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摘 要 热裂倾向是金属材料的重要成型性能，定量测定铸造合金的热裂抗力是材料成型及控制专业学生需要掌握的基本技能。采用测力传感器进行收缩力采集，选用合适的数字记录仪，对接口及信号进行匹配，研制数字化热裂倾向测试仪。对其进行实验验证，改进后的测试仪操作简单，数据记录可读性强，准确度高，取得良好的实验效果。
关键词 材料成型及控制专业；热裂倾向实验；数字化热裂倾向测试仪；无纸记录仪
中图分类号：G642.423 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2018）22-0112-03
Abstract The thermal crack tendency is an important forming pro-perty of metal materials. It is a basic skill for the students of Material Forming and Control Engineering to test the thermal crack resistance quantitatively. In this paper， the contractile force was obtained by a force sensor. An appropriate paperless recorder was used to match with the equipment interface and signal in the process of experiment. And then， the digital thermal crack test system was designed. In order to examine the test system， a series of experiments were taken. It’s showed that the improved equipment can be used conveniently. What’s more， the experimental data can be obtained much more easily and exactly. In a word， a better experimental result can be ac-quired by the improved tester.
Key words material forming and control； experiment of thermal crack tendency； digital thermal crack tester； paperless recorde
1 前言
熱裂倾向是金属材料的重要成型性能，由热裂倾向引起的热裂纹也是铸造生产中严重的缺陷之一[1]。因此，合金热裂倾向的测试对学生直观认识材料成型性能，对铸造生产，有着重要意义。国内高校热裂倾向实验大多采用双试棒合金热裂—线收缩测试仪，在数据记录与处理方面存在操作烦琐、灵敏度低和可读性差等缺点。本文在ZQS-2000型热裂测试仪[2]的基础上，对其进行数字化改进：采用测力传感器进行收缩力采集，选用合适的数字记录仪对接口及信号进行匹配，研制数字化热裂倾向测试仪。对其进行实验验证，改进后的测试仪操作简单，数据记录可读性强，准确度高，取得很好的实验效果。
2 测试系统设计
热裂测试工位及其工作原理 如图1所示的热裂测试工位是采用临界载荷法的方式测量铸造合金热裂抗力，从而反映合金热裂倾向的大小。为了保证测量过程中仅有沿拉压传感器轴线方向的单向应力，在造型时需将砂箱固定在基座上，并在基座上造型。合金液经直浇道进入型腔后，靠近直浇道一端的合金液将锁紧螺纹销包裹，靠近夹紧螺栓一端的合金液将连接件包裹，从而在金属液凝固后能够很好地与仪器的固定端连接。
另一方面，铸型中的合金在凝固冷却过程中会出现收缩的现象。因此，在合金凝固收缩时会受到外界的阻碍，从而产生横向拉应力，若该力超过合金的强度，则会产生热裂纹。在测试过程中，合金由于受阻收缩产生的外应力经连接件、冷却水池等部件传递到测力传感器，从而得到合金冷却过程中的受阻收缩应力。测试工位测力传感器的型号为CL-YB-13，其参数如表1所示。
无纸记录仪选用 无纸记录仪是以时间为基轴，把通过传感器等部件采集的数据以及记录仪内部运算的数据记录在仪器内部的存储系统中，并且在此过程中不消耗如纸张、笔墨等记录器材。记录在仪器中的数据通过运算、模拟之后显示在液晶显示屏上。本课题主要将无纸记录仪的显示屏、ADC分辨率以及存储方式等三个主要参数作为选型标准，最终选择XSR90专用彩色无纸记录仪。
XSR90彩色无纸记录仪配置了分辨率为640×480点（横×竖）的TFT彩色液晶显示屏，实验所测数据均可在显示屏上进行实时棒状图显示、数字显示和曲线显示，并且可以在总貌画面下同时显示并检测所有测量数据。ADC分辨率具有分辨量化最小信号的能力，通常选用12位ADC芯片（分辨率0.025%）。XSR90彩色无纸记录仪将所得数据自动存储在内部存储器上，并可通过转存数据操作将数据拷贝至移动存储器。XSR90的内部存储容量为4 GB，并且最大支持32 GB容量的移动存储设备[3]。
除了上述三个主要选型标准之外，XSR90在测量、显示、存储和报表功能方面也有明显的优势。根据可靠性工程的设计准则，结合最新的数字技术以及多年的工控产品设计生产经验，XSR90记录仪具有可靠性高、寿命长、现场适应能力强、功能强大和操作方便等特点。除此之外，该无纸记录仪还具有信号万能输入、精度高、低温漂、抗干扰能力强以及显示分辨率高的特点。
测试工位改进 原有热裂测试系统在工作时，由测力传感器和数显调节仪分别进行数据测量和显示，数据可读性较差。通过对热裂测试仪进行优化改进，使得实验中测得的热裂抗力值与温度能够一一对应地显示，从而提升了测量结果的准确性和可读性。在原测试系统基础上，选用XSR90彩色无纸记录仪与数显调节仪并联，通过测力传感器将力信号转变为电信号，再经数显调节仪，将电信号放大并稳定，最终在彩色无纸记录仪上显示具体数值或曲线变化情况；温度则直接通过热电偶转换为相应的信号量，并在彩色无纸记录仪上显示出具体数值。图2为测力传感器与彩色无纸记录仪的连线简图。 3 实验验证
选用的合金是牌号为ZL203的铝铜合金。熔炼时，将石墨坩埚（含材料）放入井式电阻炉中，设置温度为300 ℃，预热2 h（此过程的主要目的是去除炉内和材料上的水分等易在铝合金中产生氢气的有害物质）；随后即可将温度调到700 ℃，让铝合金在此温度下熔化，为浇注做准备。浇注前，需对铝液进行除气、扒渣处理。
实际测试前，对测试系统上的拉压传感器和热电偶进行校准标定，同时对无纸记录仪的参数进行设置。在实验验证过程中，选用无纸记录仪的第1、2通道分别记录热裂抗力信号和温度信号。通道1中的输入信号项设置为K偶，量程上限和量程下限分别为2000和-1000，零点修正为0，滤波常数设为02。通道2測量温度信号，输入信号设置为K偶，量程上限和量程下限分别为800和0，滤波常数为01。
待无纸记录仪各通道数据区域稳定时，将保温700 ℃的铝合金液浇注到测量工位。在合金液在型腔中冷却过程中，时刻观察无纸记录仪上热裂抗力和温度变化情况，待记录仪上的温度示数接近100 ℃，便可结束记录，紧接着进行落砂清理工作，随后便可初步观察铸件上是否存在热裂纹缺陷。
图3是ZL203铝合金的温度与热裂抗力的曲线关系图。从图3可以看出，合金液进入铸型，在凝固初期产生的热裂抗力几乎为0；当热裂抗力曲线到达a点，对应时间为100 s，此时铸件内部开始产生应力，并逐渐增大，结合温度曲线，铸件内部开始产生应力时的温度约为560 ℃；当温度降低到385 ℃左右，热裂抗力曲线在上升到256 N，在b点出现明显的拐点。由此可推断，铸件在此处有微裂纹产生，从而引起应力释放，导致热裂抗力曲线出现拐点。结合时间轴，可以看出该合金自浇注到产生热裂倾向的时间约为430 s。
4 结语
将数字化热裂倾向测试仪应用在材料成型及控制专业本科实验教学中，结果表明，改进后的测试仪操作简单，数据记录可读性强，准确度高。通过运用数字化、可视化先进设备，学生可以动态观察合金收缩应力的变化及热裂的形成，加深对热裂形成机理的认识，提高动手能力，取得很好的实验效果。
参考文献
[1]石磊，郑洪亮，田学雷.铸造Al合金热裂性能的研究进展[M]//第五届中国环渤海经济区铸造论坛论文集.2013：1-17.
[2]陈光昀，刘旭麟，金蕴琳，等.ZQS-2000型双试棒合金热裂：线收缩仪的设计及试验研究[J].铸造，1988（1）：13-19.
[3]周建.无纸记录仪的原理及其选型[J].石油化工自动化，2001（6）：42-44，46.
关键词 材料成型及控制专业；热裂倾向实验；数字化热裂倾向测试仪；无纸记录仪
中图分类号：G642.423 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2018）22-0112-03
Abstract The thermal crack tendency is an important forming pro-perty of metal materials. It is a basic skill for the students of Material Forming and Control Engineering to test the thermal crack resistance quantitatively. In this paper， the contractile force was obtained by a force sensor. An appropriate paperless recorder was used to match with the equipment interface and signal in the process of experiment. And then， the digital thermal crack test system was designed. In order to examine the test system， a series of experiments were taken. It’s showed that the improved equipment can be used conveniently. What’s more， the experimental data can be obtained much more easily and exactly. In a word， a better experimental result can be ac-quired by the improved tester.
Key words material forming and control； experiment of thermal crack tendency； digital thermal crack tester； paperless recorde
1 前言
熱裂倾向是金属材料的重要成型性能，由热裂倾向引起的热裂纹也是铸造生产中严重的缺陷之一[1]。因此，合金热裂倾向的测试对学生直观认识材料成型性能，对铸造生产，有着重要意义。国内高校热裂倾向实验大多采用双试棒合金热裂—线收缩测试仪，在数据记录与处理方面存在操作烦琐、灵敏度低和可读性差等缺点。本文在ZQS-2000型热裂测试仪[2]的基础上，对其进行数字化改进：采用测力传感器进行收缩力采集，选用合适的数字记录仪对接口及信号进行匹配，研制数字化热裂倾向测试仪。对其进行实验验证，改进后的测试仪操作简单，数据记录可读性强，准确度高，取得很好的实验效果。
2 测试系统设计
热裂测试工位及其工作原理 如图1所示的热裂测试工位是采用临界载荷法的方式测量铸造合金热裂抗力，从而反映合金热裂倾向的大小。为了保证测量过程中仅有沿拉压传感器轴线方向的单向应力，在造型时需将砂箱固定在基座上，并在基座上造型。合金液经直浇道进入型腔后，靠近直浇道一端的合金液将锁紧螺纹销包裹，靠近夹紧螺栓一端的合金液将连接件包裹，从而在金属液凝固后能够很好地与仪器的固定端连接。
另一方面，铸型中的合金在凝固冷却过程中会出现收缩的现象。因此，在合金凝固收缩时会受到外界的阻碍，从而产生横向拉应力，若该力超过合金的强度，则会产生热裂纹。在测试过程中，合金由于受阻收缩产生的外应力经连接件、冷却水池等部件传递到测力传感器，从而得到合金冷却过程中的受阻收缩应力。测试工位测力传感器的型号为CL-YB-13，其参数如表1所示。
无纸记录仪选用 无纸记录仪是以时间为基轴，把通过传感器等部件采集的数据以及记录仪内部运算的数据记录在仪器内部的存储系统中，并且在此过程中不消耗如纸张、笔墨等记录器材。记录在仪器中的数据通过运算、模拟之后显示在液晶显示屏上。本课题主要将无纸记录仪的显示屏、ADC分辨率以及存储方式等三个主要参数作为选型标准，最终选择XSR90专用彩色无纸记录仪。
XSR90彩色无纸记录仪配置了分辨率为640×480点（横×竖）的TFT彩色液晶显示屏，实验所测数据均可在显示屏上进行实时棒状图显示、数字显示和曲线显示，并且可以在总貌画面下同时显示并检测所有测量数据。ADC分辨率具有分辨量化最小信号的能力，通常选用12位ADC芯片（分辨率0.025%）。XSR90彩色无纸记录仪将所得数据自动存储在内部存储器上，并可通过转存数据操作将数据拷贝至移动存储器。XSR90的内部存储容量为4 GB，并且最大支持32 GB容量的移动存储设备[3]。
除了上述三个主要选型标准之外，XSR90在测量、显示、存储和报表功能方面也有明显的优势。根据可靠性工程的设计准则，结合最新的数字技术以及多年的工控产品设计生产经验，XSR90记录仪具有可靠性高、寿命长、现场适应能力强、功能强大和操作方便等特点。除此之外，该无纸记录仪还具有信号万能输入、精度高、低温漂、抗干扰能力强以及显示分辨率高的特点。
测试工位改进 原有热裂测试系统在工作时，由测力传感器和数显调节仪分别进行数据测量和显示，数据可读性较差。通过对热裂测试仪进行优化改进，使得实验中测得的热裂抗力值与温度能够一一对应地显示，从而提升了测量结果的准确性和可读性。在原测试系统基础上，选用XSR90彩色无纸记录仪与数显调节仪并联，通过测力传感器将力信号转变为电信号，再经数显调节仪，将电信号放大并稳定，最终在彩色无纸记录仪上显示具体数值或曲线变化情况；温度则直接通过热电偶转换为相应的信号量，并在彩色无纸记录仪上显示出具体数值。图2为测力传感器与彩色无纸记录仪的连线简图。 3 实验验证
选用的合金是牌号为ZL203的铝铜合金。熔炼时，将石墨坩埚（含材料）放入井式电阻炉中，设置温度为300 ℃，预热2 h（此过程的主要目的是去除炉内和材料上的水分等易在铝合金中产生氢气的有害物质）；随后即可将温度调到700 ℃，让铝合金在此温度下熔化，为浇注做准备。浇注前，需对铝液进行除气、扒渣处理。
实际测试前，对测试系统上的拉压传感器和热电偶进行校准标定，同时对无纸记录仪的参数进行设置。在实验验证过程中，选用无纸记录仪的第1、2通道分别记录热裂抗力信号和温度信号。通道1中的输入信号项设置为K偶，量程上限和量程下限分别为2000和-1000，零点修正为0，滤波常数设为02。通道2測量温度信号，输入信号设置为K偶，量程上限和量程下限分别为800和0，滤波常数为01。
待无纸记录仪各通道数据区域稳定时，将保温700 ℃的铝合金液浇注到测量工位。在合金液在型腔中冷却过程中，时刻观察无纸记录仪上热裂抗力和温度变化情况，待记录仪上的温度示数接近100 ℃，便可结束记录，紧接着进行落砂清理工作，随后便可初步观察铸件上是否存在热裂纹缺陷。
图3是ZL203铝合金的温度与热裂抗力的曲线关系图。从图3可以看出，合金液进入铸型，在凝固初期产生的热裂抗力几乎为0；当热裂抗力曲线到达a点，对应时间为100 s，此时铸件内部开始产生应力，并逐渐增大，结合温度曲线，铸件内部开始产生应力时的温度约为560 ℃；当温度降低到385 ℃左右，热裂抗力曲线在上升到256 N，在b点出现明显的拐点。由此可推断，铸件在此处有微裂纹产生，从而引起应力释放，导致热裂抗力曲线出现拐点。结合时间轴，可以看出该合金自浇注到产生热裂倾向的时间约为430 s。
4 结语
将数字化热裂倾向测试仪应用在材料成型及控制专业本科实验教学中，结果表明，改进后的测试仪操作简单，数据记录可读性强，准确度高。通过运用数字化、可视化先进设备，学生可以动态观察合金收缩应力的变化及热裂的形成，加深对热裂形成机理的认识，提高动手能力，取得很好的实验效果。
参考文献
[1]石磊，郑洪亮，田学雷.铸造Al合金热裂性能的研究进展[M]//第五届中国环渤海经济区铸造论坛论文集.2013：1-17.
[2]陈光昀，刘旭麟，金蕴琳，等.ZQS-2000型双试棒合金热裂：线收缩仪的设计及试验研究[J].铸造，1988（1）：13-19.
[3]周建.无纸记录仪的原理及其选型[J].石油化工自动化，2001（6）：42-44，46.