Gleeble热模拟试验机设备组成介绍--上交大

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
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 最普通的编程方式。 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，最常用的 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
电力系统 加热系统 冷却系统 淬火系统 液压系统 空压系统 真空系统
外围辅助
控制系统 工控柜
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
数据采集
Temperature Force stroke
L‐gauge C‐gauge
用户操作界面
Dilameter ………
控制柜
桌面电脑
编程软件
打印机
数据分析处理
热电偶焊接
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。
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 2.7 低力、零强组件
ISO‐Q 淬火
低力组件 2.8 流变应力、平面应变组件
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，测量还包括机器最大形变。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，用来限制最大位移压力，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
零强
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：
Gleeble 热模拟试验机
上海交通大学 周伟敏
Gleeble 3500 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。 Gleeble 3500 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 Gleeble 3500 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） Gleeble 3500 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。最快可以达到 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