铸造型砂性能检测方法与内涵的创新谢祖锡李军台州学院浙江318000摘要：一种新型的智能化铸造型砂多项力学性能测试系统。该测试系统通过对四个标准砂型的动态测试，可迅速、准确的测得被测砂样的应力——应变动态特征曲线及反映型砂本质特征的八项力学性能参数：型砂的抗压强度、弹性模量、塑性变形临界值、回弹势能、抗剪强度、剪切变形极限、韧性指数及抗拉强度；所测力学性能参数均是被测标准砂样受载变形特征曲线上的特征点所对应的特征值，其物理意义准确、具体。该文着重剖析了该项研究的创新之点。该测试系统采用当代先进的检测技术与计算机技术，测试手段先进、功能齐全，测试方法科学、合理，测值误差小，精度高，数据可随即显示、微打输出和PC机存储，且操作简单，使用方便，不论在实验室检测还是在工厂现场测试中，都取得了非常理想的效果，具有广阔的市场和应用前景。关键词：型砂力学性能检测系统中图分类号：TG231.680前言型砂的性能与铸件质量的好坏密切相关：型砂的性能直接影响着铸造过程中铸型的质量、型腔的尺寸精度等，进而对铸件质量产生很大影响[1-2]。而型砂质量控制在很大程度上取决于检测方法的先进性、科学性。迄今为止，人们已研制出了许多测试型砂性能的仪器，如测量型砂强度的万能强度测试仪[3]；测量湿型砂抗拉强度专用的热湿拉强度试验仪[4]、SQL湿拉强度试验仪[5]；测试型砂韧性的SRQ型落球式破碎指数试验仪[6]等。这些仪器均在一定程度上对型砂性能测控起了作用，促进了铸造生产的发展。但它们本身都或多或少的存在着一些问题[7]，国内外现有的型砂测试仪器均无法满足现代铸造生产对其型砂性能检测与控制的更高要求。基于这种情况和现实生产的需要，经我们多年的不断努力，研制出了一台新型的型砂性能检测仪器—智能化铸造型砂多项力学性能测试仪。多少年来，人们一直将型砂视为塑性散体，以往的型砂性能检测仪器也正是建立在散体力学研究的基础上。在完成国家自然科学基金项目“铸型型砂微变形的研究”过程中[8]我们认识到：型砂是一种复杂的粘、弹、塑性体，它可以用基本流变模型来描述，型砂标准砂样的受载过程就可以用开尔文体(K体)与宾汉体(B体)的组合流变模型及其相应的流变方程来描述。这一新型的型砂性能测试仪正是基于这一研究成果的基础上。我们以流变学理论和型砂微变形理论为理论基础，用多学科交叉的研究方法，借鉴材料力学的相关理论，将检测金属材料受载过程的动态测试方法引入型砂性能检测过程中，应用当代测试技术和计算机技术，研制出这台型砂性能检测仪器。运用动态检测的方法，检测标准砂样受载过程的动态特征曲线及反映型砂本质性能的多项力学性能参数，以全面、系统地评价型砂性能的优劣，这就是该型砂性能测试仪的总体构思。该测试仪包括砂样夹持装置，高精度机械传动平稳连续加载—图1智能化铸造型砂多项力学性能测试仪非电量电测装置，MCS51单片机测控系统及串口微机测控系统。如图1所示。通过变换夹头与对应的试样，在测试仪中连续测试四个标准砂样，在短时间内就能迅速、准确地获得砂样在抗压、松弛、抗剪、抗拉过程的应力——应变动态特征曲线和反映型砂本质性能的八项力学性能参数：抗压强度、弹性模量、塑性变形临界值、回弹势能、抗剪强度、剪切变形极限、韧性指数及抗拉强度，以全面、综合地评定型砂性能的优劣，这是型砂性能测试方法的重大突破和创新。1测试仪的测试原理简介及创新点剖析1.1用动态检测的方法，检测标准砂样受载过程的动态特征曲线及反映型砂本质性能的力学性能参数—这是该测试仪获得的第一项发明[9]，也是本项目的核心创新点。最初，我们用动态测试方法测得了标准砂样抗压加载过程的应力—应变动态特征曲线OABM，如图2所示。在曲线的OA段，应力—应变成线性关系变化，用K表示该直线段的斜率，其值即为型砂的弹性模量，大量实测的结果及测试过程的流变理论分析与论证[10]均表明：这一值对一定的型砂来说是一个稳定的可测指标，它反映了型砂的粘弹性特征。当应力超过某一临界值σs之后，应力与应变的关系不再成线性了，在曲线AB段，砂样发生粘塑性变形。当应力超过σm之后，继续加载，砂样内部砂粒间将产生滑移，应力下降，直至砂样产生破裂。点M为抗压加载应力—应变特征曲线的极值点，峰值σm显示了标准砂样抗压受载过程中所能承受的极限压应力—型砂的抗压强度。1.2型砂的塑变临界值的新概念的提出及其测试方法是本项目的第二项发明与创新砂样在上述抗压加载过程中从粘弹性变形状态到开始发生粘塑性变形的临界点A及相应的型砂塑性变形临界应力值σs是如何确定的呢？经大量的实验研究和分析论证，用抗压-松弛的测试方法可以在标准砂样的松弛测试曲线上科学而准确地测到这一临