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1、热膨胀法测定钢的 连续冷却转变图 主讲教师:一、实验目的uu1 1了解热膨胀法测定了解热膨胀法测定CCTCCT图的原理与方图的原理与方法。法。uu2 2掌握用动态热力学模拟试验机测定钢掌握用动态热力学模拟试验机测定钢的连续冷却转变图的方法。的连续冷却转变图的方法。uu3 3熟悉熟悉GleebleGleeble 1500 1500试验机的基本操作。试验机的基本操作。二、实验原理 钢的连续冷却转变图（钢的连续冷却转变图（continuous cooling continuous cooling transformation diagramtransformation diagram，简称，简称CC
2、TCCT图）是指过冷图）是指过冷 奥氏体在连续冷却条件下，转变开始温度和终了奥氏体在连续冷却条件下，转变开始温度和终了 温度、转变开始时间和终了时间以及转变的组织温度、转变开始时间和终了时间以及转变的组织 、室温硬度与冷却速度之间关系的曲线图。、室温硬度与冷却速度之间关系的曲线图。 影响影响CCTCCT的主要因素包括化学成分（的主要因素包括化学成分（C C、MnMn、SiSi、 MoMo、CrCr、NiNi和和V V等）、测定时的最高加热温度、测等）、测定时的最高加热温度、测 定时的加热速度和高温停留时间、应力应变状态定时的加热速度和高温停留时间、应力应变状态 以及原始组织。以及原始组织。CC
3、TCCT图的测量方法常见的有热膨胀图的测量方法常见的有热膨胀 法、热分析法、金相法和磁性法。最常用的是热法、热分析法、金相法和磁性法。最常用的是热 膨胀法，且常配合热分析法和金相法进行测定。膨胀法，且常配合热分析法和金相法进行测定。 热膨胀法测定钢的热膨胀法测定钢的CCTCCT图的原理如下：图的原理如下： 同一种金属的不同组织如奥氏体、铁素体、珠光同一种金属的不同组织如奥氏体、铁素体、珠光 体、贝氏体和马氏体等有不同的比容。故当高温体、贝氏体和马氏体等有不同的比容。故当高温 奥氏体在连续冷却过程中发生相变时试件的长度奥氏体在连续冷却过程中发生相变时试件的长度 （对于用（对于用GleebleGl
4、eeble 1500 1500动态热一力学模拟试验机动态热一力学模拟试验机 测试测试CCTCCT图时，长度是指圆柱体试样的直径）将发图时，长度是指圆柱体试样的直径）将发 生变化，并符合下列关系：生变化，并符合下列关系： 式中式中 试样加热或冷却时全膨胀量。试样加热或冷却时全膨胀量。相变体积效应引起的长度变化量。相变体积效应引起的长度变化量。温度变化引起的长度变化量。温度变化引起的长度变化量。 (为金属的热膨胀系数，为金属的热膨胀系数，TT为温度变化量）。为温度变化量）。 当冷却过程中不发生相变时，当冷却过程中不发生相变时， ，因此，因此， 即即LL随温度变化成线性变化。当冷随温度变化成线性变化
5、。当冷 却过程中发生相变时，却过程中发生相变时， ，因此，因此， ， LL偏离线性变化，反映在膨胀曲线上是发生转折偏离线性变化，反映在膨胀曲线上是发生转折 ，据此转折的切离点可以确定相变的开始温度。，据此转折的切离点可以确定相变的开始温度。 当相变结束时，当相变结束时， ，因此，因此， ， LL 随变化温度又成线性变化，从直线的开始点可以随变化温度又成线性变化，从直线的开始点可以 确定相变的终了温度。确定相变的终了温度。 用热模拟方法测用热模拟方法测CCTCCT图时图时, ,用膨胀仪记录用膨胀仪记录L-t(L-t(膨膨 胀量时间）曲线，并记录胀量时间）曲线，并记录T Tt t（温度时间）（温度
6、时间） 曲线（或称温度曲线），如曲线（或称温度曲线），如图图1 1所示。再将上述曲所示。再将上述曲 线转化成线转化成L-TL-T曲线，分析曲线的转折变化，即可曲线，分析曲线的转折变化，即可 确定相变点，如确定相变点，如图图2 2所示。所示。 由于由于CCTCCT图显示了不同的冷却速度与高温组织转图显示了不同的冷却速度与高温组织转 变、临界冷却时间、室温组织及其硬度之间的直变、临界冷却时间、室温组织及其硬度之间的直 接关系（如接关系（如图图3 3所示），因此为材料热加工（如铸所示），因此为材料热加工（如铸 造、焊接、锻压、热处理等）的工艺制定甚至新造、焊接、锻压、热处理等）的工艺制定甚至新 钢种
7、的成分设计提供了依据。具体体现在如下几钢种的成分设计提供了依据。具体体现在如下几 个方面。个方面。 （1 1）从）从CCTCCT图上可获得钢的各种临界冷却速度和图上可获得钢的各种临界冷却速度和 时间（如获得时间（如获得100100马氏体马氏体MM的最小冷却速度和最的最小冷却速度和最 长冷却时间，出现铁素体长冷却时间，出现铁素体F F的最大冷却速度和最短的最大冷却速度和最短 冷却时间，出现珠光体冷却时间，出现珠光体P P的最大冷却速度和最短冷的最大冷却速度和最短冷 却时间，出现中间组织却时间，出现中间组织Z Z的最大冷却速度和最短冷的最大冷却速度和最短冷 却时间，以及马氏体完全消失的最大冷却速度
8、和却时间，以及马氏体完全消失的最大冷却速度和 最短冷却时间）。根据上述数据可评定钢的抗裂最短冷却时间）。根据上述数据可评定钢的抗裂 纹尤其是热裂纹和冷裂纹的敏感性。纹尤其是热裂纹和冷裂纹的敏感性。 （2 2）根据）根据CCTCCT图可估计热加工钢件的组织和性能图可估计热加工钢件的组织和性能 ，分析钢件或者焊接热影响区的韧性。，分析钢件或者焊接热影响区的韧性。 （3 3）根据）根据CCTCCT图可合理制定正确的热加工如热处图可合理制定正确的热加工如热处 理、焊接和锻压的加工工艺规范尤其是冷却规范理、焊接和锻压的加工工艺规范尤其是冷却规范 。三、实验设备及材料 Gleeble 1500动态热力学模
9、拟试验机，45 钢或40Cr钢试件。 四、实验方法 用动态热力学物理模拟试验机用动态热力学物理模拟试验机GleebleGleeble 1500 1500，采，采 用膨胀法测定用膨胀法测定CCTCCT图的方法是：用图的方法是：用GleebleGleeble 1500 1500主主 机中的变压器对被测定试样（机中的变压器对被测定试样（3310801080 120mm120mm，在试验过程中其非夹持部分即自由跨度，在试验过程中其非夹持部分即自由跨度 为为404060mm60mm）通电流，通过试样本身的电阻热加）通电流，通过试样本身的电阻热加 热试样，使其按设定的加热速度加热到最高温度热试样，使其按设
10、定的加热速度加热到最高温度 （对于一般热处理的（对于一般热处理的CCTCCT图，其最高加热温度为图，其最高加热温度为A Ac3c3（5050150150），加热升温时间为，加热升温时间为120120300s300s ，保温时间为，保温时间为180180300s300s），保温一定时间后，控），保温一定时间后，控 制冷却速度进行冷却（如淬火、空冷，一般通电制冷却速度进行冷却（如淬火、空冷，一般通电 加热冷却以及充加热冷却以及充ArAr或或N N2 2气配合通电加热冷却等）气配合通电加热冷却等） 。由于试样两端由通水的冷却块夹持，冷却快，。由于试样两端由通水的冷却块夹持，冷却快， 所以整个试样在加
11、热和保温过程中存在一所以整个试样在加热和保温过程中存在一定的温度梯度，中间段温度高，但当试样足够长定的温度梯度，中间段温度高，但当试样足够长 （8080120mm120mm）时，热电偶检测的中间部位约有）时，热电偶检测的中间部位约有8 8 18mm 18mm 长的均温区。加热、保温和冷却过程中长的均温区。加热、保温和冷却过程中 用径向位移传感器测定均温区的径向位移（或称用径向位移传感器测定均温区的径向位移（或称 膨胀量），绘制温度时间、膨胀量时间以及膨胀量），绘制温度时间、膨胀量时间以及 膨胀量温度曲线如膨胀量温度曲线如图图4 4所示，测定每种冷却速度所示，测定每种冷却速度 下试样室温硬度，根
12、据膨胀量温度曲线确定不下试样室温硬度，根据膨胀量温度曲线确定不 同连续冷却过程中的相变点（曲线中的转折点）同连续冷却过程中的相变点（曲线中的转折点） ，并根据各种冷却速度下的硬度值，绘制，并根据各种冷却速度下的硬度值，绘制CCTCCT图图 。五、实验步骤 1 1实验前仔细阅读并了解实验前仔细阅读并了解GleebleGleeble 1500 1500动态热动态热力学模拟试验机的基本结构与功能。力学模拟试验机的基本结构与功能。 2 2了解了解GleebleGleeble 1500 1500动态热力学模拟试验机的动态热力学模拟试验机的基本操作。基本操作。 3 3每人领取一个试样，制定测试步骤，经实验
13、指每人领取一个试样，制定测试步骤，经实验指导教师审核后，分别测定导教师审核后，分别测定4545钢和钢和40Cr 40Cr 钢在某钢在某冷却速度条件下的热膨胀量与温度之间的关冷却速度条件下的热膨胀量与温度之间的关系，以及该冷却速度条件下试样的平均硬度。系，以及该冷却速度条件下试样的平均硬度。 4 4其他同一大组的同学协助并观察正在实验的同其他同一大组的同学协助并观察正在实验的同学进行实验。学进行实验。 5 5若干大组数据共享，对实验数据进行整理。若干大组数据共享，对实验数据进行整理。六、实验报告要求 1写出实验目的、内容和基本原理。 2简述实验步骤。 3收集本大组和其他大组的实验数据，分别画出45 钢和40Cr钢的一般热处理 CCT 图。图1 热模拟试验测定的温度曲线和膨胀曲线图2 曲线图3 碳钢（0.46C）的过冷奥氏体连续冷却转变图（a）模拟45钢一般热处理的温度- 时间以及膨胀量-时间实测曲线（b）模拟45钢一般热处理的膨胀 量-温度实测曲线图4 模拟45钢一般热处理的温度-时间以及膨胀量-温度实测曲线
