热应力的测定方法

一,实验目的

1了解热应力实验装置的组成,各部分的作用及使用方法;

2了解金属构件在热循环过程中热应力的产生原因,过程及分布规律;

3熟悉铸造热应力对铸件质量的影响以及减小铸造热应力的措施

二,实验内容

1在计算机上,利用《铸造应力》实验教学课件,了解铸造应力的分类,形成原因,测定原理,对铸件质量的影响及采用应力框测定铸造热应力的实际过程;

2熟悉热应力实验装置的使用方法及热应力测定的过程;

3记录,处理和分析实验数据,绘出应力-温度曲线

三,实验装置简介

本实验所使用的热应力实验装置是一种模拟测定装置,该装置由应力框部件,温控显示箱和

计算机系统三部分组成

1应力框部件

这是实验装置的核心部件,由应力框,拉压力传感器,温度传感器,加热体和冷却水管路等组成,如图2-1所示

三根直径相同的应力杆(A,B,C)由侧支架支撑,组成相互关联的金属构架(应力框)

杆A,C与支架固定在一起,杆B的一端与支架固定,另一端与支架之间可作相对水平移动,只有拧紧螺栓G时才被锁定,此时应力框成为刚性结构,以便进行实验松开螺栓时,杆B可自由伸缩,三杆间的约束被解除,以此模拟杆B在高温下的塑性变形加热体(电阻丝)R用于改变应力杆的温度,以造成三杆间的温差,从而产生内应力各杆的温度变化由温度传感器WA,WB,WC测定拉压力传感器D,E,F用于测量各杆承受的内应力杆A,C上的拉压力传感器的最大量程为2 kN,杆B上的拉压力传感器的最大量程为5 kN,输出毫伏级电压信号为保证传感器本身温度恒定,采用循环水进行冷却

2温度控制显示箱

它由温控仪,稳压电源及显示仪表组成,如图2-2所示

温控仪(型号WMZK-01)A1,A2,A3接收温度传感器的信号,显示各应力杆的温度,并可设定极限温度以控制加热体的工作状态稳压电源向拉压力传感器提供24 V工作电压电压表V用于显示实验装置总电路的工作电压毫伏表mV用于显示拉压力传感器的输出信号表中显示的值为实际输出信号的10倍该毫伏值与作用力大小成正比关系经测定,5 kN量程时,当量值为0067 kN/mV;24 kN量程时,当量值为0025 kN/mV

3计算机系统

由主机,显示器及打印机组成应力杆的输出信号被放大1 000倍,后经计算机处理后以坐标图形式显示在屏幕上,以便直观地看到应力变化趋势该坐标图的横轴为时间轴,纵轴为应力(或电压)轴所显示的图像中,横坐标轴下方的曲线为杆B所受应力的动态变化情况(其上方的两条曲线与杆A,C对应)屏幕图像可存储和重现,亦可通过打印机打印出来

四,实验原理

金属构件在热循环过程中,由于材料热传导特性等因素的影响,构件各部分之间,构件表层与心部之间必然存在温差,致使金属构件的膨胀,收缩量有所差异,加之刚性构架中各部分之间的互相制约,于是在不同的温度区间里在构件中便会形成热应力基于上述原理,将应力框的中间应力杆B加热,随着温度的升高,其长度将有所增加由于杆B已被锁定,于是形成两侧杆A,C与杆B之间的约束状态,致使杆A,C受拉,杆B受压此时三杆间的相互作用通过拉压力传感器以电压信号的形式输出,由毫伏表和屏幕显示出来三杆间的温差越大,作用力也越大根据标定的作用力与电压间的当量值可计算出作用力(应力)的数值加热到最高温度时松开锁紧螺栓,使三杆间的约束解除,相当于中间杆B发生了塑性变形由于作用力消失,因此毫伏表指针和屏幕显示的曲线均回归零位再次锁紧中间杆,并停止加热,则在冷却过程中,三杆间又产生符号相反的作用力

五,实验设备

热应力测定仪,微型计算机(含《铸造应力》CAI软件)

六,实验步骤

1计算机仿真测定

1)在计算机上,利用《铸造应力》实验教学课件,了解铸造应力的分类,成因,分布规律及其影响;

2)用应力框法进行铸造热应力的仿真测定

2使用热应力实验装置进行铸造热应力的测定

1)检查实验装置各部件,管路,接头的连接是否正确与完好;检查电器线路,接口连接正确及接触良好与否;检查确认应力框部分接地良好与否设定温度控制仪的极限加热温度值(杆间温差不大于60 ℃)

2)接通电源,开启温度控制仪;接通稳压电源,开启计算机,并使计算机处于C\>状态进行如下计算机操作:

SAMPLE 显示菜单

0 显示File Name——

输入文件名(或) 显示hour——

输入时(0),分(30),秒(0)数和采样时间(1 ms)显示坐标图

3)锁定杆B适当调整杆A,C紧固程度,使各毫伏表的初始指示值最小

4)接通加热体电路,加热中间杆B(为避免加热速度过快,可手动控制开关KB1 ,以形成间歇供热方式)

5)记录温度值和该时刻与之对应的毫伏表的毫伏值

6)在设定的极限温度上停留一段时间在红灯亮的状态下,松开杆B的锁紧螺栓G

当毫伏表指针停留在最小数值时,再次锁紧中间杆B,同时切断加热体电路

7)观察和记录冷却过程中的温度值和对应的毫伏数当毫伏表指针低于0刻度时,将开关KA2 ,KB2 ,KC2 转换至相反位置

8)将加热,冷却阶段的电压-时间曲线图存入计算机

9)当杆B的温度降至室温后,松开锁紧螺栓,关闭所有电路

10)整理实验数据,计算作用力和应力值,绘制V(作用力或应力)--t曲线

11)分析实验结果,填写实验报告

温度改变时，物体由于外在约束以及内部各部分之间的相互约束，使其不能完全自由胀缩而产生的应力。又称变温应力。具有以下特点。PCB作为元器件的载体，其可靠性对电子产品的整机性能有重要影响。焊料的无铅化将SMT的温度提高了40℃，电子产品组装的复杂化使得PCB在焊接过程中需要经过两次甚至多次热冲击，电子产品功能的集成化在使用过程中产生大量的热量都对PCB的性能提出了更高的要求。为确保PCB安装和使用过程中的可靠性，需要对PCB的耐热性能进行评估，通过热应力试验能够反映孔金属化孔以及基材的品质以及两者之间的相互协调性。热应力：物体内部温度变化时，只要物体不能自由伸缩，或其内部彼此约束。则在物体内部产生应力，这种应力称之为热应力。组成PCB的基体材料与铜箔、化学铜层、电镀铜层之间相互连接在一起，在温度变化（焊接和使用）中必然产生内部热应力。

机械应力(mechanical stress)：

物体由于外因(受力、湿度变化等)而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，

以抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置。

常见的应力现象就是钢丝不容易拉直，回卷起来。

热应力，既要确定温度场，又要确定位移、应变和应力场。与时间无关的温度场称定常温度场,它引起定常热应力;随时间变化的温度场叫非定常温度场，它引起非定常热应力。热应力的求解步骤：①由热传导方程和边界条件（求非定常温度场还须初始条件）求出温度分布；②再由热弹性力学方程求出位移和应力。

通俗的说：温度冷却引起。

铸件厚薄不同产生热应力。厚（粗）拉应力，厚薄相差越大，热应力越大。

厚大断面的铸件冷却后，外层存在压应力（冷却快），心部是拉应力（冷慢）。

固态线收缩越大，热应力越大。 三个阶段变化：

高温段：均匀塑变(粗\细均为塑性变形)

中温阶段：细(外,先冷)弹性变形，粗(后冷)塑性变形,弹性变形可以被塑性变形抵消一部分

低温段：均是弹性变形(温度不 同,变形量不一致),导致残余应力的产生

结果：残余应力的分布情况:细(先冷)的最后被压缩，粗的(后冷)被拉伸

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