资源描述：
《材料热变形行为及测试方法》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。
1、2002年12月安徽大学学报(自然科学版)December2002第26卷第4期JournalofAnhuiUniversityNaturalScienceEditionVol.26No.4材料热变形行为及测试方法李桂华,陈忠桂(安徽大学电子工程学院,安徽合肥230039)摘要:精密机械零件的受温变形一般是用热膨胀的概念来解释和补偿,而热膨胀系数的不确定性直接影响着补偿的精度。为此,利用一套由机、电、光等设备组成的能够控温、测温及测量几何参数的高精度测量系统,对球体的主要几何参数在5-45℃范围内进行受温变形研究,发现球体直径的热变形系数与形体边界
2、条件无关,认为以球体直径的热变形系数作为材料热膨胀系数的新定义更合理、更精确。关键词:热变形系数;热膨胀系数;边界条件;温度中图分类号:TK123文献标识码:A文章编号:1000-2162(2002)04-0076-050引言随着现代超精加工和高精度测试的发展,由温度变化引起的测量误差已到了不容忽视的地步。通常采取的对策是严格控制加工、测试及使用时的环境条件,使他们温度一致或是对受温变形进行补偿和修正以提高精度。实现前者往往要花费很大代价有时甚至无法实现,而后者即根据材料的线膨胀系数а,温度变化量△t,原尺寸长度L,按一定的公式[1]计算出补偿量。
3、可见线膨胀系数的准确性直接影响到补偿的精度。热膨胀规律的理论[2]研究由来已久,从18世纪以来就被很多科学家关注。随着温度测量精度的提高,研究高精度的热膨胀系数及热变形规律已成为可能,必将为精密零件的热变形建立可靠的理论基础。1热膨胀系数和热变形系数1.1热膨胀系数传统的定义材料线膨胀系数为标准杆件在温度每变化一个单位时其长度的改变[3]量。显然,这对形体特异的非细长杆件不具有普遍性,致使实际的线膨胀系数值有较大的偏差。例如某台精密仪器中的<20H/h相同材料的孔轴配合,在常温时为间隙很小的动配合,而当温度下降到5℃时,却变为过渡配合了。按常规两者
4、为同一尺寸同一材料,[1]其收缩量应相等,所以配合性质不会发生改变,而研究事实却与此相反。可见热膨胀系数与零件的实际形状有关。为此,本文提出热变形系数的概念。1.2热变形系数与定义热膨胀系数相似,定义热变形系数为零件形体几何参数在温度每变化一个单收稿日期:2002-09-25基金项目:安徽省优秀青年科技基金资助项目(01080414).作者简介:李桂华(1971-),女,安徽肥东人,安徽大学讲师,合肥工业大学在职博士生.©1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrights
5、reserved.http://www.cnki.net第4期李桂华,等:材料热变形行为及测试方法77位时其尺寸的变化量。即X2-X1ΔXλt1,t2==(1)X0(t2-t1)X0Δtx2-x1dx或λt=lim=(2)t→tx0(t2-t1)x0dt12其中λt,t-为t1,t2温度间的平均热变形系数12λt-为t温度时的热变形系数x1,x2-为t1,t2温度时形体某几何参数的尺寸x0-为标准温度t0时的尺寸由上式可知热变形系数不仅为温度的函数,也为该零件其他相关尺寸的函数,由于它考虑到形体边界条件的影响,因而具有更广泛的适用性。当用实验方法精
6、确测得λt,t时,12就可利用下式精确地求得变形量,而无须依赖于传统的存在较大偏差的热膨胀系数α。xt=xo[1+λt,t(t-20℃)](3)121.3材料热膨胀系数的新定义虽然可用实验方法测得每种形体的热变形系数,但对同一种材料,其材料的热膨胀系数应为定值,不应与材料的形状有关,而传统的以标准杆件的热膨胀系数作为组成杆件材料的热膨胀系数是不准确的,存在较大的误差。为此应重新定义材料热膨胀系数。这里定义材料的热膨胀系数为:球体在温度每变化一个单位时其直径的变化量,即球体直径方[4]向的热变形系数。对各向同性材料的球体,设温度t时,球体的直径为Dt
7、,体积为Vt;温度t0时,体积为Dt-D0Vt-V0V0,直径为D0。令直径的平均变形系数λ=,平均体膨胀系数β=。D0(t-t0)V0(t-t0)则:1313D-D03Vt=πDt=πD0[1+(t-t0)]44D0(t-t0)3=V0[1+λ(t-t0)]2233=V0[1+3λ(t-t0)+3λ(t-t0)+λ(t-t0)]232∴β=3λ+3λ(t-t0)+λ(t-t0)(4)对各向同性材料而言,上式中的第三项很小,可以忽略,于是有:β≈3λ[1+λ(t-t0)](5)-6-52一般情况下λ,在10-10数量级,而t-t0在10-10数量级
8、∴λ(t-t0)n1(6)则式(4)可进一步简化为:β=3λ(7)[5]CvXt根据格律乃森关系公式:β=3α=γ(8)V
