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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划材料热变形计算温度、热量与热变形的关系及计算方法研究摘要:通过分析热变形与热量之间的关系，提出利用平均线膨胀系数，将较复杂温度分布(如移动持续热源形成的温度分布)情况下工件热变形量的计算简化为热量含量相同且温度均布状态下工件热变形量的计算方法，并给出了计算实例。1引言在机械制造、仪器仪表等行业，由温度引起的热变形是影响机器、仪器设备精度的重要因素，热变形引起的误差通常可占总误差的1/3。在精密加工中，热变形引起的误差在加工总误差中所占比例可达40%70%。为提高机器设备的工作精度，通
2、常可采用温度控制和精度补偿两种途径来减小温度对精度的影响。温度控制是对关键热源部件或关键零件的温度波动范围进行精密控制(包括环境温度控制)。实现方法包括:采用新型结构，如机床中的复合恒温构件等;使用降温系统控制部件温升;采用低膨胀系数材料等。这些方法都可程度不同地降低热变形程度，但成本较高。精度补偿方法是通过建立热变形数学模型，计算出热变形量与温度的关系，采用相应的软件补偿或硬件设备进行精度补偿。精度补偿法虽然成本较低，但要求建立精确且计算简便的数学模型。目前常见的数学模型大多是以温度作为主要计算因素，当形状规则的工件处于稳定、均匀的温度场中时，热变形数学模型的计算简便性可得到较好保证，但对于
3、处于移动持续热源温度场中的工件，其温度分布函数的计算将变得相当复杂，甚至无法得出解析解，只能采用逼近的近似数值解法。例如:对精密丝杠进行磨削加工时，磨削热引起的丝杠热变形会导致丝杠螺距误差。在计算丝杠热变形量时，首先必须建立砂轮磨削热产生的移动持续热源在丝杠上形成的温度分布数学模型。再如:车削加工中产生的切削热形成一持续热源，使车刀产生较大热膨胀量(可达)，严重影响加工精度。计算车刀的热变形量时，首先需要建立持续热源在车刀刀杆中的温度分布模型，这就增加了计算的复杂性。图1双原子模型示意图本文从温度、热量和热变形的定义出发，分析了热量与热变形的关系。利用该关系，可简化实际工程应用中的热变形数学模
4、型，减小运算工作量。2热变形原理及计算公式热变形原理相当复杂，目前只能在微观上给予定性解释。固体材料的热膨胀本质上可归结为点阵结构中各点平均距离随温度的升高而增大。德拜(Debye)理论认为，各原子间的热振动相互牵连制约，随着温度的升高，各质点的热振动加剧，质点间的距离增大，在宏观上表现为晶体膨胀现象。用图1所示双原子模型可解释如下:在温度T0时，原子1与原子2的间距为r0，当温度升高时，原子热运动加剧，原子间势能增加，两原子间势能U(r)增大，原子间距r=r0+x0。将U(r)在r=r0处展开成泰勒级数为U(r)=U(r0)=(dU)r0x+1(d2U)r0x2+1(d3U)r0x3+dr2
5、!dr23!dr3(1)略去x3以后的高次项，则式(1)曲线如图1中实线所示。图中，线1、2、3分别代表在温度T1、T2、T3下质点振动的总能量。由图可见，当两原子平衡后，其平衡位置分别位于A、B、C处，晶体处于膨胀状态。在实际应用中，固体材料热膨胀参数以实测的热膨胀系数来表示。热膨胀系数可分为平均线膨胀系数和热膨胀率两种。平均线膨胀系数定义为:在温度t1与t2之间，温度变化1时相应的试样长度相对变化均值，以m表示(单位:10-6/)，计算公式为m=(L2-L1)/L0(t2-t1)=(L/L0)/t(t1值”而需要的能量就称为变形激活能时效成形：时效成形是将零件成形和人工时效处理相结合的新型
6、成形工艺.它能够改善合金的微观组织,提高材料强度,降低残余内应力水平,增强耐应力腐蚀能力,延长零件使用寿命。应变硬化：常温下钢经过塑性变形后，内部组织将发生变化，晶粒沿着变形最大的方向被拉长，晶格被扭曲，从而提高了材料的抗变形能力。这种现象称为应变硬化或加工硬化。应变速率硬化：当应变速率提高后，材料的屈服强度及拉伸极限强度都会增加。二、问答1.请论述多晶体热变形激活能的理论意义，并介绍其在控制应力的蠕变变形实验中的测试方法。答：变形激活能反应材料热变形的难易程度，也是材料在热变形过程中重要的力学性能参数。通过对激活能值的分析可以推断回复机制，激活能控制塑性变形速率,动态回复和动态在结晶，激活能
7、Q越大，变形速率越小，材料越难变形，高温塑性变形的显著特点就是变形速度受热激活过程控制，即遵从Arrhenius方程：1等温法：采用将多个样品在相同应力和不同温度条件下蠕变，测量蠕变曲线在亚稳态阶段的斜率，表示成log(?)和1/T的函数关系的形式，并将结果表示在log(?)和1/T坐标上，和实验点吻合最好的直线的斜率即为Q值。2时间补偿法：在蠕变稳态阶段?可见若将表示为补偿时间?的函数，则不同温度和相同应力条件下得到的蠕变曲线相互重合，求以此来求Q值。也可将不同温度下达到给定变形?所需时间的对数表示成1/T的函数，所得直线的斜率即Q值。3变温法：?.?在恒应力作用下，在同一样品上施以极快的温
8、度跳跃。测出T1时的蠕变速度1，温度T2.?时为2，根据式可以得出Q。该方法的优越性在于如果温度跳跃速度足够快，则可以保证样品的组织不变，故测量的是恒组织和恒应力下的激活能。但是由于试验机的热滞性，实际上很难施行快速温度跳跃。只有系统在新温度下重新达到平衡时，才能测量出有意义的Q值，而这时样品的组织亦可能变化到新的平衡状态。还可用于控制速度的变形实验，此时应力是不恒定的。2.推导拉伸试验中应变速率与拉伸机夹头移动速度之间的关系。3请论述多晶体热变形激活能的理论意义，并介绍其在控制速度的热压缩变形实验中的测试方法。变形激活能反应材料热变形的难易程度，也是材料在热变形过程中重要的力学性能参数。通过
9、对激活能值的分析可以推断回复机制，激活能控制塑性变形速率,动态回复和动态再结晶，激活能Q越大，变形速率越小，材料越难变形，高温塑性变形的显著特点就是变形速度受热激活过程控制，即遵从Arrhenius方程：.?Q?0(?,y)exp()RT.?Q?0exp()RT4.请论述多晶体热变形激活能的理论意义，并介绍其在控制速度的超塑性变形实验中的测试方法。同上.?Q?0(?,y)exp()RT.?Q?0exp()RT三、判断1.在某一种金属材料的拉伸试验中，可根据不同材料的应力应变曲线弹性变形阶段斜率的大小对比其弹性极限的大小。错误，斜率=弹性模量。2.一般情况下，对于同一种金属材料，采用慢应变速率拉
10、伸方法测试出的力学性能要稍低于常规拉伸所获得的力学性能数值。正确。四、简单计算1.采用高温慢应变速率拉伸方法研究5A90铝锂合金的变形行为，采用板形试样，试样厚2mm，宽和标距长度分别为6mm和10mm。拉伸完成后将断裂后的试样拼合测量标距部分长度为78mm，宽和厚度分别为3mm和，下表给出了计算机记录的部分载荷和位移计算：试样断裂后伸长率的工程应变和真应变。试样断裂后断面收缩率的工程应变和真应变。拉伸至位移为时伸长率的真应变与该时刻的真应力。三.管道的热变形计算：计算公式：X=a*L*Tx管道膨胀量a为线膨胀系数，取/mL补偿管线长度T为温差三.关于轴向型、横向型和角向型补偿器对管系及管架设
11、计的要求轴向型补偿器1、安装轴向型补偿器的管段，在管道的盲端、弯头、变截面处，装有截止阀或减压阀的部们及侧支管线进入主管线入口处，都要设置主固定管架。主固定管架要考虑波纹管静压推力及变形弹性力的作用。推力计算公式如下：Fp=100*P*AFp-补偿器轴向压力推，A-对应于波纹平均直径的有效面积，P-此管段管道最高压力。轴向弹性力的计算公式如下：Fx=f*Kx*XFX-补偿器轴向弹性力，KX-补偿器轴向刚度；f-系数，当“预变形”时，f=1/2，否则f=1。管道除上述部位外，可设置中间固定管架。中间固定管架可不考虑压力推力的作用。2、在管段的两个固定管架之间，仅能设置一个轴向型补偿器。3、固定管
12、架和导向管架的分布推荐按下图配置。补偿器一端应靠近固定管架，若过长则要按第一导向架的设置要求设置导向架，其它导向架的最大间距可按下计算：LGmax-最大导向间距；E-管道材料弹性模量；i-tp管道断面惯性矩；KX-补偿器轴向刚度，X0-补偿额定位移量。当补偿器压缩变形时，符号“+”，拉伸变形时，符合为“-”。当管道壁厚按标准壁厚设计时，LGmax可按有关标准选取。横向型及角向型补偿器1、装在管道弯头附近的横向型补偿器，两端各高一导向支座，其中一个宜是平面导向管座，其上、下活动间隙按下式计算：-活动间隙；L-补偿器有效长度；Y-管段热膨胀量；X-不包括L长度在内的垂直管段的热膨胀量；2、角向型补
13、偿器宜两个或三个为一组配套使用，用以吸收管道的横向位移，对Z形和L形管段两个固定管架之间，只允许安装一个横向型补偿器或一组角向型补偿器。此时平面铰链销的轴线必须垂直于弯曲管段形成的平面。装有一组铰链补偿器的管段，其平面导向架的间隙亦可按上式计算。但是L长度应为两补偿器铰链轴之间的距离，X是整个垂直管段的热膨胀量。3、补偿器两侧的导向支座应接近补偿器，支座的型式应使补偿器能定向运动。三.供热管道直埋式补偿器安装要求用途：直埋式波纹补偿器主要用于直埋管线的轴向补偿，具有抗弯能力，所以可不考虑管道下沉的影响，产品具有补偿量大，寿命长的特点。使用说明：直埋式波纹补偿器主要适用于轴向补偿，同时具有超强抗
14、弯能力，所以不考虑管道下沉的影响。直埋式波纹补偿外壳及导向套筒保护下实现自由伸缩补偿，其它性能跟普通波纹补偿器相同。选用与安装：管道最大安装长度计算有补偿直埋的管道应在二处高固定点，一是在直管段的端部，二是在管道的分支处。长的无分支的直线管道两补偿器之间可以不设固定点，靠管道自然形成的“驻点”即可发挥固定点的作用。驻点是两补偿器之间管道的那个不动点，在管径相同，埋深一致时，驻点与两补偿器间的距离相等。褡补偿器至固定点之间的距离不得超过管道的最大安装长度Lmax，管道最大安装长度的定义是固定点至自由端的长度，在此长度下产生的摩擦力不得超过管道许用应力下相应的弹性力。Lmax按下式计算：常用管道的
15、最大安装长度Lmax。应考虑16kgf/cm2内压力所产生的环向应力的综合影响。固定支座的设计计算具有2个管道分支并在主干线上有一处转角管道平面，补偿器的布置应满足LnLmax的条件。驻点G1、G2的推力为零，所以，此点处不必设置固定支座，但为了防止回填土的不均匀，埋深的不一致和预制保温管外壳粗糙度的不规则等可能会造成驻点的漂移，所以，对处于驻点位置的管道分支处G1、G2需设置支座，以G1为例其轴向推力可按下式计算：F1=Pb2+(Pb3+L2f)式中F1-固定支座G1的水平推力，kgf；f-管道单位长度摩擦力，Kgf/mPb2-B2膨胀节的弹性力，Kg；Pb3-B3膨胀节的弹性力，Kgfk2-B2膨胀节的刚度，Kgf/mm；L2-B2膨胀节的补偿量，mm；L2-膨胀节至G1的距离，m；假如某一分支如自G2接出的分支带有补偿器B。那么，G
