您所在位置： &
&nbsp&&nbsp&nbsp&&nbsp
基于ANSYS软件对电渣熔铸中钢锭热应力场的模拟的研究.pdf81页
本文档一共被下载：
次 ,您可全文免费在线阅读后下载本文档。
文档加载中...广告还剩秒
需要金币：200 &&
你可能关注的文档：
··········
··········
南昌航空工业学院硕士研究生毕业论文 摘 要 电渣熔铸工艺是一种典型的近净成型技术，是生产优质高性能机械零件的
新方法。由于熔铸钢锭温度场分布不均匀，导致了热应力的产生，这对钢锭的
形状，尺寸精度和使用性能有很大影响，因此，了解熔铸钢锭中温度场和应力
场的分布对电渣熔铸工艺参数的选择和钢锭质量的提高具有现实意义。但目前
还几乎无法直接测量熔铸钢锭中应力分布，因而采用数值模拟方法研究电渣熔
铸钢锭应力场具有重大意义。 本文首先利用能量守恒定律及弹塑性理论建立了符合实际的电渣熔铸系统
热应力场的物理模型和数学模型，借助大型通用有限元分析软件ANSYS ，对电
渣熔铸钢锭的温度场和应力场进行了模拟研究，以了解熔铸钢锭温度场和应力
场特点，模拟结果表明：电渣熔铸钢锭轴向应力为拉应力，由上而下、由内而
外应力值逐渐增大，且自上而下遵循对数函数关系 S a ln d -b；同一截面周
向应力是拉应力，而在同一截面的径向应力则是由内而外逐渐由受压应力转变
为受拉应力，且由里而外逐渐变大；三个应力分量的共同作用使得钢锭下底部
应力最大，容易在此处产生裂纹。此外，本文还讨论了电制度、渣制度以及水
冷却制度等因素对电渣熔铸钢锭热应力场的影响，并在此基础上对 ANSYS
件进行了二次开发，大大提高了其在电渣熔铸系统模拟研究中的使用效率。
关键词：电渣熔铸 数值模拟 温度场 应力场 ANSYS 软件 I 南昌航空工业学院硕士研究生毕业论文 ABSTRACT Electroslag casting is one kind
of typical net shape technology, and is the new
method of production high quality and high performance machine parts. The thermal
正在加载中，请稍后...您所在位置： &
&nbsp&&nbsp&nbsp&&nbsp
铸钢件三维热应力场数值模拟技术的研究.pdf63页
本文档一共被下载：
次 ,您可全文免费在线阅读后下载本文档。
文档加载中...广告还剩秒
需要金币：200 &&
你可能关注的文档：
··········
··········
中北大学学位论文 铸钢件三维热应力场数值模拟技术研究 摘 要 对铸件凝固过程热应力场进行数值模拟，预测和分析了铸件裂纹、变形及残余应力，
为优化铸造工艺、控制缺陷、保证铸件尺寸精度及稳定性、提高铸件质量提供了科学依
据。 本文总结了铸件凝固过程应力场数值模拟研究的发展状况，。以及数值计算方法与模
拟软件的应用趋势。根据铸造过程热、应力场特性，建立了铸件凝固过程中凝固以后阶
段热弹塑性模型本构方程，并对铸件／铸型边界条件、材料高温力学性能参数取值作了
全面分析，确定采用间接法进行热应力计算。 选取大型有限元分析软件ANSYS进行热应力场数值模拟研究。考虑了材料性能随温
度变化的特性，采用菲线性分析。基于温度场求解时对材料热物性参数取值、初始条件、
边界条件、潜热等处理原则，对应力框、高脚杯形件和水轮机叶片铸件进行了应力计算
分析。应力框的模拟结果和定性的理论分析相同：利用分块模型化的特点，选取高脚杯
形件八分之一模型进行应力分析，结果显示出现应力集中部位与实际吻合；考虑到不同
网格模型对模拟结果的影响，采用粗细两种网格对轴流式水轮机叶片进行残余应力计算
分析，模拟结果中产生应力集中的部位和相关资料报道相同。 对凝固过程应力场数值模拟研究是本文的研究重点。本文运用数值模拟方法对铸件
进行应力应变研究，为CASTSoft软件的应力场模拟提供了～种新方法。
关键词：铸件凝固过程，热应力场，数值模拟，ANSYS，残余应力 中北大学学位论文 onNumerical of3-DThermalStressFields Study Simulation of SolidificationProcess Steel Castingsduring Abstract Thenumerical
of stressfields simulationthermal processCa
正在加载中，请稍后...& & & & & & & & & &
扫一扫有惊喜
您所在的位置： &
& 基于数值模拟的LED键合线热应力分析
基于数值模拟的LED键合线热应力分析
来源：深圳市瑞丰光电子股份有限公司
责任编辑：：裴小明 张丽 游志
有 53 人浏览 日期：
文章摘要：　　摘要：LED(Light-Emitting-Diode )以其高光效、低功耗的绿色节能优越性，成为新时期下的主流光源。目前LED主要依赖于引线键
　　摘要：LED(Light-Emitting-Diode )以其高光效、低功耗的绿色节能优越性，成为新时期下的主流光源。目前LED主要依赖于引线键合(Wire-Bonding)的方式将芯片电极与基板互连实现电气连接，而键合线往往在冷热冲击试验过程中出现断裂问题，导致LED死灯失效，严重影响了LED的可靠性。本文针对这一问题，通过有限元数值分析，通过加载周期性的温度载荷模拟LED键合线在冷热冲击下受到的热载荷，分析了LED键合线在该热载荷条件下的应力分布情况，并探讨了不同引线线弧模式对键合线热应力的影响，为LED引线键合的工艺优化提供了参考。
　　LED是一种直接将电能转化为光能的半导体光源，具有节能、环保、安全、寿命长、低功耗等特点，广泛应用于指示、显示、装饰、背光源、普通照明等领域[1]。其芯片与基板之间通常采用引线键合进行电气连接，即通过热、压力、超声波等能量使金属引线与被焊焊盘发生原子间扩散互溶，实现芯片电极-键合线-基板彼此之间的键合连接。
　　在LED的生产制造中，为了解、评价、分析和提高LED的环境适应性，常对LED进行相关可靠性试验[2]，冷热冲击试验即为其中一种。该实验通过对LED施加周期性瞬变的冷热温度循环，试验其所能承受的因热胀冷缩所引起的化学变化或物理伤害。在该试验中，LED键合线常成为其中的薄弱部位，其在试验中的断线与否对LED可靠性起着关键性作用。
　　为了了解LED键合线在冷热冲击试验下的断裂机理，本文从材料的热应力基础理论出发，构建冷热冲击条件下的LED键合线模型，并通过有限元数值模拟对键合线的热应力进行计算分析，进而确认键合线热应力分布情况及影响热应力的相关参数。
　　1 热应力基础理论
　　热应力又称温变应力。产生热应力的必要条件是存在温差，当温差引起的结构形变受到约束时即可产生热应力。约束有三种形式，即外部刚性约束、内部各部分之间变形约束以及不同材料之间的相互变形约束。对于LED而言，冷热冲击条件下，LED受到周期性的热胀冷缩，各材料之间热膨胀系数不同又相互约束，因此在各材料界面，极易产生应力集中。
　　根据线性热应力理论，微元体的总应变由两部分组成：一部分由温度变化引起，另一部分由应力引起，即：
　　&=&E+&T
　　根据传热学原理，一维等截面杆由温度产生的结构形变(即热应变&T)为：
　　&T=?ll=&T?T
　　其中，&T-材料线膨胀系数，?T-温差，l-一维方向初始长度，?l-长度变化。
　　对于各向同性的三维结构，以上应变在各个方向均相同，但并不产生剪应变，即存在：
　　&xT=&yT=&zT=&T?T
　　gxyT= gxyT= gxyT=0
　　因此，平面结构(即&zT=0时)的热应变为：
　　&T=&xT,&yT,&zTT=&T?T110T
　　而弹性应变是由应力引起的：
　　所以在存在热应变的情况下，结构物理方程为：
　　&=D&E-&T=DBqe-&T
　　式中，D-计算平面应力问题的弹性矩阵，B-应变矩阵。根据弹性力学公式：
　　Fe=BT&dxdy
　　Fe=BTD&Tdxdy
　　=kEeqe-BTD&T?Tdxdy
　　写成矩阵形式写成：
　　kEeqe=Fe+RTe
　　这里的kEe和Fe是平面应力问题中的单元刚度矩阵和节点力矩阵。
　　RTe=BTD&T?Tdxdy
　　式中RTe是由于温度变化而增加的单元变温等效节点载荷矩阵。
　　通过求解温度方程求出各个节点的温度值以后，就可以求出温度载荷，式中单元的温升可以取各个节点的温升的平均值?T，即：
　　?T=?Ti+?Tj+?Tm3=Ti+Tj+Tm3-To
　　式中Ti、Tj、Tm&计算出的节点温度;
　　To&结构的初始温度
　　将求解域中所有单元的变温等效节点载荷叠加后，形成整个结构的温度载荷阵列，即：
　　RT=e=1nRTe
　　最后，将得到的温度变化RT视为一种温度载荷，并形成温度载荷列阵后，就可以按与静力分析相同的方法求解热变形，则求解热变形的刚度方程为：
　　解上式可以求出结构的热变形q，进而能求出相应的热应力。
　　在冷热冲击过程中，由于LED封装体各部分组件材料的热膨胀系数不同，将产生周期性的膨胀与收缩。键合线会受到不同程度的剪切和拉伸，在键合线三维结构中应力呈多轴状态分布，因而在分析键合线在冷热冲击温度循环条件下的力学行为时，采用表示综合应力强度的等效应力来描述键合线的应力分布状态。
　　基于第四强度理论 Von Mises准则，等效应力用应力张量的分量表示为：
　　&=22&x-&y2+&y-&z2+&x-&z2+6&xy2+&yz2+&xz212
　　式中&&等效应力(Pa);
　　&x&X 方向正应力(Pa);
　　&y&Y 方向正应力(Pa);
　　&z&Z 方向正应力(Pa);
　　&xy&垂直于 X 轴平面的 Y 方向剪应力(Pa);
　　&yz&垂直于 Y 轴平面的 Z 方向剪应力(Pa);
　　&xz&垂直于 X 轴平面的 Z 方向剪应力(Pa)
　　由上述分析可知，对于LED而言，环境温度温差越大、封装材料之间的热膨胀系数相差越大、材料的弹性模量越大，LED受到热应力越大，随着时间增加，材料界面应力集中容易产生疲劳断裂。
　　当赋予LED各封装材料以热力学属性，施加材料的热边界条件，即可由以上各公式对LED三维模型的等效热应力进行分析求解，便可得出热载荷条件下LED各封装材料各位置的等效应力情况。其中，分析求解过程可通过有限元数值模拟求解实现[3-5]。
　　2 有限元数值模拟分析
　　2.1 有限元模型建立
　　本文首先针对实际使用的小电极LED器件模型进行了三维几何构建，如图1所示。其中键合线由芯片电极植球引出，向支架焊盘处实现楔形键合。芯片、支架、键合线、封装胶一一装配约束。
　　图1 LED三维几何模型
　　LED器件模型中的主要材料热力学特性参数如表1所示，包括密度&、热膨胀系数&、弹性模量E、泊松比&和传热系数K。
　　表1 材料特性参数
　　为了求解LED三维模型的热应力，特别是LED键合线的热应力分布，对封装结构进行了有限元网格划分，其中芯片及电极等细微结构部分进行精细化分，如图2所示。
　　图2 LED三维有限元模型
　　以冷热冲击试验条件对LED有限元模型施加温度载荷，如图3所示。高低温温度区间为(-40℃-100℃)，保温时间为30min，升/降温时间为10s，零应力参考温度为25℃。
　　图3 LED有限元模型温度载荷
　　对LED有限元模型中心施以刚性约束，其余部分可自由发生形变。
　　2.2 LED键合线热应力分析
　　从有限元数值分析结果来看，对于小电极LED，在冷热冲击试验条件下，LED各封装材料发生周期性地膨胀与收缩。当温度下降至﹣40℃时， LED各材料发生收缩变形，由于封装胶热膨胀系数明显大于金线，因此键合线受到封装胶收缩产生的向内压应力，如图4所示，键合线线弧呈向内倾倒趋势。
　　图4 -40℃LED键合线压缩变形图
　　键合线线弧内侧最大压应力位于直线段与线弧段的过渡拐点，外侧最大压应力位于直线段与焊球之间的键合点，线弧外侧受到的压应力大于线弧内侧受到的压应力，如图5所示。
　　图5 -40℃键合线线弧压应力分布图
　　当温度上升至100℃时， LED各材料发生膨胀变形，同样由于胶体的膨胀变形较大，对键合线造成向外的拉伸应力，如图6所示，键合线向外侧倾倒。
　　图6 100℃LED键合线拉伸变形图
　　键合线线弧内侧最大拉应力位于直线段与线弧段的过渡拐点，外侧最大拉应力位于直线段与焊球之间的键合点，线弧外侧受到的拉应力大于线弧内侧受到的拉应力，如图7所示。
　　图7 100℃键合线线弧拉应力分布图
　　总体而言，冷热冲击过程中金属线的最大热应力如表2所示。可以看到：LED键合线在100℃高温段受到的热应力最大，应力最大点位于线弧直线段与焊球之间的键合点。
　　表2 冷热冲击过程金属线最大热应力表
　　为了进一步分析该键合点应力最大的原因，我们将键合线拆分为以下几个关键位置点：金属球与小电极的键合点(A点)、直线与金属球过渡点(B点)、线弧任一位置(C点)、弧线与鱼尾过渡点(D点)、鱼尾与支架键合点(E点)，如图8所示。 以各点所在界面为分界面，通过分析界面处应力情况及界面两侧部件受力情况，对界面处的综合受力情况进行分析。
　　图8 键合线关键位置点示意图
　　对各点受温度变化产生的热应力进行逐一比较：A点所在界面为芯片电极、金属球界面。如表1所示，界面处两种材料的热膨胀系数差微小，即可同时进行收缩膨胀，应力较小。另A界面的金球一侧同时受到来自胶体收缩膨胀的切向力，但由于A界面面积较大且为刚性连接面，因此在应力牵扯下应变小，不易断裂。
　　B点所处界面为小直径金属线、大直径金属球界面。当外部环境发生温度变化，界面两侧材料相同，热膨胀系数相同，因此应力主要来源于胶体。相比于A界面，B点界面要小的多，极易出现应力集中尖角，产生极大热应力，冷热反复下出现疲劳断裂。
　　C点界面为金属线与金属线界面，由于界面处及界面两侧空间受力完全一致，且其界面为挠性接触面，金属线不论沿径向还是法向都可与封装胶同步发生伸缩形变，因此相对A、B点应力要显著减小。
　　D点界面为金属线、鱼尾界面，其中金属线与鱼尾部分为刚性连接，且界面面积小，同B点类似，也是应力尖角位置。在小电极LED中，D点金属线平滑过渡到鱼尾，金属线与鱼尾之间的面积差相对较小，因此D点的应力要次于B点的应力，这从图5(b)、图7(b)中也可以看出。
　　E点界面与A点类似，为鱼尾、支架焊盘与封装胶的三界面，虽然鱼尾与支架焊盘存在刚性连接，但界面面积大，受温度变化产生的热应力相对较小。
　　综合来看，在冷热冲击过程中，键合线B点受到的热应力最大，D点次之，C点再次之，A、E两点受到的热应力最小。
　　2.3不同引线线弧模式对热应力的影响
　　键合线线弧通常由直线段和弧线段组成，而不同直线段长度与弧线段高度组成了不同的线弧模式。为了分析不同引线线弧模式对键合线的热应力影响，以冷热冲击下的最大等效热应力作为依据，通过有限元数值模拟，针对不同直线长度和弧线高度作正交计算对比，得到了小电极LED不同引线线弧模式下的最大热应力，如表3所示，以直线长度100mm，弧线高度160mm线弧最大应力值为基准进行归一化处理。
　　表3 不同引线线弧模式下的键合线相对热应力对比表
　　更直观地，从图9中可以看到：存在直线段时，同直线长度条件下，随着弧高的增加，键合线热应力先减小后增大，因此弧线高度存在一最佳值。 无直线段时，随着弧高的增加，键合线的热应力增加。
　　图9 同直线长度不同弧高的键合线热应力
　　从图10中可以看到：同弧高条件下，随着直线长度的增加，键合线热应力先增大后减小。然而在实际制程中，离键合位置较近的材料受高温、超声等影响会发生脆化，在较小应力的条件下同样会发生断裂，因此需一定长度的直线段进行保护。
　　图10 同弧高不同直线长度的键合线热应力
　　综合来看，不同直线长度和弧线段高度所组成的不同引线线弧模式对LED键合线在冷热冲击下所承受的热应力存在影响。匹配优化直线长度和弧线高度，可以有效减小LED键合线热应力，减小键合点位置因长期应力集中造成的疲劳断裂，提高键合线热稳定性，进而提高LED的产品可靠性。
　　3 结论
　　本文从材料的热应力基础理论出发，针对冷热冲击下的小电极LED键合线热应力分布做了数值模拟分析。结论如下：
　　(1)由热应力基础理论模型来看，温差越大、材料的热膨胀系数相差越大、材料的弹性模量越大，LED材料受到热应力越大，随着时间增加，材料界面应力集中容易产生疲劳断裂，因此在LED封装中应着重考虑各封装材料之间的材料匹配性。
　　(2)冷热冲击下，LED引线周期性地受到收缩压应力和膨胀拉应力。对于小电极LED而言，最大应力出现在高温时键合线与焊球之间的过渡位置。
　　(3)不同引线线弧模式对LED键合线的热应力存在影响;对于小电极LED而言，当直线段较短时，随着弧高的增大，热应力逐渐增大;当直线段较长时，随着弧高的增大，热应力先减小后增大。当弧高一定时，随着直线段的增高，热应力先增大后减小，但由于键合点附近材料易脆化，因此需综合考虑以上因素选取最佳直线段长度。。
　　参考文献
　　[1]. 雷玉堂，黎慧 未来的照明光源&白光LED技术及其发展 [J] 光学与光电技术, ):33-34
　　[2]. P Wong，P Albrecht，R Allan，R Billinton et al. The IEEE Reliability Test System-1996. A report prepared by the Reliability Test System Task Force of the Application of Probability Methods Subcommittee [C] Power Systems IEEE Transactions on, ):
　　[3]. 李景涌. 有限元法 [M]. 北京：机械工业出版社,1998:5
　　[4]. ZX Hu，YP Wen，WG Zhao et al. Numerical Simulation of Lightning Location based on Monte Carlo Method[C] International Conference on Management & Service Science-4
　　[5]. 朱旭平，余桂英.功率型LED瞬态温度场及热应力分布的研究 [J] 光电工程, ):132-137
免责声明：
本网站部分内容来源于合作媒体、企业机构、网友提供和互联网的公开资料等，仅供参考。本网站对站内所有资讯的内容、观点保持中立，不对内容的准确性、可靠性或完整性提供任何明示或暗示的保证。如果有侵权等问题，请及时联系我们，我们将在收到通知后第一时间妥善处理该部分内容。
关注照明产业网官方微信账号："zgzmcy",每日获得照明行业最前沿资讯，热点产品深度分析！
&& 关于""的相关资讯热应力 - 搜狗百科
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。
物体不能自由胀缩而产生的应力
解热应力，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。
所谓热应力是指半成品干燥和烧成中由于温差作用而产生的一种应力.热应力源包括升降温过程中砖坯内外及砖坯与环境温差卜来源文章摘要：本文定义了彩釉砖板面细小裂纹的，建立它的．在此基础上阐述了它的形成机理和工艺控制。
(()热应力:凡由于在材料中存在温度差而产生的应力称为热应力.(2)制胎成型应力:在铁胎制造过程中,由于卷板、冲压、组焊等操作所造成的应力来源文章摘要：&正& 质量优良的 搪玻璃设备,其瓷层表面不仅要具有玻化程度适当,光滑平整致密,色泽均匀一致以及无棕孔、泡影,外来固体夹杂物,尤其不能有 裂纹等 缺陷。 但是,事实上,在 搪玻璃设备的烧成过程中,常常会出现各种缺陷,其中瓷层 裂纹是该厂搪玻璃产品中危害最大的一种缺陷。 一段时间以来,在我厂100ol盖的生产过程中,b型小咀r部位和小咀内壁瓷层常出现裂纹,并且裂纹一旦产生,就不能消除,最后只有打瓷返工,造成了大量的人力、物力浪费,并且,严重挫伤了工人的生产积极性。
2热应力的分类和特性:2·1$应力分类玻璃中由于存在温度差而产生的应力统称为热应力.在退火过程中不可避免地会出现 .根据温度梯度的方向,玻璃板厚度方向的温度差所形成的热应力称作端面应力或厚度应力来源文章摘要：浮法玻璃退火的目的是消除或减小玻璃中的热应力。本文从热应力的基本概念出发,分析讨论了热应力的起因、分类和特性,为正确制订浮法玻璃退火规范提供了理论依据。
1.2三维热应力数学模型物体温度变化时,由于它受其他物体或者由于物体内各部分之间的相互约束而产生的应力,称为热应力.引起热应力的根本原因是温度变化.根据线性热应力理论,当物体受外力作用,又受温度作用时,物体内质点就要发生 位移和相应的 应变,并且它们可以进行代数迭加来源文章摘要：建立了铸钢冷却壁的三维传热和热应力的数学模型,采用通用 有限元 软件ansys计算了冷却壁的 温度场和应力场。计算结果表明:冷却水管由圆管改为 椭圆管后,冷却壁热面最高温度和热应力升高不大,为冷却水管由圆形改成椭圆形提供了理论依据,由于椭圆水管截面积减少,就可以减少壁体厚度和大量节约冷却水量,从而达到降低炼铁成本的目的。
从而引起螺栓受力情况的变化通常称为热应力.设系统原来温度为t.现为ti.的 a.连杆大头的线膨胀系数为a来源文章摘要：利用遥测 对工程过程中的连杆螺栓进行 ，并利用自编的螺栓组载荷增分析系统，对实际测定的连杆螺栓动应力时间历程进行定量分析．确定连杆螺栓的实际受力情况，即所受的静应力、动应力、热应力及动应力随内燃机负荷、转速等变化而变化的趋势。该研究为连杆螺栓的改进设计和 提供了依据．为遥测技术的工程应用提供了依据。
第一种原因产生的被称为热应力,第二和第三种原因产生的残余应力被称为固有应力.热应力在蒸发沉积镀膜中表现很突出,但在离子束或沉积镀制的中表现并不明显来源文章摘要：在极紫外光刻技术中 , 光学系统对多层膜光学元件表面面形精度有严格的要求 ,并且多层膜光学元件需要较高的。由于多层膜中存在的 内应力将改变光学元件的表面面形 ,因此在不减少反射率的前提下 ,一定要减少或补偿多层膜内的 残余应力。论述了mo/si多层膜应力产生的原因和几种减少与补偿应力的技术 ,介绍应力的几种测量方法。
火焰加热对钢材性能的影响：钢材加热膨胀迅速冷却到低温收缩所产生的 内应力称为热应力.当热应力大于钢材的 弹性极限时会产生变形火焰矫正就是利用热应力产生变形而得到矫正来源文章摘要：▲扩展受热面 的应用研究燃煤锅炉省煤器磨损是锅炉运行中的一个突出问题，严重影响锅炉的安全性和经济性。据国内不完全统计，锅炉事故占事故的50%左右，其中因 省煤器磨损漏泄而停炉的事故占锅炉事故的45%左右。为了保证锅炉的安全运行，对于燃煤锅 分布式光纤温度应力测量传感系统 炉，...
温度应力又称为热应力,它是由于构件受热不均匀而存在着温度差异,各处膨胀变形或收缩变形不一致,相互约束而产生的 内应力
(2)模具表面冷热交替而引起的模具与拉交替变化的应力称为热应力.这种反复循环的热应力有可能引起模具疲劳产生热裂纹来源文章摘要：介绍了模具的损坏形式、模具设计与使用设备对 的影响及模具使用与维护的有关注意事项。
冷却的过程也是体积减小的过程也会形成 内应力一般称为热应力.热应力的大小取决于胶层与被粘材料的热胀系数之差和温度变化的幅度.因此 高温固化会增加在冷却过程中形成的热应力来源文章摘要：分析了胶层的与固化工艺的关系，指出当固化温度高于胶层的 时，粘接强度随着固化程度的提高而提高；固化温度低于胶层的玻璃化温度时， 粘接强度随着固化程度的提高而降低。 热应力(4张)
1. 热应力随约束程度的增大而增大。由于材料的、 弹性模量与泊桑比随温度变化而变化，热应力不仅与温度变化量有关，而且受初始温度的影响。2. 热应力与零外载，是由受约束引起的自平衡应力，在温度高处发生压缩，温度低处发生 拉伸形变。3. 热应力具有，屈服流动或 可使热应力降低。对于塑性材料，热应力不会导致构件断裂，但交变热应力有可能导致构件发生或 塑性变形累积。
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《》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, ,,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()?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?W?A,W?B,W?C?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,采用进行冷却.?2.温度控制显示箱?它由,稳压电源及组成,如图2-2所示.?温控仪(型号WMZK-01)?A?1,A?2,A?3?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.?V用于显示实验装置总电路的工作电压.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0.067 kN/mV;24 kN量程时,当量值为0.025 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 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,(含《铸造应力》CAI 软件).?六,实验步骤?1.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&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
残余热 应力是指工件经热处理后最终残存下来的应力，对工件的形状，尺寸和性能都有极为重要的影响。当它超过材料的屈服强度时，便引起工件的变形，超过材料的时就会使工件开裂，这是它有害的一面，应当减少和消除。但在一定条件下控制应力使之合理分布，就可以提高零件的机械性能和使用寿命，变害为利。分析钢在热处理过程中应力的分布和变化规律，使之合理分布对提高产品质量有着深远的实际意义。例如关于表层残余的合理分布对零件使用寿命的影响问题已经引起了人们的广泛重视。钢的 残余热应力工件在加热和冷却过程中，由于表层和心部的冷却速度和时间的不一致，形成温差，就会导致体积膨胀和收缩不均而产生应力，即热 应力。在热应力的作用下，由于表层开始温度低于心部，收缩也大于心部而使心部受拉，当冷却结束时，由于心部最后冷却体积收缩不能自由进行而使表层受压心部受拉。即在热应力的作用下最终使工件表层受压而心部受拉。这种现象受到冷却速度，材料成分和等因素的影响。当冷却速度愈快，含碳量和合金成分愈高，冷却过程中在热应力作用下产生的不均匀塑性变形愈大，最后形成的就愈大。另一方面钢在热处理过程中由于组织的变化即向马氏体转变时，因比容的增大会伴随工件体积的膨胀，工件各部位先后相变，造成体积长大不一致而产生组织应力。组织应力变化的最终结果是表层受拉应力，心部受压应力，恰好与热应力相反。组织应力的大小与工件在区的冷却速度，形状，材料的化学成分等因素有关。实践证明，任何工件在热处理过程中，只要有相变，热应力和组织应力都会发生。只不过热应力在组织转变以前就已经产生了，而组织应力则是在组织转变过程中产生的，在整个冷却过程中，热应力与组织应力综合作用的结果，就是工件中实际存在的应力。这两种应力综合作用的结果是十分复杂的，受着许多因素的影响，如成分、形状、热处理工艺等。就其发展过程来说只有两种类型，即热应力和组织应力，作用方向相反时二者抵消，作用方向相同时二者相互迭加。不管是相互抵消还是相互迭加，两个应力应有一个占主导因素，热应力占主导地位时的作用结果是工件心部受拉，表面受压。组织应力占主导地位时的作用结果是工件心部受压表面受拉。残余热应力对的影响存在于淬火件不同部位上能引起的因素(包括冶金缺陷在内)，对淬火裂纹的产生都有促进作用，但只有在拉应力场内(尤其是在最大拉应力下)才会表现出来，若在压应力场内并无促裂作用。淬火冷却速度是一个能影响淬火质量并决定残余应力的重要因素，也是一个能对淬火裂纹赋于重要乃至决定性影响的因素。为了达到淬火的目的，通常必须加速零件在高温段内的冷却速度，并使之超过钢的临界淬火冷却速度才能得到。就残余 应力而论，这样做由于能增加抵消组织应力作用的热应力值，故能减少工件表面上的拉应力而达到抑制纵裂的目的。其效果将随高温冷却速度的加快而增大。而且，在能淬透的情况下，截面尺寸越大的工件，虽然实际冷却速度更缓，开裂的危险性却反而愈大。这一切都是由于这类钢的热应力随尺寸的增大实际冷却速度减慢，热应力减小，组织应力随尺寸的增大而增加，最后形成以组织应力为主的拉应力作用在工件表面的作用特点造成的。并与冷却愈慢应力愈小的传统观念大相径庭。对这类钢件而言，在正常条件下淬火的高钢件中只能形成纵裂。避免淬裂的可有原则是设法尽量减小截面内外马氏体转变的不等时性。仅仅实行马氏体转变区内的缓冷却不足以预防纵裂的形成。一般情况下只能产生在非淬透性件中的弧裂，虽以整体快速冷却为必要的形成条件，可是它的真正形成原因，却不在快速冷却(包括马氏体转变区内)本身，而是 淬火件局部位置(由几何结构决定)，在高温区内的冷却速度显著减缓，因而没有淬硬所致。产生在大型非淬透性件中的横断和纵劈，是由以热应力为主要成份的残余拉应力作用在淬火件中心，而在淬火件末淬硬的截面中心处，首先形成裂纹并由内往外扩展而造成的。为了避免这类裂纹产生，往往使用水--油双液淬火工艺。在此工艺中实施高温段内的快速冷却，目的仅仅在于确保外层金属得到马氏体组织；而从内应力的角度来看，这时快冷有害无益。其次，冷却后期缓冷的目的，主要不是为了降低马氏体相变的膨胀速度和组织应力值，而在于尽量减小截面温差和截面中心部位金属的收缩速度，从而达到减小应力值和最终抑制淬裂的目的。
词条标签：
合作编辑者：
搜狗百科词条内容由用户共同创建和维护，不代表搜狗百科立场。如果您需要医学、法律、投资理财等专业领域的建议，我们强烈建议您独自对内容的可信性进行评估，并咨询相关专业人士。
点击编辑词条，进入编辑页面
意见反馈及投诉}