：半橋：相對橋臂相鄰橋臂鄰臂對臂全橋半橋第3頁，共112頁，20

2、22年，5月20日，13點20分，星期四直流電橋平衡條件：即：相對橋臂電阻之積相等。當平衡電橋橋臂電阻發生變化時，其輸出電壓為：（1）電橋的電壓輸出：第4頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四（2）電橋輸出公式的使用前提條件：1）先決條件是：電橋起始是平衡的；2）無論各電阻如何變化，一定要在平衡點附近；3） 僅發生微小變化.a)等臂全橋 （3）兩種特殊電橋的輸出：第5頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四b)等臂半橋 對稱半橋：R3、R4為固定電阻 非對稱半橋： R1、R4為固定電阻 非對稱半橋的輸出還與橋臂阻值比有關。第6頁，共112頁，2022年

3、，5月20日，13點20分，星期四（4）總結與討論： （1）電橋平衡條件 （2）電橋的輸出電壓與相對計算電阻增量 成正比 其中R為一個橋臂的阻值。 （3）因 與應變成正比，因此電橋的輸出電壓與應變成正比。 （4）對于等臂全橋，由于 ，電橋輸出公式又可寫成:上式為電橋加減特性表達式。電橋輸出的八字原則： 相鄰橋臂相減，相對橋臂相加。第7頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四2. 交流電橋的基本關系：電阻平衡、存在不平衡電容或相對橋臂阻抗之積相等第8頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四交、直流電橋的異同點相同點：輸出電壓的幅值都與被測的應變成正比；不同

4、點：直 流 電 橋交 流 電 橋輸出的是正或負的直流電壓，與應變同頻率變化。輸出的是正弦調幅波；從輸出電壓的正或負，可以判斷是拉應變還是壓應變。可通過輸出與參考橋壓的相位相同或是相反來判斷拉、壓應變的關系；只要電阻調平衡。既有電阻調平衡，又有電容調平衡。第9頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四3. 電橋的讀數方法：（1）直接讀數法：將電橋的輸出直接或經放大器放大后，用電表讀出或用示被器記錄。電表的讀數或示被器的記錄曲線正比于被測量的量值或變化過程一般動態測試儀器即動態應變都是采用這種讀數方法。1）機械標定法：在等強度梁上貼好與測點相同規格的應變片，測量系統的狀態維持測試

5、時的狀態不變，給梁加載，使它產生一個標準應變，此時應變儀上輸出一個大小一定的電信號與該標準應變相對應，以此電信號為基準，來度量對應于被測動應變的電信號所代表的應變值。缺點：現場使用不方便。優點：不需要修正。注意：必須進行標定。第10頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四3. 電橋的讀數方法：1）機械標定法：2）電標定法：在動態應變儀上專設標定電路，由標定電路給出代表一定應變的電信號，與對應于被測應變的電信號進行比較。優點：方便可靠。橋臂并聯標定電阻標定和測試的示波圖標定應變：第11頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四 標定電橋法： 電壓標定法：標定

6、精度較高。第12頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四（2）零讀數法：利用一些調節元件(可調電阻)使電橋恢復平衡，然后記下調節元件的調節量，從而計算被測量的大小。這時，指示電表只起平衡指示作用。一般靜態測試儀器如靜態應變儀常采用這種讀數方法。 將測量電橋和讀數電橋反向串聯起來，調整讀數橋的橋臂電阻值，使兩橋串聯后的輸出電壓等于零。第13頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四 應變片的靈敏系數 應變儀的靈敏系數 讀數應變雙電橋零讀數法的原理圖第14頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四(三）靜態電阻應變儀 靜態電阻應變儀由電橋、振

7、蕩器、交流放大器、相敏檢波器、指示電表等組成第15頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四（四）動態電阻應變儀 多采用交流供橋、載波放大的形式。 由電橋、標定電路、振蕩器、放大器、相敏檢波器、濾波器等組成。第16頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四被測應變信號調幅后輸出電壓一般檢波器檢波相敏檢波器檢波第17頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四（五）應變儀的使用：(1)應變儀的選用原則 應變儀的工作頻率應大于被測量的最高次諧波分量的頻率，以保證不產生幅頻失真和相頻失真。應變儀的最大量程應大于被測應變的最大值，并應使其輸出不超過最

8、大線性輸出量，以保證不產生非線性失真。應變儀的輸出形式應與記錄儀相適應，并注意它們之間的阻抗匹配。對于靜態測量，應根據測試精度要求和測試量來選擇儀器的分辨率（最小應變讀數）和測量點數（配預調平衡箱）。第18頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四應變儀的使用：（2）應變儀的操作要點：按實測需要確定接橋形式，測點與儀器間的連線應采用金屬屏蔽線，導線要固定，接地點要正確。根據被測信號的大小，正確選擇衰減器的檔位，使其輸出既有一定的幅度，又不產生非線性失真。連接記錄器，并注意其阻抗匹配。對于電標定，其標定應變應根據被測信號的最大值來選用，一般標定應變2/3被測最大值儀器的預調平衡

9、應在“預調平衡”的檔位上進行。第19頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四第20頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四第21頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四第22頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四第23頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四第24頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四第25頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四溫度效應 (1)溫度變化引起的電阻變化 (2)被測試件與應變片膨脹系數不同引起的附加應變例如：一鎳鉻絲片，標

10、距貼在單向應力的鋼件上，當 3 溫度補償的辦法第26頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四(1) 溫度補償方法： 橋路補償（常溫下）和應變片自補償（高溫下）橋路補償：1）工作片和補償片半橋接法(溫度補償）：工作片與補償片應該相同；補償板與零件的材料應相同；兩者的溫度條件必須相同；補償片與工作片在電橋的相鄰橋臂上。第27頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四半橋接法(溫度補償）：第28頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四（2）在試件上找到與測點的應變符號相反、比例關系已知、溫度條件相同的另外一個點，則不必另外制作專用于粘貼補償片

11、的補償塊，而在這兩點上分別粘一片特性相同的應變片，也可實現溫度補償。半橋接法：第29頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四全橋接法：第30頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四應變片自補償：缺點：一種特定的應變片只適用于一種特定的材料及一定的溫度范圍。溫度補償是否正確：（1）溫度能否補償。（2）是否能從讀數應變 求得第31頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四2-2 電阻應變儀一.電阻應變儀一般介紹 由于電阻應變片的相對變化很小，因此必須設計專門的儀器對上述應變轉化成的電阻相對變化進行測量，最后用應變的標度指示出來。該類儀器就是

12、應變儀，它由測量電路和放大器構成。 第32頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四電橋分類：按橋壓分： 直流電橋；交流電橋按輸出方式分： 功率電橋（按低阻抗負載） 電壓電橋（按高阻抗負載） 電阻應變片的信號調理電路: 由于將應變等機械量轉換為電阻的變化，此變化的數量是很微弱的，因此須采用高精度的測量電路電橋測量電路。 二.測量電橋測量電橋的任務：把電阻的變化量轉化成電壓或電流的的變化量，以便于后續儀表的計量與測量。第33頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四1、直流電橋的基本關系常用的幾個術語:全橋：半橋：相對橋臂相鄰橋臂鄰臂對臂全橋半橋第34頁，共1

13、12頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四直流電橋平衡條件：即：相對橋臂電阻之積相等。當平衡電橋橋臂電阻發生變化時，其輸出電壓為：（1）電橋的電壓輸出：第35頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四（2）電橋輸出公式的使用前提條件：1）先決條件是：電橋起始是平衡的；2）無論各電阻如何變化，一定要在平衡點附近；3） 僅發生微小變化.a)等臂全橋 （3）兩種特殊電橋的輸出：第36頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四b)等臂半橋 對稱半橋：R3、R4為固定電阻 非對稱半橋： R1、R4為固定電阻 非對稱半橋的輸出還與橋臂阻值比有關。第37頁，共1

14、12頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四（4）總結與討論： （1）電橋平衡條件 （2）電橋的輸出電壓與相對計算電阻增量 成正比 其中R為一個橋臂的阻值。 （3）因 與應變成正比，因此電橋的輸出電壓與應變成正比。 （4）對于等臂全橋，由于 ，電橋輸出公式又可寫成:上式為電橋加減特性表達式。電橋輸出的八字原則： 相鄰橋臂相減，相對橋臂相加。第38頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四2. 交流電橋的基本關系：電阻平衡、存在不平衡電容或相對橋臂阻抗之積相等第39頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四交、直流電橋的異同點相同點：輸出電壓的幅值都與

15、被測的應變成正比；不同點：直 流 電 橋交 流 電 橋輸出的是正或負的直流電壓，與應變同頻率變化。輸出的是正弦調幅波；從輸出電壓的正或負，可以判斷是拉應變還是壓應變。可通過輸出與參考橋壓的相位相同或是相反來判斷拉、壓應變的關系；只要電阻調平衡。既有電阻調平衡，又有電容調平衡。第40頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四3. 電橋的讀數方法：（1）直接讀數法：將電橋的輸出直接或經放大器放大后，用電表讀出或用示被器記錄。電表的讀數或示被器的記錄曲線正比于被測量的量值或變化過程一般動態測試儀器即動態應變都是采用這種讀數方法。1）機械標定法：在等強度梁上貼好與測點相同規格的應變片

16、，測量系統的狀態維持測試時的狀態不變，給梁加載，使它產生一個標準應變，此時應變儀上輸出一個大小一定的電信號與該標準應變相對應，以此電信號為基準，來度量對應于被測動應變的電信號所代表的應變值。缺點：現場使用不方便。優點：不需要修正。注意：必須進行標定。第41頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四3. 電橋的讀數方法：1）機械標定法：2）電標定法：在動態應變儀上專設標定電路，由標定電路給出代表一定應變的電信號，與對應于被測應變的電信號進行比較。優點：方便可靠。橋臂并聯標定電阻標定和測試的示波圖標定應變：第42頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四 標定電

17、橋法： 電壓標定法：標定精度較高。第43頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四（2）零讀數法：利用一些調節元件(可調電阻)使電橋恢復平衡，然后記下調節元件的調節量，從而計算被測量的大小。這時，指示電表只起平衡指示作用。一般靜態測試儀器如靜態應變儀常采用這種讀數方法。 將測量電橋和讀數電橋反向串聯起來，調整讀數橋的橋臂電阻值，使兩橋串聯后的輸出電壓等于零。第44頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四 應變片的靈敏系數 應變儀的靈敏系數 讀數應變雙電橋零讀數法的原理圖第45頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四(三）靜態電阻應變儀

18、靜態電阻應變儀由電橋、振蕩器、交流放大器、相敏檢波器、指示電表等組成第46頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四（四）動態電阻應變儀 多采用交流供橋、載波放大的形式。 由電橋、標定電路、振蕩器、放大器、相敏檢波器、濾波器等組成。第47頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四被測應變信號調幅后輸出電壓一般檢波器檢波相敏檢波器檢波第48頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四（五）應變儀的使用：(1)應變儀的選用原則 應變儀的工作頻率應大于被測量的最高次諧波分量的頻率，以保證不產生幅頻失真和相頻失真。應變儀的最大量程應大于被測應變的最大

19、值，并應使其輸出不超過最大線性輸出量，以保證不產生非線性失真。應變儀的輸出形式應與記錄儀相適應，并注意它們之間的阻抗匹配。對于靜態測量，應根據測試精度要求和測試量來選擇儀器的分辨率（最小應變讀數）和測量點數（配預調平衡箱）。第49頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四應變儀的使用：（2）應變儀的操作要點：按實測需要確定接橋形式，測點與儀器間的連線應采用金屬屏蔽線，導線要固定，接地點要正確。根據被測信號的大小，正確選擇衰減器的檔位，使其輸出既有一定的幅度，又不產生非線性失真。連接記錄器，并注意其阻抗匹配。對于電標定，其標定應變應根據被測信號的最大值來選用，一般標定應變2/3

20、被測最大值儀器的預調平衡應在“預調平衡”的檔位上進行。第50頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四第51頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四第52頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四第53頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四第54頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四第55頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四第56頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四溫度效應 (1)溫度變化引起的電阻變化 (2)被測試件與應變片膨脹系數不同引起的附加

21、應變例如：一鎳鉻絲片，標距貼在單向應力的鋼件上，當 3 溫度補償的辦法第57頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四(1) 溫度補償方法： 橋路補償（常溫下）和應變片自補償（高溫下）橋路補償：1）工作片和補償片半橋接法(溫度補償）：工作片與補償片應該相同；補償板與零件的材料應相同；兩者的溫度條件必須相同；補償片與工作片在電橋的相鄰橋臂上。第58頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四半橋接法(溫度補償）：第59頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四（2）在試件上找到與測點的應變符號相反、比例關系已知、溫度條件相同的另外一個點，則不必

22、另外制作專用于粘貼補償片的補償塊，而在這兩點上分別粘一片特性相同的應變片，也可實現溫度補償。半橋接法：第60頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四全橋接法：第61頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四應變片自補償：缺點：一種特定的應變片只適用于一種特定的材料及一定的溫度范圍。溫度補償是否正確：（1）溫度能否補償。（2）是否能從讀數應變 求得第62頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四示波器續4 振子的參數及選用 振子光點的安排（1）應正確安排振子的光點位置，使光點與振子位置相對應。（2）多個信號同時記錄時，為了便于分辨與觀測：主

23、要信號放在記錄紙中間，次要信號放在兩邊；單向偏轉信號應放在兩邊，雙向偏轉信號應放在中間；頻率高和頻率低的信號可靠近，波形不一樣的可靠近；主要信號的幅值要大些，次要信號的幅值要小些；波形不一樣或頻率相差者，幅值都可以大，不怕重疊。第63頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四5應變測量中幾個問題第64頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四（3）絕緣電阻的影響絕緣電阻應很大，一般要求達到50100兆歐。（4）導線電阻的影響（5）長導線間電容的影響避免導線間的相對移動；使用屏蔽線，屏蔽層接地。（6）應變片粘貼方向不準的影響貼片時應盡量貼在主方向上，避免貼在與

24、主方向相差45度的方向上。第65頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四6零件應變應力的測定 應力狀態的測定常采用電阻應變法。該方法是先用應變片測出應變，然后用虎克定律求出其應力。此方法僅適用于彈性平面問題，即測定零件表面的彈性應力和應變。 應變應力測定的核心是應變測量和應力計算問題，即對每一測點進行貼片測量和由測得的應變數據計算應力。一、應變測量和應力計算線應力狀態：單向應力狀態第66頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四6零件應變應力的測定主應力方向已知的平面應力狀態：第67頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四主應力方向未知

25、的平面應力狀態：第68頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四第69頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四第70頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四第71頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四第72頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四第73頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四第74頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四應變花的測定結果的校核：對于直角式四組而言，使用應變第一張量不變量對于T 型：第75頁，共112頁，2022年，5月20日

26、，13點20分，星期四測點的選擇：根據力學知識、構件的邊界情況等進行分析。需要考慮以下問題：1. 被測件最大應力處的測點，是結構強度的關鍵部位，應特別加以重視。最大應力點一般都產生在危險截面或應力集中的地方。2. 如果最大應力點難以確定，或者需要了解構件應力分布的全貌，一般都在所研究的線段上比較均勻地布置5-7個測點。3. 對于構件上開有孔、凹槽或截面急劇變化等一些產生應力集中的區域，測點應適當的加多，以了解其應力變化情況。4. 為了減少測點數目，可以利用結構與載荷的對稱性和結構邊界的特殊情況。例如厚壁筒容器，由于結構與載荷都是軸對稱，所以在一側布置測點就可以了。5. 由于動態測試儀器線數有限

27、、測試技術要求高和影響因素多，所以動態測試應在靜態測試的基礎上進行，測點數目要比靜態的少。同時，動態測點一定要選在能反映構件動態性質的關鍵部位。第76頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四應變片的布置 測點選定后，即可根據測點的應力狀態來考慮應變片的布置。當測點是線應力狀態時，只要沿主應力方向貼片。若測點是主應力方向已知的平面應力狀態就沿兩個主應力方向上分別貼片。當測點的主應力方向未知，則需貼上相應的應變花。 測點應力狀態的判定，可根據力學知識、構件的邊界情況、形狀與載荷的村稱性等來分析。有時也可借助其它試驗方法，如脆漆法或密柵云紋法來判斷主應力方向，這樣可以減少貼片。應

28、變片的選擇 三角型應變花的覆蓋面積比直角型的小，所以應力梯度大的測點宜選用三角型的。若沒有應力梯度限制，則選用直角型的為好，因它容易計算。第77頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四1 電測系統由哪些環節組成？各環節的作用是什么？2 何謂頻譜分析？周期信號和非周期信號的頻譜各有什么特點？3 如何估計信號的主要諧波范圍？4 何謂電測裝置的靜態特性？何謂電測裝置的動態特性？他們對不失真測量有何指導意義？5 測量裝置的靈敏度、幅頻特性、相頻特性6 測量系統不失真的條件是什么？7 傳感器是如何定義的？傳感器的選用原則8 簡述電阻應變片的工作原理，解釋下列名詞：電阻絲的靈敏度電阻片

29、的橫向影響系數電阻片的靈敏系數第78頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四9 被測點應變狀態對應變片的靈敏度系數是否有影響？對應變測量的精度是否有影響？10 何謂電壓橋？何謂電流橋？橋臂電阻與電橋輸出有何關系？11 電橋輸出的讀數方法有幾種？各有何優缺點？12 使用動態應變儀時怎樣進行標定？為什么必須進行標定？13 使用應變片測應變時怎樣貼片？怎樣接橋才能實現溫度補償？溫度補償的方式有哪些？14 了解靜態應變儀、動態應變儀的結構、原理、主要參數和使用方法。15 光線示波器的動態特性與什么因素有關？16 怎樣正確選用光線示波器的振子？17 單向應力、兩向應力主方向已知、兩向

30、應力主方向未知時測應力怎樣布片？怎樣計算應力？18 選擇應力測點和布置應變片應遵循什么原則？第79頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四 金屬塑性變形實驗測試方法用于研究和測定金屬塑性變形所需的變形力和變形功、塑性變形流動規律和變形的不均勻分布、接觸面摩擦和壓力分布、變形體內應力應變分布和溫度分布以及各種因素對塑性變形的影響，為制定合理的加工工藝規范、開發新工藝、驗證理論研究成果和選用加工設備提供依據。 由于金屬塑性變形過程是一個極其復雜的力學和物理-化學變化過程，在大多數情況下無法進行實地測定，只能通過模型模擬實驗才能獲得規律性認識。實驗模擬測試需要考慮的主要問題有：明

31、確實驗目標，即實驗需要解決的問題和需要獲取的信息；選擇何種實驗方法實現實驗目標，包括選用實驗材料、測試儀器和設計實驗裝置等；怎樣處理和分析實驗結果，即數據和資料。其中實驗方法的選用是達到實驗目標的關鍵。第80頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四 金屬塑性變形實驗的分類：（1）金屬流動：表面：伸長應變、網格式的變形、脆性涂層內部：拋光和刻蝕、滑移帶、變形區、網格、缺陷、宏觀檢查、相變（2）金屬位移：照相、電接觸針、位移轉換器（3）力和應力：載荷傳感器、壓力針、行程圖、貼應變片、X射線、光彈、光塑性、光應力、脆性漆、云紋法和網格法（4）溫度：熱電偶、涂料（5）模型材料：鉛、

32、蠟泥塑料、石蠟、超塑性鋁等（6）金屬性能：屈服強度、硬度、晶粒尺寸等（7）表面摩擦條件：摩擦系數、摩擦控制、表面研磨、表面變化模擬、測量方法、性能試驗等個方面的內容。第81頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四1 模擬材料的選用 模擬材料是指實驗模擬時所用的材料它可以是實物材料，也可以是替代材料。合適的金屬塑性加工模擬材料應滿足以下條件：(1)塑性模擬相似準則所要求的條件，即幾何相似、力學相似和物理相似等；(2)材料性能穩定，實驗數據的量測和汁算方便、可靠；(3)實驗時所需載荷小，試件和模具的加丁方便，可用小噸位設備進行模型試驗；(4)能在常溫狀態下模擬高溫塑性變形；(5

33、)易于獲得，成本低。第82頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四目前，常用的模擬材料有以下幾類：軟金屬材料：例如鉛、鋁、銅和錫等，通常用鉛模擬鋼的熱變形(加熱到再結晶溫度以上的變形)、用鋁模擬鋼的冷變形。粘土類材料：塑性泥是該類材料的代表，英國Harbutts plasticine Ltd.生產塑件泥有黑、白、青、綠、灰等10余種顏色，其主要成分為粘土(CaCO3)，含量約占質量大小的50-60，其他的有礦物油粘合劑，氧化鐵、氧化硫、碳酸鎂等添加劑及少量色素。蠟：常用于塑性模擬的蠟是熔點為54的石蠟，其應力應變曲線受溫度和應變速度的影響較大。當溫度較高和應變速率較小時，塑

34、性較好，反之則差。第83頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四高分子材料：例如有機玻璃、聚碳酸酯等塑性塑料。用賽璐珞可模擬金屬的彈性、塑性和粘性，55.5的賽璐珞（celluloid，硝化纖維塑料）與450-860 軟鋼的無量綱應力-應變曲線很一致。同種實物材料：用和實物相同的材料做模擬試驗，自然而然能滿足一些相似模擬限則的要求，因此對許多冷塑性成形工序的模擬， 一般均采用同種材料做實驗，而對于用同種材料模擬熱塑性成形工序，則由于需有高溫條件而相當麻煩，所以此時往往采用以上某些非同種材料在常溫下進行模擬。 對上述五類模擬材料的選用，應根據分析目的和具體實驗條件來確定。例如

35、，模擬鋼的熱鍛時可選用鉛或塑泥在室溫下進行；模擬金屬的塑性變形流動時，選用塑泥或蠟的混合物就更為方便。第84頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四一、鉛在軟金屬材料中，鉛是較好的模擬材料。常用的工業純鉛密度為11.37g/cm3,在室溫下能再結晶，其應力-應變關系曲線和應變速度-應力關系曲線與熱態鍛造鋼的相應曲線基本相似，硬化指數n、應變速度敏感指數m和無潤滑狀態的摩擦系數也與熱態鍛造鋼的相應值基本一致.用室溫下鉛的變形模擬熱態下鋼的塑性變形符合模擬準則的要求，而且實驗量測方便，數據準確可靠，易于保持變形后的形狀尺寸。鉛對應變速度的敏感性與熱態鋼相差稍大，不過若在純鉛中加

36、入某些合金成分進行預鍛，則可改善其性能。用鉛作模擬材料時，試件與實驗模的加工較費事，所需實驗設備的功率也較大，而且加熱至溶化溫度400-500 時呈蒸氣逸出，對人體有害，所以澆鑄鉛坯料時應戴防護口罩。第85頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四鉛與熱態鋼的比較工業純鉛在靜載時的變形硬化曲線第86頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四二、塑性泥塑性泥的密度約為3，在24 左右常溫下的硬度HB為15左右。隨溫度上升明顯變軟，其壓縮屈服應力約為0.12MPa。塑性泥在常溫下的靜動態力學性能和鋼在高溫下(約1000 下)的力學性能十分相似，而且符合屈服準則和

37、體積不變條件等對塑性變形模擬材料的基本要求、因此已被廣泛應用于在室溫下模擬熱鋼的塑性成形過程。塑性泥與熱態鋼的比較第87頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四塑性泥由于含有礦物油粘結劑(如液態石蠟等)，是一種溫度敏感材料，即使在室溫附近，溫度對塑性及流動應力的影響也很大，溫度上升15 ，流動應力大約減小一半。下圖表示溫度對白色塑性泥真實應力應變和應變速率曲線的影響。白塑性泥應力應變曲線第88頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四塑性泥與鉛等軟金屬模擬材料相比，具有以下優點：流動應力小，對試驗設備及模具的要求不高，甚至可使用木質模具；試件可由手工成形，

38、制作簡便，周期短，適應性強，可做成任意形狀；試件易于剖分可通過坐標網格或不同顏色塑性泥觀察內部變形流動，甚至可嵌入一些特殊測試裝置，如直徑為6mm、厚為0.6mm的超微應力傳感器，直接測其內部的應力和應變；材料利用率高，可反復使用，而且可根據模擬的金屬種類不同，調節塑性泥的成分，改變其、n和m。例如，多加些礦物油可使s下降，多加些CaCO3，可使s增大、硬度升高。另外，也可通過改變溫度調節塑泥的性能；塑性泥適合使用x射線照相術，可用來研究大鍛件的內部缺陷：第89頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四但是，利用塑性泥模擬金屬塑性變形時，應注意以下問題：由于粘結劑中含有揮發物

39、，需放置兩年才能相對穩定，所于模擬金屬塑性加工的塑性泥應當是存放兩年以上的。另外，制成的模型，放置時間愈長流動應力也愈大，一般需經4-5天后變化才緩慢，最后達到某定值，所以模型使用前要經過穩定性處理。出于顏色、批號等對塑性泥的性能均有影響，所以在進行模擬實驗前，首先要做塑件泥的拉伸或壓縮實驗，測定其應力應變曲線及其他基本性能。制試件前，應將塑性泥充分揉和，消除其中的縫隙和氣泡，使其成為均勻的各向同性的連續體，滿足塑性變形體積不變條件。試樣難做得十分精確，變形后的尺寸、形狀保持也比較困難，因而實驗數據量測的準確性差。另外、在小應變(0.1)范圍內，其性能與熱鋼有顯著不同，所以一般用于模擬大應變。

40、第90頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四三、石蠟 石蠟的變形特性對溫度有較大的敏感性，當溫度低于16 時，試樣不產生屈服便斷裂，或圓柱鐓粗時外周產生45裂紋。當溫度高于16 時，試樣能產生足夠的塑性變形，而后在外周產生縱裂。另外，實驗表明，蠟有比較嚴重的蠕變和滯后現象。用蠟作為模擬材料的優點是：(1) 能預先在試件上著色，便于了解各部分的流動情況和位移。(2) 能借助石蠟的結晶性觀察材料內部結晶的變化和流動狀態；(3) 保持變形后狀態比塑性泥較為容易，對薄壁成形件的模擬較為有利。第91頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四蠟模擬材料的缺點：(1)

41、 應力-應變曲線受溫度和應變速度的影響較靈敏，會給實驗帶來較大的困難和誤差；(2) 當溫度高于室溫時，實驗比較麻煩；(3) 成分不同性能變化很大，因而實驗前需要進行性能測定。第92頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四四、高分子材料1有機玻璃(PolyMethyl MethAcrylate, PMMA） PMMA的透光度類似于無機玻璃而且在塑料中具有最高的透明性，故稱有機玻璃，其性能如下：密度，布氏硬度20-40，抗張強度70MPa，伸長率3-7，折射率，透光率92-94；易燃火焰呈黃色,上端藍色，離火后繼續燃燒，發出強烈的腐爛的果臭和蔬菜臭。不溶于醇和潤滑油。 市場上買

42、來的有機玻璃板料已有塑性變形，需在135 下保溫做穩定性處理。 2聚碳酸酯(PolyCarbonate, PC) PC具有優良的力學性能，耐熱、耐寒、電性能好，并具有自熄性和透明性等特征，是一種無色或略帶褐色的透明材料。 PC的性能:密度1.28g/cm3，折射率1.585，抗張強度55-66MPa, 伸長率80-100，硬度M70-R118吸水性強。在室溫相對濕度為60時，16天后吸水率為0.18，浸人水中的吸水率為0.36；受強堿、弱堿浸蝕，也受強酸浸蝕，但對弱酸不作用。第93頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四 PMMA和PC的兩個重要特性(形狀記憶性和應力應變凍

43、結性) (1)形狀記憶性：PMMA和PC光塑性材料在塑性變形后經高溫退火(即在約100-120 下保溫一段時間)可恢復到原坯料形狀尺寸的性能，稱為形狀記憶性。利用這種性能可研究變形體內的應變場。 (2) 應力應變凍結性：用PMMA和PC等光彈性材料制成模型，在室溫下加載，則模型具有暫時雙折射效應，在光彈性儀上可見到應力條紋圖形。如卸去載荷，則應力條紋圖形隨即消失。但是，若將受力模型(受力狀態下的模型)的溫度升高到材料的凍結溫度(通常為110-120 )，恒溫一定時間(視模型大小而定)，然后再緩慢降至室溫，則卸載后模型承載時所產生的雙折射現象就永久地被保存下來，這種性能，稱為應力(或應變)凍結性

44、能。凍結曲線如圖：凍結曲線第94頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四有機玻璃減速小齒輪(奇數齒)鍛件的恢復實驗 a-鍛件圖；b-鍛件剖面上的網格；c-恢復后的網格 用P MMA棒制成圓柱坯料進行復雜零件的精確閉式模鍛，獲得減速小齒輪鍛件。然后，沿鍛件的子午面剖開在其上劃上坐標網格。再將它放進烘干箱內加熱到125，保溫3-4h，隨爐冷卻，即得變形前的形狀，其坐標網格變化所示。實驗表明，有機玻璃的恢復形狀性能十分優良，整個齒形和內孔均完全復原至圓柱坯料的原型，只有內孔由于沖擠變形過大，發生撕裂并呈發泡狀。 第95頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四記

45、憶材料實驗模擬法的應用 一、定性劃分塑性變形區 利用肋-腹板型模鍛件的形變恢復定性劃分其塑性變形區。取穩定處理后的聚碳酸酯坯料(42mmX39mmX34mm)，在液壓機上進行模鍛試驗。成形后，沿其塑性流動平面剖開、磨平拋光，并畫上均勻的坐標網格。然后在高溫烘箱內做應變恢復試驗，復原后的網格畸變情形如圖。根據該網格圖形的變化可以做出該模鍛件變形大小區域的定性劃分。肋-腹板型模鍛件記憶材料法實驗示意圖第96頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四 二、測定塑性變形體的應變分布 1塑性變形恢復實驗 (1)去除棒料的殘余應力：將直徑50mm x 50mm的國產有機玻璃柱體置于箱室電

46、阻爐(烘干爐)內，按每厚1cm保溫Ih進行穩定性加熱處理，然后隨爐冷卻； (2)加工試樣：在機床上將冷卻后的直徑50mm x 50mm柱體加工至要求的試樣尺寸直徑48mm x 48mm； (3)加熱至熱塑性變形溫度：將加工好的試樣連同上、下墊板置于電阻爐(烘干爐)內加熱至125，保溫3h，以保證熱透； (4)鐓粗：將熱試樣置于上、下墊板之間，在預調好的壓力機上快速壓縮至一半高度后在保壓狀態下冷卻至室溫；第97頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四(5)在剖分面上畫坐標網格：鋸開變形冷卻后的試樣，在剖分面上畫上3mmX3mm的坐標網格；(6)恢復至原始尺寸：將畫有網格的變形

47、試樣重新放回箱式電阻爐內進行恢復處理，即慢速加熱至恢復溫度125 左右，保溫3h，隨爐冷卻至室溫。恢復后的試樣及其上的坐標網格變化如下圖，外廓完全恢復到變形以前的尺寸。第98頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四2實驗數據處理 為獲得圓柱體鐓粗的應變值，利用四節點平面等參元理論及塑性歐拉大變形公式，對恢復前后的網格進行數據處理，求各處網格的應變分量及等效應變。第99頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四3試驗結果分析根據等效應變等值線，整個子午面大致可以分為三種區域：A區：與工具接觸附近區域及側面區域，應變值在0.3左右。B區：一部分是邊緣區域，應變

48、為1.2左右。另一部分是中心區域，應變值也在1.2左右。C區：A區和B區的中間部分，應變值在之間。 以上結果與多層鉛試件鐓粗結果基本接近，說明有機玻璃的塑性和記憶性都十分優良，可用來模擬金屬塑性變形的應變分布，但在模擬大變形和復雜變形時，應采用分步變形的方法進行應變計算第100頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四 是研究金屬塑性變形分布應用最廣泛的一種方法，其實質是，把模型毛坯制成對分試樣，變形前在試樣的一個剖分面上刻上坐標網。變形后根據網格變化計算相應的應變也可內此推算出應力分布。坐標網可劃成正方形或圓形，其尺寸根據坯料尺寸及變形程度確定，一股在2-10mm之間。當網

49、格很小時，可認為網格就代表某質點的周邊。坐標網格法(Coordinae Grid Method)第101頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四一、坐標網格網線的制備 在試樣剖面或表面制備坐標網格，可采用直接刻劃法、感光印刷法和貼片法等。感光印刷法中最簡單的是將試樣表面拋光、洗凈，涂上感光膠。 覆上正確的坐標網底片(母版)，經過感光沖洗后，即可得到精細的坐標網。貼片法是先用母版把網格復制至一種涂有可剝離感光乳劑薄膜的塑料片基上，然后將感光好的乳劑層粘貼到試樣表面 待貼牢后剝去塑料片基，使帶有網格的乳劑薄膜留在試樣上。第102頁，共112頁，2022年，5月20日，13點20分，星期四二、剖分試樣的粘接 對于鉛試樣，可根據一次變形量大小選擇粘接的方法。小變形量用伍德合金(鉛25, 鉛50，鎘12.5，錫12.5)粘接。 大變形量可采用含鉍42.5