料密度，h是综合换热系数，Αχ和Αζ分别是于图中X方向和ζ方向垂直的端面面积，△ t是 拉伸持续时间，v是所取标距段(图1所示试样深色部分)的体积。
[0092]查阅相关资料得到QP980板料应力应变关系如下：
[0094]所以，QP980的板料单向拉伸过程的塑性功转化热可以写为：
[0096]综合以上步骤的结果，并将温度IV作为塑性阶段的初始温度，得到预测的QP980 板料单向拉伸过程温度变化为如下表达式：
[0097]
[0098] 将QP980板料试样单向拉伸过程的应变率、时间、环境温度、材料常数及试样相关 尺寸(如表1)带入步骤(5)所得方程，即可预测QP980板料试样单向拉伸过程的温度变化。将 温度预测结果与应变和应变率的关系绘制如图3所示三维图，方便查询，图中X轴为应变率， Y轴为塑性应变，Z轴为温度变化值，即ΔΡ。
[0099] 表1本专利相关常数及材料参数的取值
[0101] 用红外热成像仪FLIR A615camera记录QP980板料试样单向拉伸过程中的温度变 化（4 = 0.0002,0.001,0.01,0. l.v ')，分析区域选取为如图1所示的标距段，提取单向拉伸试验 表面该区域拉伸过程实时温度的平均值，分别用空心标记绘制出它们随真塑性应变的变 化，如图4所示。
[0102] 对比红外热成像仪得到的QP980板料试样单向拉伸过程中的试样表面的温度最高 值和平均值，发现两者非常接近，相差小于1°C，说明拉伸过程试样标距段温度均匀，即假设 合理。对比QP980温度变化的实验值与本发明的预测值（图4黑色实线），发现预测值与实验 值吻合良好，最大误差不超过2°C，这说明本发明提供的单向拉伸过程试样温度预测的方法 有较高精度。
[0103] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述 特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影 响本发明的实质内容。
【主权项】
1. 一种金属板料单向拉伸过程温度变化的预测方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤1:依据热弹性效应的原理，计算金属板料单向拉伸弹性变形过程的温度变化量； 步骤2:根据能量守恒定律分析板料塑性变形过程的产生的热量及与环境的热交换量， 并建立能量守恒公式； 步骤3:通过设定假设条件，简化能量守恒公式； 步骤4:根据板料材料的应力应变关系，依据塑性变形相关原理计算变形过程的塑性 功； 步骤5:将单向拉伸过程的应变率、塑性功、基本材料常数、试样尺寸参数值代入所述能 量守恒公式，得到金属板料单向拉伸过程的温度变化的预测结果。2. 根据权利要求1所述的金属板料单向拉伸过程温度变化的预测方法，其特征在于，步 骤1中金属板料单向拉伸弹性变形过程是指：由于固体材料的热弹性效应，弹性拉伸载荷会 引起试样温度的略微下降，该阶段材料的温度变化计算公式如下：0<ε<ε? 式中：ΛΤ表示板料的材料温度变化，Το表示试样初始温度，Λσ表示应力变化，α表示材 料的线性膨胀系数，C表示材料比热容，Ρ表示材料密度，ε表示材料的塑性应变值； 由于热弹性效应阶段的温度变化极小，不超过1°C，在预测温度变化时忽略，只计算弹 性段结束时，即ε = ε〇时材料的温度变化记为ATi，并将ATi作为后续塑性阶段的初始温度； 其中表示材料热弹性效应段结束时对应的塑性应变，也是材料的塑性变形开始占主导作 用的起始点对应的塑性应变;八^的计算公式如下：式中：Λσ〇表示塑性应变为ε〇时对应的应力变化。3. 根据权利要求1所述的金属板料单向拉伸过程温度变化的预测方法，其特征在于，所 述步骤2中包括:通过分析大量塑性功的释放时，板料温度变化量以及板料与环境之间进行 的热交换，将单向拉伸板料的标距段作为一个微元体，建立如下的能量守恒公式：(1) 式中：·代表微元体六个表面的换热量，Τ表示微元体的瞬时温度，C 表示材料比热容，Ρ表示材料密度，#表示微元体温度对时间的偏导，#表示与X轴垂直 a c.r 的微元体上两个表面的换热量，表示与y轴垂直的微元体上两个表面的换热量，$表 dy- dz- 示与Z轴垂直的微元体上两个表面的换热量，a表示换热系数或导热系数，卢表示福射换热， 一表示试样的内热源，单向拉伸中主要是塑性功转化的热量，假设转化系数为β，则内热源 的计算公式如下：式中：σ表示应力；其中，对板料进行单向拉伸试验，获取应力应变关系，能够得到塑性 功的值。4. 根据权利要求3所述的金属板料单向拉伸过程温度变化的预测方法，其特征在于，所 述步骤3包括:假设单向拉伸板料的标距段在均匀变形过程，即抗拉强度之前温度均匀，把 该标距段作为一个微元并建立直角坐标系； 具体地，对步骤2中的公式（1)等式左右两边同时对dt积分，并同乘以微元体积V，其中ν = dxdydz，得到在At时间内，微元的能量守恒公式如下：(2) 对公式(2)进一步简化后得到能量守恒公式如下：(3) 把公式(3)中微元体的自然对流换热量与辐射换热量合并，即：式中：ΛΤ2表示试样与环境的温差，At表示拉伸过程持续时间，h。表示自然对流换热系 数，hr表示辐射传热等价系数，为了简化，将自然对流换热系数以及辐射传热等价系数的和 用综合换热系数h表示，h能够通过查表并结合经验取值获得； 将金属板料单向拉伸的塑性变形过程的能量守恒公式进一步简化为：(5)?5. 根据权利要求4所述的金属板料单向拉伸过程温度变化的预测方法，其特征在于，所 述步骤4包括:假设单向拉伸过程的应变率恒定，则有& % i，i·表示应变率，单向拉伸板料 的标距段在塑性变形过程ε < eu中温度变化表达为：(6) 式中，eu表示材料颈缩点对应的塑性应变，β表示拉伸过程塑性功转化为热量的百分数， ε表示塑性应变，C表示材料比热容，ρ表示材料密度，h表示综合换热系数，Αχ和1分别表示X 方向和ζ方向垂直的端面面积，ν表示微元体的体积，At表示拉伸持续时间； 将温度T%作为塑性阶段的初始温度，得到预测金属板料单向拉伸过程ε < eu温度 变化趋势ΛΡ为如下表达式：C7) 式中：ε〇表示材料的塑性变形开始占主导作用的起始点对应的塑性应变，eu表示材料颈 缩点对应的塑性应变，也就是抗拉强度对应的塑性应变。6.根据权利要求5所述的金属板料单向拉伸过程温度变化的预测方法，其特征在于，所 述步骤5包括:将金属板料某应变率下的单向拉伸的时间、应力应变关系、材料常数及试样 相关尺寸带入所述公式(7)，得到材料单向拉伸过程的温度变化的预测结果。
【专利摘要】本发明提供了一种金属板料单向拉伸过程温度变化的预测方法，包括步骤1：计算材料弹性变形过程的温度降低；步骤2：针对塑性变形过程，建立能量守恒方程；步骤3：对方程进行合理的假设和简化之后得到塑性变形过程的温度变化的表达式；步骤4：结合应力应变关系计算得出的塑性功和相关材料常数得到金属板料单向拉伸过程的温度预测变化结果。本发明中的方法可以对金属板料单向拉伸过程温度变化进行准确预测，大大降低了传统红外方式测量单向拉伸过程温度变化的成本；且预测结果精度高，计算简便。
【IPC分类】G01K13/00, G01N3/08
【公开号】CN105606255
【申请号】CN201610053427
【发明人】李淑慧, 何霁, 邹丹青, 来新民
【申请人】上海交通大学
【公开日】2016年5月25日
【申请日】2016年1月26日