树脂砂高温三轴力学特性

D0I:10.13374/j.issn1001053x.1994.06.007 第16卷第6期 北京科技大学学报 Vol.16 No.6 1994年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.1994 树脂砂高温三轴力学特性 张家泉) 于震宗) 林家骝) 1)北京科技大学冶金系，北京1000832)清华大学机战系，北京100084 摘要利用新研制的型砂高温三轴测试手段，首次测定了常用树脂型砂在围压作用下的高温三轴 力学性能。试验结果揭示了传统研究方法的不足，并依据修正的强度理论对型砂高温力学特性提 出新的解释， 关键词型砂，树脂砂，三轴试验/高温力学特性 中图分类号TG221.2,TU441.5 Investigation on the Triaxial Mechanics Properties of Resin Sands at Elevated Temperature Zhany Jiaquan!Yu Zhenzong?Lin Jialiu 1)Depertment of Metallurgy,[STB,Beijing 100083,PRC 2)Department of Mechanical Engineering.Tsinghu University,Beijing 100084,PRC ABSTRACT The triaxial mechanics properties of a resin sand at elevated temperature are revealed through the recently developed trixaial apparatus for moulding sands.The traditional test method is found unreasonable by comparison with the present results;and the new comprehension to the high temperature behavior of moulding sand is given with the modified strength theory. KEY WORDS:moulding sands,resin sands,triaxial tests/high temperature mechaics properties 型砂高温力学特性研究是建立铸件凝固热应力场分析技术的重要基础.在定性分析铸件 热裂和变形等常见缺陷时，除了考察铸件本身的结构因素外，人们也往往要从铸件与铸型的 机械相互作用及型砂的高温力学性能着手；生产中，甚至把它作为影响某些铸件热裂等缺陷 的主要因素加以重视.与铸造合金不同，型砂是一种低强度的颗粒集合材料，从适合散体介质 的三向应力状态实验出发来揭示其力学特性很早受到重视.但是，由于缺乏合适的试验手 段，长期以来，型砂高温力学性能研究主要沿用金属等连续体材料科学的常规单轴力学手段 及方法，型砂高温三轴力学特性研究至今仍为空白.这种现状制约了对型砂高温力学性能的 全面认识，也成为深化铸件凝固模拟技术乃至生产中热裂问题定性分析的一大障碍. 本文介绍作者在新研制的型砂高温三轴力学测试装置上对树脂砂的实验结果，首次报导 1994-04-28收稿第-一作者31岁博士

第 矫卷 第 期 北 京 科 技 大 学 学 报 望玛 年 月 】 以忿 臾洲 树脂砂高温三轴力学特性 张家泉 ， 于震 宗 林家骆 北 京科技大学 冶金 系 ， 北京 〕 〕 清华大学机械 系 ， 北 京 摘要 利用新 研 制的型砂高温 三 轴测 试手段 ， 首 次测定 了常用树脂型砂在 围压作用下 的高温 三轴 力学性 能 试验结果揭示 了传统研究方 法 的不 足 并依据修正 的强 度理 论对型砂高温力学特性提 出新 的解释 关键词 型 砂 ， 树脂砂 ， 三轴试验厂高温 力学特 性 中图分类号 ， 正 以 习 ’ ‘ 。 五 夕 众 竺声 ” 吐 理分， ， 翻」吧 联眨日 ， 四 翻 人 仪加功 回 吻川犯幻咯 滋甩物 丫曰俪仃 ， 翻 魂 仪湘 ， 七 篮℃ 此 毗 份 ℃ 此 雌 心 心 。 。 讯 ， 器 ， 洛 庄 篮军 岛 型砂 高 温力 学特性 研究 是 建立铸件凝 固热应力 场分析技术 的 重 要 基 础 在 定 性 分 析 铸 件 热 裂 和 变形 等 常见 缺 陷时 ， 除 了考 察铸件本 身 的 结 构 因 素外 ， 人 们 也 往 往 要 从 铸 件 与 铸 型 的 机械 相互 作 用及 型砂 的高温力学性 能着手 生 产 中 ， 甚 至 把 它 作 为 影 响 某 些 铸 件 热 裂 等 缺 陷 的 主要 因素加 以 重 视 与铸造合金不 同 ， 型砂是 一 种低 强度 的颗粒集合 材 料 ， 从 适 合 散 体 介 质 的三 向应力 状态 实验 出发来揭示其力学 特 性 很 早 受 到 重 视 但 是 ， 由 于 缺 乏 合 适 的 试 验 手 段 ， 长期 以来 ， 型砂 高 温 力 学性 能研究 主要 沿 用 金 属 等 连 续 体 材 料 科 学 的 常 规单 轴 力 学 手 段 及 方法 ， 型砂 高温 三 轴力学特性研究至今仍为 空 白 这 种 现 状 制 约 了 对型 砂 高温 力学 性 能 的 全 面 认 识 ， 也成 为深 化铸 件凝 固模拟技 术乃 至 生产 中热裂 问题定性分 析 的一大 障碍 本 文 介绍作 者在 新 研制 的型砂 高温三轴力学 测试 装 置 上 对树 脂 砂 的 实 验 结 果 ， 首次 报 导 叩 一 哄 一 收 稿 第 一 作者 岁 溥士 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1994．06．007

194年No.6 北京科技大学学报 ·539· 树脂砂在常规单轴与当前三轴力学装置上的高温力学特性差异，提出型砂修正的强度理论及 其高温内摩擦特性的意义， 1实验装置及方法 新研制的型砂高温三轴装置的组成四为：(I)试样加热及温度控制系统：(2) 围压介质及三轴室；(3)围压加载及控制系统；(4)轴压加载及轴向变形、载荷自动记录系 统.作为与常规单轴加载的差异，其加载方式如图1所示，其加载路径如图2所示，即先对试样 施加一定的围压（σ，=σ，）到d点，然后保持围压值不变，再加轴压直至试样破坏.不同围 压下的试验结果便可反映围压对强度及应力/应变特性的影响.显然，以往常规单轴方法仅 为三轴受力状态下的一个特例，即σ2=0，=0. 在上述高温三轴装置上先将试样加热至设定高温、保温10min，控制围压在选定值后按 变形控制方式进行轴向加载，其加载变形速率取2.6×104s 实验用树脂砂为第一汽车厂488气缸盖专用热硬树脂砂，其中热硬树脂粘合剂为多元醇 改性糠醇脲醛树脂，试样尺寸为直径25mm×50mm;配方为： 40/70伊呼塔石英砂：100%；固化剂占树脂w为20%；树脂占砂w为2% 混制工艺为： 砂+固化剂m树脂m出砂一制样. 试样加热硬化工艺为：升温到200℃并保温40min后，自然冷却至室温. 0=0 1t 166. 图1型砂试样三轴加载方式 图2三轴加载应力路径 Fig.1 Stress system in the triaxial test Fig.2 Loading path in the triaxial test 2结果与讨论 实验获得的不同围压及温度下试样的部分应力/应变曲线如图3所示.由图可见，温度一 定时，其破坏强度，破坏应变都随围压σ，的增加而显著增大；随温度升高，热硬树脂砂的破坏 强度逐渐减小；在670℃高温，σ，=0时，试样常规单向压缩强度为零，且由于树脂粘合剂热 解、试样颗粒解体，已不存在单轴应力/应变关系；但在σ；卡0的三向应力状态下，其仍能表 现出可观的破坏强度.譬如，g3=0.6MPa时，g1=173MPa,而o,=1.0MPa时，G,则为

刃 年 。 石 北 京 科 技 大 学 学 报 树脂砂在 常规单轴 与 当前三轴力学装置上 的高温力学 特性 差异 ， 提 出型 砂 修正 的强 度理 论 及 其 高温 内摩擦 特性 的意义 实验装置及方法 新 研 制 的 型 砂 高 温 三 轴 装 置 的 组 成 为 试 样 加 热 及 温 度 控 制 系 统 围压介 质及 三 轴室 围压加 载及控 制系 统 轴压加 载及 轴 向变 形 、 载 荷 自动 记 录 系 统 作 为 与 常规单 轴加载 的差异 ， 其加载方 式如 图 所示 其加 载路 径如 图 所示 ， 即先 对试样 施加一定 的围压 。 到 点 ， 然后保持 围压值不 变 ， 再 加 轴 压 直 至 试 样 破 坏 不 同 围 压下 的试验结果便 可 反 映围压 对强 度及 应力 应变特性 的影 响 显然 ， 以 往 常规 单轴方 法 仅 为三轴受力状 态下 的一个特例 ， 即 叮 二 二 在上 述 高温 三 轴装置上先将试样加热至设定 高温 、 保温 而 ， 控制 围压在选定值后按 变形控制方式 进行 轴 向加载 ， 其加 载 变形 速率取 一 月 一 ‘ 实验 用树脂砂 为第一 汽车厂 气缸 盖 专用热硬树脂砂 ， 其 中热 硬 树 脂 粘 合剂 为多 元 醇 改性糠醇脉醛树脂 ， 试样尺寸 为 直径 伪皿 配方 为 ’ 伊 呼塔 石英砂 固化剂 占树脂 为 树脂 占砂 为 混制工艺 为 而 。 ， 、 。 砂 固化剂 止二 树脂 兰斗 出砂 制样 试样 加热硬 化工 艺 为 升温 到 ℃ 并保温 而 后 ， 自然 冷却 至室 温 △。 】 图 型砂试样三轴加 载方式 瑰 加， 另，” 旧 触 扮认劝川 把贫 图 瑰 三轴加 载应 力路径 吸曲峨 声 胶 州 元认 盆 结果 与讨论 实验获得 的不 同围压及温度下 试样 的部分 应力 应 变 曲线如 图 所 示 由 图可 见 ， 温 度 一 定时 ， 其破坏强度 、 破坏应变都 随围压 叮 的增 加 而 显 著增 大 随温 度 升高 ， 热 硬树 脂 砂 的 破 坏 强度逐渐减小 在 ℃ 高温 ， ， 时 ， 试 样 常规单 向压缩 强 度 为零 ， 且 由于树脂 粘合剂热 解 、 试样颗粒解体 ， 已不存在单轴应力 应 变关 系 但在 手 的三 向应力状态下 ， 其仍能 表 现 出可 观 的破 坏 强 度 譬 如 ， ， 时 ， 。 ， ， 而 叮 二 时 ， 叮 ， 则 为

.540 张家泉等：树脂砂高温三轴力学特性 Vol.16 No.6 2.95MP.同时，由图可见：围压对应力/应变曲线的规律的影响是，随围压增大，其破坏应变随 之增大，应力/应变曲线也由单轴压缩的近于直线型转变为明显的抛物线型. 20[a 0℃ b 670已 1.0MP 1.0MPa 15 =0.6MPa 6 10 =0 6 2 =0.6MPa 0 =0 0 12 t,/% t,/% 图3热硬树脂砂应力/应变曲线 Fig3 Stress/strain curves of the resin sands 12.0a 30 670℃ 8.0 0.8 4.01 20.4 0.0 0.04.08.012.016.020.024.0 0.00.40.81.21.62.0242.8 o/MPa o/MPa 图4相关温度下树脂砂极限Mor圆及强度线 Fig.4 Mohr circles at failure of the resin sands and the correspooding failure eveiopes 以上实验表明：围压对树脂砂的高温力学特性有重要影响.这一结果揭示了树脂砂试样 是种特殊的内摩擦材料.因此，其强度理论必须按Drucker-Prager准则修正，即： ∫=xJ+(2-k=0 (1) 式中，J,是偏应力张量不变量；J是静水因子，x,k为材料常数.结合Mohr-Coulomb破 坏准则，不难得出其强度特性与其内摩擦特性的关系为： a=tg/(9+12tg'o)2 (2) k=3c/19+12tgp)2 其中：p为内摩擦角；c为粘聚力，由图3结果作该树脂砂的极限Mor圆及强度线，相应 温度下的结果如图4所示.图中，强度线与τ轴的截距为粘聚力c:强度线与横轴σ的夹角为 内摩擦角φ.由图4可知，随着温度的升高，树脂砂粘聚力随之下降，在670℃下，强度线通过 原点，即粘聚力为零；同时，随温度升高，其摩擦角却随之增大，树脂砂室温下p约为14.3（°）， 在670℃高温，尽管c为零，但p值却达30.5（°）.由式(2)可知，高温下，即使因粘合剂热解

张家泉等二 树脂砂高温三轴力学特性 同时 ， 由图可见 围压对应力 应变曲线的规律的影 响是 ， 随 围压增大 ， 其破 坏 应 变 随 之 增大 ， 应力 应变 曲线也 由单轴压缩 的近于直线型转变为 明显 的抛 物线型 ℃ ， 卜 、 拭二曰 一 盖 一 ， 乙， 己 己芝︸‘ 芝︸七 。 ， 图 热硬树脂砂应 力 应变 曲线 瑰 旅 如 。 山， 胶 戏 宜七 味 刃 ℃ 尸口 洲 件 甘三，且 芝 乙遥 口 似玲 ， 脚氏 图 相关 温度下树脂砂极 限 脸 团及强度线 瑰 、 脸 代七 血目切 奴 戏 川为 回 触 以川陀卿阴山嗯 血山此 曰到曰叩岛 以 上 实验表 明 围压 对树脂砂 的高温 力 学 特性 有 重 要 影 响 这 一 结 果 揭 示 了树 脂 砂 试 样 是 种特 殊 的 内摩擦 材料 因此 ， 其强度理 论必须按 一 准则修正 ， 即 ， 试 ‘ ， 一 式 中 ， 几 ‘ 是 偏 应力 张量 不 变量 是静水 因子 ， ， 为材 料 常数 结 合 一 破 坏准则 ， 不难得 出其强 度特性 与其 内摩擦特性 的关 系 为 一 甲 ，职 ，‘ 切 ‘ ， 其 中 甲 为 内摩擦 角 。 为粘 聚力 由图 结 果 作 该 树 脂 砂 的 极 限 圆 及 强 度 线 ， 相 应 温度 下 的结果 如 图 所示 图 中 ， 强度线 与 轴的截距 为 粘 聚 力 强 度 线 与横 轴 。 的夹 角 为 内摩擦 角 中 由图 可 知 ， 随着温度 的升高 ， 树脂砂粘 聚力 随之 下 降 ， 在 ℃ 下 ， 强 度 线 通 过 原点 ， 即粘 聚力为零 同时 ， 随温度升高 ， 其摩擦角却随之增大 ， 树脂砂 室温下 甲 约为 。 ， 在 ℃ 高温 ， 尽管 。 为零 ， 但 甲 值却 达 “ 由 式 可知 ， 高温下 ， 即使因粘合剂热解

1994年No.6 北京科技大学学报 541· 导致c及材料常数k为零，但因x取决于φ并不为琴，故树脂砂仍具有抵抗变形能力.以上 正是以往经典强度理论及树脂砂单轴力学性能没能提示的本质问题.可见，修正后的基于三 向应力的型砂强度理论能够较科学地描述型砂的强度特性；而且还表明：生产中为了降低型 砂的高温强度，不仅可以从降低粘合剂热解温度或高温粘聚力着手，使用圆整原砂、减小型砂 的内摩擦角同样有重要作用.因此，基于新研制的型砂高温三轴装置，所揭示的型砂高温三轴 力学特性及其修正的强度理论为建立合理的热裂分析及防治措施提供了科学依据， 3结论 (1)获得了树脂砂在接近实际工况条件下的三轴应力/应变曲线；揭示出型砂三轴力学特 性与传统单轴力学特性的重要差异， (2)树脂砂在高温下失去粘聚力，但其内摩擦角在高温下为最大；修正的强度理论表明这 是这类型砂在高温下仍具有抵抗变形能力的本质， 参考文献 1 Willaams DC.Selected Principles of Soil Mechanics Related to Sand Testing.AFS Transaction,1960. 68:107~110 2张家泉，铝合金气缸盖三维凝固模拟研究：【博士学位论文)北京：清华大学机械系，993 的的的的的的的0的的的响的的响的的的响响的响的响喻的的响的响响的的的的的的的的的的 (上接537页) 参考文献 I Duda R O.Hart P E.Pattem Classification and Scene Analysis.New York:John Wiley Son,1973.47 2 Devijver P A.Kittler J.A Statistical Approach,Pattem Recognition.Prentice Hall.1982(5):35 3周取定，孔令坛.铁矿石造块理论及工艺.北京：冶金工业出板社，1992.80 4 Teil H.Correspondence Factor Analysis:An Outline of Its Method.Jour Math Geology,1975(7):17

燮辫 年 石 北 京 科 技 大 学 学 报 · 科 · 导致 及材料 常数 为零 ， 但 因 “ 取决于 毋 并 不 为零 ， 故树脂砂 仍 具 有 抵 抗 变形 能 力 以 上 正 是 以往经典强 度理论及树脂砂单轴力学性 能没 能提 示 的本质 问题 可 见 ， 修正 后 的基 于 三 向应力 的型砂强度理论能够较科学地描述型 砂 的 强 度 特 性 而 且 还 表 明 生 产 中为 了 降低 型 砂 的高温强度 ， 不仅可 以 从降低粘合剂热解温度或高温粘 聚力着手 ， 使用 圆整 原 砂 、 减 小 型 砂 的 内摩擦 角 同样有重要作 用 因此 ， 基于新研制 的型砂高温 三轴装置 ， 所揭 示 的型 砂 高 温 三 轴 力学特性及其修正 的强度理 论 为建立合理 的热裂分析及 防治措施提供 了科 学依据 结论 获得 了树脂砂 在接 近实际工 况条件下的三轴应力 应变曲线 揭示 出型砂 三轴力学特 性 与传统单轴力学特性 的重要 差异 树脂砂在高温下失去粘 聚力 ， 但其 内摩擦角在高温下为最大 修正 的强度理论表明这 是这类型砂在高温下仍具有抵抗 变形 能力 的本质 参 考 文 献 业团戊 阮】 。 沈司 铂 抽画 挂 血 污 拍几沮 沁 ， 蛤〕 ， ’ 张家泉 铝合金气缸盖三维凝 固模拟研究 【博士 学位论文 北京 清华 大学机械 系 ， 男 上 接 页 参 考 文 献 纽 ， 足骆币以由 词翼 ， 块 、勺二 人 幻川 石司 ， 几讹 二脚 ， 匀 周取 定 ， 孔令坛 铁矿石造块理论及工 艺 北京 冶金工 业 出板社 ， 卯 及口 毗 几日邓 ， 又乃