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Gleeble热模拟试验机上海交通大学周伟敏Gleeble3500热模拟试验机是一个材料热机械加工性能分析系统,具有急(慢)速升温降温、急(慢)速拉压变形、同时记录温度、力、应力、应变等参数变化曲线，可对金属材料的冶炼、铸造、锻压、成形、热处理及焊接工艺等各个制备阶段的工艺与材料性能的变化之间的关系进行精确的模拟。Gleeble3500的加热系统：采用电阻加热系统能以高达10000℃/s的速度加热试样。高导热率的夹具使Gleeble3500具有高速冷却能力。淬火系统可通过水淬、气淬或气水混合淬在试样表面达到10000℃/s的冷却速度。（注：不同材质不同尺寸不同加载方式能达到的加热和冷却速度可能不同）Gleeble3500的机械系统：是一个具有10吨静态拉伸/压缩力的全集成液压伺服控制系统。昀快可以达到1000mm/s的移动速度。LVDT传感器、测力单元提供反馈数据确保机械测试程的精确性和可重复性。在任何测试中，机械系统允许操作者编写程序更换控制模式。为热力学过程模拟的多样性提供各种必需功能。程序可以在任何时刻和以需要的频度转换控制模式。这些控制模式包括液压缸活塞位移、力、各种膨胀仪、真应力、真应变、工程应力和工程应变。需要指出的是：Gleeble系统虽然是材料研究和工艺优化的先进而高效的热机械试验装备,但与其他物理模拟设备相似,它只能就人为设定的一组工艺参数给出材料试样在相应条件下的变化过程及终点状态。而这种输入的设定是否真实地与充分地代表了模拟对象、所见的过程及所获的状态是否得到了完整理解与恰当运用,其间的模拟构思与程序编制又是否准确体现了设计意图,这一切都迥异于通常具有良好结果重现性的物理测试,使得物理模拟质量的优劣较大程度地因人而异。 一、仪器设备基本构成 专用名词： Specimen：样品、试样。实验研究对象。 Grip：夹持试样的夹具。根据不同需求可以做成各种大小、形状。 Jaw：机械装置。Grips夹持试样后装入Jaw中，实现对试样的操作。 MCU：Mobile Conversion Unit。移动单元，功能各异。将液压、电、水、真空、控制等试验所需集合为一体，装载在有轮子的机架上，可以随时与主负载单元组装和拆分。几个单元之间相互更换，配合主机进行不同类型的试验。 1、热模拟机基本构成 热模拟机主要包括： 辅助系统:加热、冷却、淬火、机械液压、真空等各个系统，保证正常的实验环境 控制系统:负责对所有部件的控制和同步 数据系统:各种测量系统，负责不同变量的实时监控 用户操作界面:包括桌面电脑，控制柜等。用户可以直接操作设备、编程，和数据分析处理等 下面将对各个系统逐一讲解。 1.1 外围辅助系统 1.1.1 加热系统 形成闭合回路，采用电阻式加热的方式，从试样横截面内通过上千安培的电流，并通过电流控制试样加热的温度变化。 电力系统 1.1.2 冷却系统 在保证试样升温的同时，必须通过内循环的冷却水以保证其他部位不会温度过高。 1.1.3 淬火系统 当对试样的冷速要求不高时，可以通过试样两端夹具热传导制冷。如果对冷速要求更高时，需要使用冷却气、水、气水混合对试样强制冷却. 但需要指出的是只有部分试验能采用淬火系统装置。 1.1.4 液压系统 提供稳定的液压，配合伺服系统和油缸、阀门完成位移、力值等的变化 1.1.5 真空系统 加热系统 控制系统工控柜冷却系统 真空系统 淬火系统 液压系统 空压系统 外围辅助 数据采集Temperature Force stroke L‐gauge C‐gauge Dilameter 用户操作界面控制柜 桌面电脑打印机 热电偶焊接……… 编程软件 数据分析处理 为了保证试样在加热过程中不被氧化，必须对试验的腔体抽高真空，或采用氦、氩等惰性保护气体 1.1.6 压缩空气系统 压缩空气Gleeble试验环境中共有三个作用：气动阀、淬火气压源、空气锤 1.1.7 电源系统 对外部输入电压进行变压。提供各系统所需的不同电压 1.2 数据采集系统 1.2.1压力传感模块 测压模块用来测量试样的受力情况，变量“FORCE”。测压元件在右侧Jaw的固定位置。试样受力时由于机械原因存在一定的摩擦力，微小的摩擦力在一般试验中可以完全忽略。在某些膨胀、低力等试验中摩擦力有影响，有很多方法减少摩擦力。必要时卸下导向杆以减小摩擦力非常有效。本系统力传感器的精度为全量程的１％。 1.2.2位移传感器和模型 位移传感器安装在液压油缸的背后，变量名称STROKE。有120mm的测量范围，主要测量机械主轴的运动。当使用Stroke测量试样长度变化时，测量还包括机器昀大形变。负载越高，机器的形变变化越大。因此不推荐使用位移传感器测量微小的应变。 1.2.3 Jaw传感器和模型 Jaw传感器用来测量两个Jaw之间的间距变化，变量名称L‐Gauge，测量范围± 12.5mm。特殊的安装位置消除了机械主轴的等误差因素，较Stroke数据更真实有效。但传感器测量的数据也包含Jaw的机械变形，以及不同温度区间的变形。因此，不建议用Jaw传感器测量试样的弹性模数等。 1.2.4 热影响区L应变传感器和模型 热影响区L应变传感器测量试样热影响区内的长度变化，因为测量数据中完全消除了机械变形或不同温度区间的干扰。其很适合弹性特性的测量，比如不同温度下的弹性系数和屈服应力。测量范围± 2.5mm。Gleeble系统有两类热影响区传感器。一种是LVDT（线性差分）传感器，其适合拉伸断裂的变形量测量，测量长度可以调整为10或25mm，总的位移距离是25mm。还有一种是应变类型传感器，根据不同的初始长度和拉伸变化量有三种可选模式。应变类型传感器更适合弹性特性的测量。交大只配备了第一种传感器。 1.2.5 C－Gauge 传感器和模型 C‐Gauge传感器用来测量试样的径向变化，或宽度的变化，量程±５mm。变量名称C‐Gauge，常用此项计算张力。测量中直径的变化需在传感器测量范围之内。 需要注意的是，C‐Gauge测量的数据用于反馈控制时（如张力控制），如果直径的变化超出C‐Gauge传感器的测量范围时，系统会失控。因此，C‐Gauge的零点位置必须合理地判断，来确保试样直径变化的极限值在测量范围之内。 C‐Gauge的弹力是可调整的。如果弹力太大，C‐Gauge可能会在高温时挤入试样表面。相反，弹力过小可能导致测试中传感器可试样上脱落。试样在高温环境下时间较长，传感器部分必须要被屏蔽或制冷以保护传感器不受加热试样的热辐射的影响。 使用C‐Gauge数据作为反馈控制信号，编程时必须注意。一种方式是调用STROKE LIMIT参数，用来限制昀大位移压力，用来防止Jaw损坏C‐Gauge传感器。还有一种方式是调用UNICOMPRESSION参数，此时位移只能在压缩方向运行。张力测试时，可以调用UNITENSION参数使Stroke只在拉伸方向运动。需要注意的是，在关闭UNICOMPRESSION和UNITENSION时，Stroke的必须清零，否则机械轴会快速运动以保证系统Stroke值归零。 1.2.5 CCT膨胀计和模型 当用膨胀的方法研究相位变化时，CCT膨胀计的数据更精确。其测量值±２.５mm，灵敏度 是C‐Gauge的10倍左右。所以CCT膨胀计可以轻松地捕捉膨胀信号。然而，考虑到CCT的测量范围小，使用CCT测量变形时的相变时，必须考虑直径变化范围。 1.3 用户操作界面 1.3.1 用户编程 QuikSim是面向用户的编程界面，通过这个界面，可以很轻松地进行Gleeble编程和控制。QuikSim提供三种编程方法。 表格编程：电子表格形式的编程环境，也是Gleeble昀普通的编程方式。 变形控制编程：（HDS），多用于液压楔，用于连轧等多道次轧制的控制编程 焊接热模拟编程：（HAZ），用户焊接模拟时，热循环曲线的控制编程。 Gleeble脚本编程：（GSL），弹性较大，直接面向机器的语言 同时，QuikSim还提供了控制系统和数据分析软件之间的转换，使得实验过程更加流畅。 1.3.2 数据处理软件 Origin是Gleeble系统的数据处理软件。Origin提供了很多数学模型，这些模型使得数据分析更加快捷。比如其中的Lab‐Talk语言，可以自动分析模拟中的特征点。Origin可以载入每次测试的数据，并且快速产生任意区域的样点曲线，允许对每个测试点快速浏览。同时Origin还可以生成精美的曲线或图形文件。 此外，DSI还以Origin为基础，研发了CCT软件，专门用于CCT、TTT等相变点相关的数据分析。 1.3.3 控制柜 控制柜下方的诸多按钮，可以实现设备的开启、关闭、急停、液压、真空、空气锤、淬火等基本操作。 控制柜上方的显示屏可分为四部分。第一部分滚动显示所有系统信息，系统错误或操作错误时（如热电偶极性相反），也会在此窗口显示。第二部分显示温度、压力、位移等信息。第三组数据显示系统状况如真空值、真空泵工作状态、加热能量变化等。第四组窗口显示安全相关的信息，如水流、外围设备连接、试验腔体的安全。任何一项数值指标为红或者黄时，系统均不能正常工作。 显示屏两边是10个可调的VPM（Virtual Panel Meters）旋钮。VPM位于控制柜上方面板，既可以显示实时的实验信息，可以根据需要手动调节VPM数据。VPM显示数据类型如 STROK、FORCE、C‐GAUGE、WEDGE、JAWS、CONTROLTEMP、MACHMODE、L‐GUAGE等。 2、主要单元及功能、设备极限参数 2.1 工控柜 立式的工控机是整个系统的核心，控制整个系统负责设备开/关、拉/压等所有的基本操作。用户在桌面电脑编程后传送到工控机，由工控机发出执行指令控制各个单元，确保了整个设备的可靠运行。并收集各个感器同步数据、反馈回桌面电脑。 2.2 负载单元Load Unit 主机负载单元。主要负责机械执行、安全保护、循环水分配和电力供应。 2.3 通用单元Pocket Jaw MCU 可以进行焊接、普通拉/压、相变点研究、熔融态相关、应变等的基本试验，昀常用的MCU单元。 2.4 液压楔单元 Hydrawedge MCU,液压楔移动单元。用于应变速率较快的单道或多道次压轧。常用于进行轧制模拟、流变应力、应力应变曲线等的研究。需要进行相关试验时，先把通用单元拆下，装上液压楔 2.5 外围辅助单元 水冷机组：提供内循环冷却水 真空机组：抽取真空 液压泵：提供稳定液压 空压机：提供压缩空气 2.6 其他可更换组件 为满足不同的试验，DSI专配了很多不同用途的组件。如： 2.6.1 淬火供给单元 2.6.2 各种淬火、退火组件 标准淬火 ISO‐Q淬火 2.7 低力、零强组件 低力组件 零强 2.8 流变应力、平面应变组件 流变应力 平面应变 3、主要夹具及其使用、自由跨度概念和应用 在介绍夹具（Grip）、自由跨度（Free Span）之前，先大概了解一下Gleeble的加热方式：电阻式加热 如图：采用圆棒形试样，两端开螺纹并装螺母便于受力拉伸，然后用两对梯形夹具Grip夹紧固定。两边的Grip分别为两个电极，通过Grip和试样的接触面，通电使试样升温加热。试样的中心点焊一组热电偶，用于测量试样中心温度。 为了方便冷速的研究我们定义：试样处于两端Grip之间的距离即为有效的自由跨度（Free Span）。 在实际试验中，为了保护设备在高温时不被烧损，夹具两端需引入冷却循环水。所以试样中心热电偶位置温度极高，而两端的夹具处温度略低，在整个Free Span区域形成一个山坡形的温度梯度，如下图： 根据不同的试验需求，可以通过更换不同导热性能的夹具（铜/不锈钢）、增减夹具和试样的接触面积、改变自由跨度的大小、等方法得到不同的温度梯度。 根据试验意图选择不同的Grip。铜Grip和热不锈钢Grip昀常用。根据试样形状不同，大致有以下几种Grip。 常见铜Grip： 直径10mm全接触圆形Grip 直径10mm半接触圆形Grip