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MMS系列热力模拟实验机的简介

            “MMS系列热力模拟实验机的研制”项目从1999年开始先后得到了教育部、济南钢铁公司和国家自然科学基金的资助。2003年列为国家自然科学基金科学仪器基础研究专项专向基金项目,资助90万元,深化基础理论研究,突破技术关键,形成系列产品,项目批准号为:50227401;
           2004年研制成功第一代MMS-100热力模拟实验机,交付给济南钢铁公司技术中心使用;
           目前,已经具备MMS-100、MMS-200和MMS-300三种型号热力模拟实验机的研发能力,拥有12项专利,其中发明专利7项,已生产不同型号的MMS系列热力模拟实验机10台。实验设备分别应用于东北大学、济南钢铁集团公司、华菱湘潭钢铁公司、包钢、涟钢、江西理工大学、宝鸡钢管、沈阳理工大学等地,运行情况良好,在用户中拥有良好的口碑。
           2009年12月,东北大学与与济南钢铁有限公司和华菱湘潭钢铁有限公司共同完成的“热力模拟实验技术与装备—MMS系列热力模拟实验机的研制与开发”项目通过了由中国金属学会组织的科技成果鉴定,并得到评审专家的肯定与好评。
           2010年获辽宁省科技进步一等奖—“现代轧制过程中试研究创新平台”项目。2011年获冶金科技进步奖二等奖—“热力模拟实验技术与装备—MMS系列热力模拟实验机的研制与开发”项目。

图1 MMS-200热力模拟实验机照片

            热力模拟试验是利用小试样,借助热力模拟实验机,进行冶金材料研究的重要手段,在新品开发和工艺优化中起重要作用。热力模拟实验机的主要功能是再现材料(特别是钢铁材料)在制备或热加工过程中的受热,或同时受热及受力的物理过程,研究材料的组织或性能的变化规律,评定或预测材料在制备或受热过程中出现的问题,为制定合理的加工工艺以及研制新材料提供理论指导和技术依据。它既可以节省现场工业试验的大量费用、时间和精力,又可以对所要求的各种参数进行精确的测量与控制,为工业大生产过程积累必要的参数,提供指导。热力模拟技术及热力模拟实验机已广泛用于钢铁材料热加工过程(包括轧制、锻造、焊接、连铸、热处理)的研究,成为开发新材料,测定热加工过程组织演变规律的常用技术与关键设备。
           MMS系列热力模拟实验机是一台高精度、高性能多功能模拟实验机,具有多功能模拟能力和实验能力。可以模拟温度、应力、应变、位移、力、扭转角度、扭矩等参数,能进行多种实验。具体的实验种类如下:

  • 拉伸实验;
  • 单道次压缩实验;
  • 平面应变压缩实验;
  • 多道次压缩实验;
  • 单道次扭转实验;
  • 多道次扭转实验;
  • 大变形实验(压扭复合实验);
  • 动态CCT实验;
  • 动态再结晶实验;
  • 控轧控冷实验;
  • 应变诱导实验;
  • 热裂纹敏感性实验(SICO);
  • 应力松弛PTT实验;
  • 零强温度(NST)的测定试验;
  • 零塑性温度(NDT)的测定实验;
  • 热处理实验;
  • 静态CCT实验;
  • 铸造实验;
  • 静态再结晶实验
  • 焊接热循环试验;
  • 焊接热影响区连续冷却转变试验(SH-CCT试验);
  • 扩散焊试验;
  • 电阻对焊试验;

       2 创新性成果
       (1)  研制出具有自主知识产权的机械传动装置,使MMS系列热力模拟实验机成为一套可以同时实现拉伸、压缩及扭转、压扭复合变形等实验的高性能、多功能一体化实验装置。
       (2)  提出了断电触发采集和采集时刻重置的温度测量策略,解决了交变电流电磁场严重干扰温度测量的精度问题。
       (3)  基于液压系统需要高精度、超快速控制的问题,采用BP神经网络PID控制策略,保证MMS系列热力模拟实验机高精度和快速变形的准确性。
       (4)  采用试验分类策略,简化了界面复杂程度,使设备操作简单易行。

       3 主要性能指标
       MMS系列热力模拟实验机具有一机多功能的特点,控制系统、传感器及主要执行元件均实行国际采购,采用国外相关领域技术领先产品,从而保证主要性能指标达到或超过国外先进产品,项目成果达到了国际先进水平。热力模拟实验机的主要性能指标如下:

  • 最高加热温度:1700 ℃;
  • 最大拉压力:196kN;
  • 最大扭矩:100Nm;
  • 最大行程:100mm;
  • 最大加载速度:2000mm/s (拉力或压力);
  • 稳态温度控制精度:±1℃;
  • 最大应变速率:200/s(对于原始高度为10mm的试样)。
  •        4、主要特点

           1.多功能一体化

                  由原来国外多台设备才能实现的功能,集成为一体,实现一机多功能,可以模拟温度、应力、应变、位移、力、扭转角度、扭矩等参数,能进行拉伸、压缩、扭转、热连轧、铸造、相变、形变热处理、焊接、拉扭复合、压扭复合等二十多种实验;克服了Gleeble系列热力模拟实验机随着实验内容不同需要更换不同的部件的缺点。

           2.操作界面简单实用

                  根据热加工领域热力模拟实验的种类和特点,将种类繁多的实验类型进行归类划分,使操作界面简洁实用、易学易懂,实验者能轻松地掌握实验操作方法、快速完成实验;

           3.低价格

                  价格只相当于国外同类设备的1/2左右。

           4.自主知识产权

                  拥有自主知识产权,其中国家发明专利7项,实用新型专利3项,专用软件2项。

           5.典型试验曲线


    图2 热处理重复性试验曲线

    图3 典型应力-应变试验曲线

    图4 焊接热循环重复性试验曲线

    图5 应变速率为1s-1的压缩重复性曲线

           6 结语
           利用MMS系列热力模拟实验机进行大量实验,在开发新品种、探索新的生产工艺或优化现有生产工艺等方面作用巨大。该设备的成功研制与应用,标志着我国在材料热加工领域应用的物理模拟设备开发能力和性能指标已达到国际先进水平,填补了该领域的国内空白,为国内企业和研究院校提供了功能齐全、质优价廉的设备,社会效益巨大。

           附:MMS系列热力模拟试验机不同型号、试验功能和性能指标
           目前提供3种型号:MMS-100、MMS-200、MMS-300热力模拟实验机。
           MMS-300热力模拟实验机的性能、实验功能见上述材料中,价格只相当于国外同类设备的1/2左右。
           MMS-200热力模拟实验机不具备扭转和大变形实验,其它性能、实验功能与MMS-300热力模拟实验机相同,价格只相当于国外设备的1/2左右。
           MMS-100热力模拟实验机不具备扭转、多道次压缩(自动)和大变形等三种实验,其它性能、实验功能与MMS-200热力模拟实验机相同,价格只相当于国外同类设备的2/3左右。
           目前,已交付使用的MMS系列热力模拟实验机达10台,已在济南钢厂、东北大学、湘潭钢厂、包头钢铁公司、涟源钢铁公司、江西理工大学、宝鸡石油钢管有限公司、沈阳理工大学等得到应用。现正与多家企业进行洽谈之中。

    MMS-100热力模拟实验机的主要性能指标如下:

  • 最高加热温度:1700 0C;
  • 最大压(拉)力:  10,000kg (98kN)/ 5,000kg (49kN);
  • 最大行程:    100mm;
  • 最大加载速度:1000mm/s (拉力或压力);
  • 稳态温度控制精度:±1℃;
  • 力的控制精度:满量程的0.25%;
  • 行程的控制精度:10um;
  • 采样频率:    ≤10kHz;
  • 实际最大应变速率:100/s;
  • 恒应变速率变形方式最小变形时间:18ms;
  • 非恒应变速率变形方式最小变形时间:6ms。
  • 能完成的实验种类如下:

    • 拉伸实验;
    • 单道次压缩实验;
    • 平面应变压缩实验;
    • 动态CCT实验;
    • 动态再结晶实验;
    • 控轧控冷实验;
    • 应变诱导实验;
    • 热裂纹敏感性实验(SICO);
    • 应力松弛PTT实验;
    • 零强温度(NST)的测定试验;
    • 零塑性温度(NDT)的测定实验;
    • 热处理实验;
    • 静态CCT实验;
    • 铸造实验;
    • 静态再结晶实验
    • 焊接热循环试验;
    • 焊接热影响区连续冷却转变试验(SH-CCT试验);
    • 扩散焊试验;
    • 电阻对焊试验;

    MMS-200热力模拟实验机的主要性能指标如下:

  • 最高加热温度:1700 0C;
  • 最大压(拉)力:  12,000kg (118kN)/ 5,000kg (49kN);
  • 最大行程:    100mm;
  • 最大加载速度:2000mm/s (拉力或压力);
  • 稳态温度控制精度:±1℃;
  • 力的控制精度:满量程的0.25%;
  • 行程的控制精度:10um;
  • 采样频率:    ≤10kHz;
  • 实际最大应变速率:100/s。
  • 具体的实验种类如下:
  • 拉伸实验;
  • 单道次压缩实验;
  • 平面应变压缩实验;
  • 多道次压缩实验;
  • 动态CCT实验;
  • 动态再结晶实验;
  • 控轧控冷实验;
  • 应变诱导实验;
  • 热裂纹敏感性实验(SICO);
  • 应力松弛PTT实验;
  • 零强温度(NST)的测定试验;
  • 零塑性温度(NDT)的测定实验;
  • 热处理实验;
  • 静态CCT实验;
  • 铸造实验;
  • 静态再结晶实验
  • 焊接热循环试验;
  • 焊接热影响区连续冷却转变试验(SH-CCT试验);
  • 扩散焊试验;
  • 电阻对焊试验;
  • MMS-300热力模拟实验机的主要性能指标如下:

  • 最高加热温度:1700 0C;
  • 最大拉压力:  20,000 (196kN)/ 10,000 (98kN);
  • 最大扭矩:    100Nm;
  • 最大行程:    100mm;
  • 最大加载速度:2000mm/s (拉力或压力);
  • 稳态温度控制精度:±1℃;
  • 力的控制精度:满量程的0.25%;
  • 行程的控制精度:10um;
  • 采样频率:    ≤10kHz;
  • 实际最大应变速率:100/s;
  • 恒应变速率变形方式最小变形时间:18ms;
  • 非恒应变速率变形方式最小变形时间:6ms。
  • 具体的实验种类如下:
  • 拉伸实验;
  • 单道次压缩实验;
  • 平面应变压缩实验;
  • 多道次压缩实验;
  • 单道次扭转实验;
  • 多道次扭转实验;
  • 大变形实验(压扭复合实验);
    • 动态CCT实验;
    • 动态再结晶实验;
    • 控轧控冷实验;
    • 应变诱导实验;
    • 热裂纹敏感性实验(SICO);
    • 应力松弛PTT实验;
    • 零强温度(NST)的测定试验;
    • 零塑性温度(NDT)的测定实验;
    • 热处理实验;
    • 静态CCT实验;
    • 铸造实验;
    • 静态再结晶实验 ;
    • 焊接热循环试验;
    • 焊接热影响区连续冷却转变试验(SH-CCT试验);
    • 扩散焊试验;
    • 电阻对焊试验;


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