9 钢的高温力学性能及相变测试钢的高温力学性能及相变测试 ●钢的高温力学性能钢的高温力学性能 （1）连铸过程铸坯产生的裂纹是常见的一种质量 缺陷， 它产生原因很复杂，其中钢的高温力学性能有重要的影响， 充分了解 铸坯冷却过程中 钢的力学性能的变化 ，对制定 合理的连铸 铸坯冷却工艺，避免 连铸坯裂纹缺陷具有重要 作用 （2）钢中化学成分和 有害 元素（例如 S、Cu、Sn）对钢 的高温力学性能有显著的影响 怎样能够测出钢的高温力学性能？ ●钢的相变钢的相变 （1）碳钢从高温以不同冷速降到低温，钢的 组织会由奥氏体转变为 铁素体、珠光体、贝氏体、 马氏体等 ，钢的力学性能相应改变 （2）在钢的热处理过程中或者轧钢冷却过程 中钢的组织和性能控制经常用到CCT曲线（过冷 奥氏体连续冷却转变曲线） CCT曲线是怎样测出的？ 9.19.1钢的高温力学性能及相变测试钢的高温力学性能及相变测试实验设备实验设备 GleebleGleeble热热/ /力学模拟机简介及其工作原理力学模拟机简介及其工作原理 Gleeble热模拟试验热模拟试验 （（1 1）简介）简介 • Gleeble 是一部动态试验机，它能模拟金属材料在 热加工过程中的行为，简便地再现金属材料的热 加工现象。
• Gleeble在模拟与测试过程中能够控制不同速度的 升降温、不同速度的拉压扭变形，同时记录测试 区中的温度、力、应变、应力等参数的变化 • 可对金属材料的铸造、成形、热处理及焊接工艺 等各个制备阶段的工艺与材料的性能进行精确的 模拟与测试 • Gleeble系统主要有：加热系统、机械系统、计算 机数字控制系统三大部分组成； • 两个伺服闭环回路：加热系统伺服闭环回路、力 学系统伺服闭环回路 （（2 2）工作原理（以）工作原理（以GleebleGleeble- -15001500为例）为例） Gleeble－－1500热热/力模拟试验机力模拟试验机 Gleeble 模 拟 机 结 构 方 框 图 模 拟 机 结 构 方 框 图 力学系统伺服闭环回路 实现载荷控制、位移控制和应 变控制 加热系统伺服闭环回路 实现温度的精确测量 两个伺服闭环回路 根据焦耳-楞次定律： 次级回路不是纯电阻电路 ： 欲获得较快的加热速度或较高的加热温度（一定时间内产 生多的热量），必须提高次级输出电压 （次级回路阻抗： ，X为回路感抗 ） （（2.1 2.1 ）加热系统）加热系统 Gleeble 1500的加热系统主要由：加热变压器、温度测量与控 制系统、冷却系统三部分组成。
加热 Z U I RtIQ 2 22 XRZ 温度测量与控制 反馈信号 计算机信号 极性相反 实际温度=程序温度，合成为零 程序温度＞反馈温度→提供变化了的触发脉冲宽度→加宽可 控硅导通角→增加输出电流→加热 温度的测量采用热电偶或光电高温计 加热系统采用的是闭环伺服系统伺服模块的功能是比较 这两个输入信号并为可控硅调节器提供脉冲，来实时调节 通过试样的电流大小，保持实际温度与程序温度相一致 冷却 冷却系统：试样与夹具的接触传导、喷水（喷气）急冷装置 冷却速率影响因素：试件的材质 、试件的尺寸、夹头材料、 试样的自由跨度 Gleeble试样夹持装置示意图试样夹持装置示意图 均温区 均温区：即为物理模拟试件的 工作区，其宽窄对模拟试验结 果有重要影响 试样的轴向冷却产生了一个横 向的等温面，通过选择试样尺 寸、自由跨度和不同材质的卡 具，可以调节轴向温度梯度， 并可在试样的跨度的中部获得 一定体积的均温区 Gleeble试样沿轴向温度分布示意图试样沿轴向温度分布示意图 （（2.22.2）） 机械系统机械系统 机械系统由高速伺服阀控制的液压驱动系统，力传递机械 装置以及力学参数的测量与控制系统所组成。
负载传感器 位移检测计 应变检测计 程序信号 差值放大 反馈信号 控制回路 例：若选择位移检测计的输出为反馈信号，那么试样的位移将随计 算机程序的给定值而变化，也就是说，由于采用了闭环控制系统， 反馈信号将与给定信号不断追随比较直到相等为止 （（2.3 2.3 ）计算机控制系统）计算机控制系统 通过控制柜的各种模块（插件）实现D/A及A/D转换，对热、力 系统进行实时闭环控制； 数据采集系统，可实现数据采集及分析处理 ； 软件：一是Gleeble语言编程及操作控制软件； 二是模拟热加工过程（如焊接热影响区）的专用软件 计算机控制系统是Gleeble热/力学模拟试验机的心脏，它 提供了用于闭环控制的热和力学系统所需的所有变量信号 （（3 3））GleebleGleeble热热/ /力学模拟机的型号与性能力学模拟机的型号与性能 随着计算机控制技术的应用以及测量系统的完善和机械 装置的改进，现在的Gleeble热/力学模拟机主要有Gleeble- 1500、2000、3200/3500/3800等系列型号，模拟精度和模 拟技术的应用水平得到不断提高 型号 性能 Gleeble 1500 Gleeble 2000 Gleeble 3000系列 Gleeble 3200 Gleeble 3500 Gleeble 3800 加热速度 最大 10000℃/s 最小 保持温度恒 定 最大 10000℃/s 最小 保持温度恒 定 最大 10000℃/s 最小 保持温度恒 定 最大 10000℃/s 最小 保持温度恒 定 最大 10000℃/s 最小 保持温度恒 定 冷却速度 最大 140℃/s 急冷 10000℃/s 最大 140℃/秒 急冷 10000℃/s 最大 140℃/s 急冷 10000℃/s 最大 140℃/s 急冷 10000℃/s 最大 140℃/秒 急冷 10000℃/s 最大载荷 拉速/压缩 8.1t 动态载荷 5.4t 拉速/压缩 20t 动态载荷 8t 拉速/压缩 2t 拉速/压缩 10t 动态载荷 5t 20t压缩/10t拉伸 动态载荷 8t 位移速度 最大 1000mm/s 最小.000017 mm/s 最大 2000 mm/s 最小 0.01 mm/s 最大 100 mm/s 最大 1000 mm/s 最小 0.01 mm/s 最大 2000 mm/s 最小 0.01 mm/s 不同型号不同型号GleebleGleeble模拟机的主要性能指标模拟机的主要性能指标 （（4 4））GleebleGleeble应用范围应用范围 （包括但不局限于以下几个方面） 1、材料测试、材料测试 ●高/低温拉伸测试 ●高/低温压缩测试 ○单轴压缩 ○平面压缩 ○应变诱导裂纹（SICO） ●熔化和凝固 ●零强度/零塑性温度确定 ●热循环/热处理 ●膨胀/相变，TTT/CCT曲线 ●裂纹敏感性试验 ●形变热处理 ○应变诱导析出 ○回复，再结晶 ○应力松弛析出试验 ○蠕变/应力破坏试验 ●液化脆性断裂研究 ●固/液界面研究 ●固液两相区材料变形行为 ●热疲劳，热/机械疲劳 2、过程模拟、过程模拟 ●铸造和连铸 ●固液两相区加工过程 ●热轧/锻压/挤压 ●焊接 ○HAZ热影响区 ○焊缝金属 ○电阻对焊接 ○激光焊 ○扩散焊 ○镦粗焊 ●板带连续退火 ●热处理 ●粉末冶金/烧结 ●合成（SHS） 9.29.2 钢的高温力学性能测定钢的高温力学性能测定 （（1 1））GleeleGleele高温拉伸试验高温拉伸试验 Gleeble高温拉伸试验高温拉伸试验 • Gleeble高温拉伸试验是研 究材料热塑性最常用的方 法。
• 通过Gleeble高温拉伸试验， 可得知材料的高温力学性 能，如不同成分钢种的塑 性温度区间，不同温度下 材料的抗拉强度、屈服强 度，以及其零强度与零塑 性温度，热塑性与温度、 热历程、冷却速率、应变 速率等的关系 – 断面收缩率：断面收缩率：以试样拉伸前后的断面收缩率Ra作为衡量其高温热 塑性的指标，Ra的计算方法见下式 Ra= -- 抗拉强度：抗拉强度：由每个试样拉伸试验曲线上读出最大的拉力值，再根 据下式计算试样抗拉强度σb 热塑性拉伸试验时，高温力学性能的评定指标主要是断面 收缩率和强度极限 22 01 2 0 100% DD D 2 0 4 b F D 式中 Ra—断面收缩率，%； D0—试样原始直径，mm； D1—试样拉断后直径，mm 式中 σb—抗拉强度，N/mm2； F —拉伸过程中拉力的最大值，N ； D0—试样原始直径，mm •试验温度：试验温度：通常将熔点Tm～600℃之间分为三个温度区间进行研 究，Ⅰ区：Tm～1200℃、Ⅱ区：1200～900℃、Ⅲ区：900～ 600℃ •试样尺寸试样尺寸：Gleeble高温拉伸试样尺寸一般有直径Φ10mm和 Φ6mm两种，长度为大于90mm的不定值，可根据实际需要改变。
典型的Gleele-1500高温拉伸试验尺寸如下图所示 1010 120 1.5×45° M10 0.5 φ 10 gleeble-1500高温拉伸试样尺寸高温拉伸试样尺寸 • 热历程曲线：通过设计和控制不同的热历程曲线， 可以有效模拟测试不同热加工态下材料的高温性能 高温拉伸试验热历程图高温拉伸试验热历程图 •铃木等人系统地研究了铝 镇静低碳钢的高温塑性变 化曲线，发现了三个低塑 性区，如左图所示 Ⅰ区（Tm～1200℃）：在高于1300℃时，由于晶界开始初熔导 致塑性陡降，此温度区间塑性的降落与应变速度关系不大； Ⅱ区（1200～900℃）：此时钢处于奥氏体状态由于结晶过程 中硫、磷以及氧化物等杂质在奥氏体的晶间析出，提供了晶界空 洞的形核源，而导致塑性下降； Ⅲ区（900～600℃）：此时脆性是由于先共析体薄膜的形成，以 及这种析出导致基体（晶内）强化和晶界的滑动，此时，脆性伴 随应变速率的提高而增加 （（2）例：）例：Sn对齿轮钢热塑性的影响对齿轮钢热塑性的影响 Sn作为钢中的残余有害元素 ，会降低钢的热塑性造成 连铸坯的表面裂纹，在轧钢时还会造成轧材的表面裂纹。
以下以“Sn对齿轮钢热塑性的影响”为例介绍钢的热 塑性研究方法 ①试验材料与实验方法 将钢样加工成Φ 10×120mm圆棒，在Gleeble热模拟机上 进行高温拉伸实验 图图2-1 热拉试样尺寸热拉试样尺寸 表表 试验用齿轮钢试验用齿轮钢20CrMnTi的化学成分的化学成分(质量分数，质量分数，%) 试样 C Si Mn P S Cr Ti Sn A 0.18 0.28 1.08 0.020 0.010 1.11 0.10 0.004 B 0.19 0.27 0.85 0.018 0.005 1.13 0.07 0.021 C 0.19 0.26 1.08 0.020 0.005 1.08 0.09 0.049 图图 Gleeble-1500高温拉伸实验工艺高温拉伸实验工艺 ②试验结果 热塑性与热强度 图图 试样面缩率与温度关系试样面缩率与温度关系 •温度大于1000℃，三条曲线比较接近，其热塑性均较好 •温度小于1000℃特别是在950~800℃之间，随Sn含量增加，热塑性明显降低 •在相同温度下，随Sn含量增加，热塑性明显降低 图图 试样抗拉强度与温度关系试样抗拉强度与温度关系 各试样在所测温度范围内抗拉强度基本一致， 说明Sn含量的不同对其高温抗拉强度没有明显的影响。
③高温拉伸断口检测 图图4 950℃℃的试样断口形貌：的试样断口形貌：(a)试样试样A；；(b)试样试样B；；(c)试样试样C •试样A、B的断口为塑性断裂，表面有许多大而深的塑坑以及韧窝 •试样C断口形貌呈典型冰糖状，属沿晶脆性断裂 •说明试样中Sn≥0.049%显著降低其热塑性而造成脆性断裂； 当Sn≤0.021%时，对。