Gleeble 3500热模拟试验机
GLEEBLE实验1-高温强度.
GLEEBL实验实验一金属材料高温强度的测定．实验目的(1) 了解典型金属材料的高温强度与塑性及其随温度的变化规律。
(2) 掌握用材料加工物理模拟设备即动态热- 力学模拟试验机Gleeble3500测定材料抗拉强度、屈服强度和塑性的原理。
(3) 掌握Gleeble 3500 试验机的简单操作与编程．并了解其一般应用。
(4) 测定不同钢种如20 、45 、40Cr 和1Crl8Ni9 不锈钢的拉伸强度及其塑性随温度的变化并进行比较；测定并分析变形速度对强度的影响规律。
．概述材料的力学性能在科学研究和工程应用中具有非常重要的作用。
例如，数值模拟研究必须以力学性能为依据；负载结构的设计和材料热加工工艺方案(如焊接、锻压、热处理、表面改性等工艺)的制定必须以力学性能为基础等等。
温度对材料的力学性能功能影响很大。
高温强度和塑性是材料高温使用和热加工时需要考虑的重要力学性能指标，了解其测试方法及其随温度的变化规律，是对高温结构材料进行科学研究和应用的基础。
本次实验主要研究金属材料高温短时拉伸的力学性能。
金属材料如钢材的强度和塑性由基体组织类型(如马氏体M，铁素体F,珠光体P,贝氏体B，奥氏体A、晶粒大小、基体强化类型(固溶强化和弥散强化)，以及与此有关的加工变形程度、热处理条件等决定，因此，不同类型的金属及其合金的强度和韧性及其随温度变化的规律存在明显区别，一般来讲，材料按高温强度由低到高的排列顺序为：碳素钢，低合金钢，高合金钢，不锈钢，镍基高温合金。
金属力学性能指标一般按金属材料室温拉伸试验方法(GB/T228-2002) 和金属材料室温拉伸试验方法(GB/T4338-1995) 进行测试。
测试数据全面，但较繁琐。
本实验用动态热-力学模拟试验机Gleeble 快速测定金属材料的高温强度。
动态热-力学模拟试验机Gleeble3500 测定材料高温性能的原理如下：用主机中的变压器对被测定试样通电流，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测试温度。
用Gleeble3500测塑性功转热系数的研究
第 １期
河 北联合大 学学 报 （ 自然科 学版 ） Ｊｕｎｌ ｆ ｂｉ ｎｔｄＵｎｖｒｉ Ｎ ｔｒｌ ｃ ｎｅＥ ｉｏ ） ｏ ｒａ ｅ Ｕ ｉ ｉｅｓｙ（ ａ ａ Ｓｉ ｃ ｄｉ ｏ Ｈｅ ｅ ｔ ｕ ｅ ｔｎ
Ｖｏ． ４ Ｎｏ １ １３ ．
２１ ０２年 １ 月
一
案 Ｃ 冷却到 ９０ｏ 的时候保温 １ｓ立即停止加热立 即压缩 。压缩速率为 ｌ／ ， ： ０ Ｃ ０， Ｏ ｓ压缩量为 ８ ｍ， ａ ｒ 期间采集 的 数据有：Ｃ ，Ｃ ，ｒ ｎｓｅｓ ， Ｔ １Ｔ ３ ｓａ ，ｒ 等 查看变形过程中 Ｔ １ ｔｉ ｔ ｓ Ｃ 以及 Ｔ ３ Ｃ 所采集的温度变化 ； 方案 Ａ中 Ｔ １Ｔ ３ Ｃ ，Ｃ 分 别为正常焊接的热 电偶检测的温度和非标准焊接的热电偶检测的温度 ； 方案 与方案 ｃ中 Ｔ １ Ｃ 为正常焊接 的热 电偶检 测 的温 度 ；ｒｉ，ｒｓ 分别为应 变与应 力 。 ｓａ ｓｅｓ ｔｎ ｔ
造成的温度变化； 为试样内外温度梯度造成的温度变化值 ； Ｔ 为塑性功转化成热导致的温度变化值 ； ｄ ａ， ｄ 为试样接触面积变大导致的温度变化值。 由（ ） １式可计算塑性变形导致的温度变化量 ， ｄ ， ｄ 取代公式（ ） 即： 用 ２ 中的 △ ］求得转化系数。 ，
叼 ＝ｐＡＴ Ｗ ｃ ／ （） ２ 式中， 叩为功热转化系数 ； 为塑性功转化成热导致 的温度变化值 ； 为试样在该条件下的比热容 ； △ ｃ Ｐ
收稿 日期 ：０ １ ５１ ２ １－ —１ ０
第１ 期
李红斌 ， 用 Ｇｅｂ ３０ 等： ｌ ｌ ５０测塑性功转热系数的研究 ｅｅ
一
１ １
关键词 ： 塑性 功 ； 转化 系数 ； ｌｅｌ ５ ０ 热能 Ｇｅｂｅ ０ ； ３
Q345D钢的热变形抗力研究
Q345D钢的热变形抗力研究李海阳;纪登鹏;周晓航;张梅【摘要】利用Gleeble-3500热-力模拟试验机,在变形温度为750 ~1200 ℃、应变速率为0.01~10 s-1、应变量为0.7的条件下对Q345D钢进行单道次压缩试验,得到其真应力-真应变曲线,分析了变形温度、应变速率和变形程度对变形抗力的影响.结果表明,降低变形温度和提高变形速率,均可使Q345D钢的变形抗力增大;只有在较低的变形速率和较高的变形温度下, Q345D钢才发生动态再结晶.通过非线性拟合,建立了Q345D钢的变形抗力模型,并与试验变形抗力进行对比分析,结果表明该模型具有较高的拟合精度.%The single pass axial compression tests ofQ345D steel were conducted on the Gleeble-3500 thermomechanical simulator at the temperatures of 750 ℃ to 1 200 ℃ and the strain rates of 0.01 s-1to 10 s-1with a constant strain of 0.7. Based on the true stress-true strain curves, the effects of deformation temperature, strain rate and deformation degree on the deformation resistance were analyzed. The results showed that the deformation resistance increased with the decreasing temperature and the increasing strain rate; The dynamic recrystallization of Q345D steel only occurred at lower strain rate and higher deformation temperature. The deformation resistance model suitable for the Q345D steel was established by means of nonlinear fitting. The high fitting accuracy of that model was proved by comparison with the regressive method and the tested stresses.【期刊名称】《上海金属》【年(卷),期】2018(040)002【总页数】5页(P19-23)【关键词】Q345D钢;真应力-真应变;变形抗力;数学模型【作者】李海阳;纪登鹏;周晓航;张梅【作者单位】省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室、上海市钢铁冶金新技术开发应用重点实验室和上海大学材料科学与工程学院,上海 200072;省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室、上海市钢铁冶金新技术开发应用重点实验室和上海大学材料科学与工程学院,上海 200072;省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室、上海市钢铁冶金新技术开发应用重点实验室和上海大学材料科学与工程学院,上海 200072;省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室、上海市钢铁冶金新技术开发应用重点实验室和上海大学材料科学与工程学院,上海 200072【正文语种】中文Q345D钢是一种低合金高强度工程结构钢，具有良好的塑性、韧性、耐低温性能、加工工艺性能和焊接性能等，被广泛应用于石油、车辆、船舶、建筑和压力容器等领域[1- 4]。
SUS304不锈钢高温力学性能的物理模拟
304 不锈钢高温力学性能的物理模拟关小霞田建军杨健指导教师：杨庆祥胡宏彦博士燕山大学材料科学与工程学院摘要：采用Gleeble-3500热模拟试验机对304 不锈钢的高温力学性能进行了物理模拟。
对模拟结果中应力-应变曲线进行分析，并结合断口附近组织形貌的观察，得出结论：金属的极限应力随温度升高呈下降趋势；在δ-Fe向γ-Fe转变的某一温度，金属塑性急剧下降；对断口附近金相组织及SEM分析，推测晶界处可能存在着元素偏聚或析出相现象。
关键词：304不锈钢；力学性能；物理模拟1.前言：双辊铸轧不锈钢薄带技术是目前冶金及材料领域的前沿技术之一[1]，是直接用钢水制成2-5mm厚薄带的工艺过程。
该技术可以大大简化薄带钢的生产流程，降低生产成本，并形成低偏析、超细化的凝固组织，从而使带材具有良好的性能，被公认为钢铁工业的革命性技术[2、3]。
但是，不锈钢经铸轧后，薄带表面会形成宏观的裂纹，从而降低不锈钢薄带的力学性能，影响其质量[4-6]。
国内外在双辊铸轧不锈钢薄带技术上已经开展了一些研究工作。
文献[7]对比了铸轧铁素体和奥氏体不锈钢薄带；文献[8、9]对铸轧304不锈钢薄带过程中高温铁素体的溶解动力学进行了研究；文献[10]对不锈钢薄带铸轧过程中凝固热参数和组织进行了研究；文献[11-14]对不锈钢薄带铸轧过程中的流场和温度场进行了数值模拟；文献[15]对铸轧304不锈钢薄带的力学性能进行了研究。
文献[16]对304不锈钢在加热过程中的高温铁素体形核与长大和夹杂物在固－液界面的聚集进行了原位观察；文献[17]对薄带铸轧溶池液面进行了物理模拟；文献[18]对铸轧不锈钢薄带过程的凝固组织、流场、温度场及热应力场进行了数值模拟。
但是，缺少对铸轧不锈钢薄带表面与内部裂纹的生成机理、演变规律以及预防措施方面的研究。
在高温性能物理模拟方面，国内外也有不少研究。
文献[19]应用THERMECMASTOR-Z热加工模拟机对奥氏体不锈钢的高温热变形进行了模拟试验；文献[20]利用Gleeble-1500试验机对铸态奥氏体不锈钢在1000-1200℃温度区间进行了热压缩试验；文献[21]从位错理论角度出发，对高钼不锈钢热加工特征与综合流变应力模型进行了研究。
高锰钢形变过程中加工硬化机理的研究
高锰钢形变过程中加工硬化机理的研究∗张福全;何翠;周惦武【摘要】采用Gleeble-3500试验机对ZGMn13Cr2高锰钢进行0.1 s-1应变速率下的室温压缩实验,应变量分别为5%,30%和50%.利用金相显微镜、维氏显微硬度机、XRD 和TEM等方法,研究了压缩变形量对 ZGMn13Cr2显微组织衍变及加工硬化机制的影响.结果表明：高锰钢压缩变形后晶粒内出现大量变形带,变形带相互交叉、缠结、割截.压缩变形量为5%时,高密度位错相互缠结呈位错胞或者位错墙,压缩变形量为30%时,基体内出现形变孪晶,随着变形量的进一步增大,孪晶的密度和体积分数增大,水韧态高锰钢在压缩变形量为50%的条件下,其显微硬度与初始态相比提高了125%,达到 HV560.8.XRD 结果显示,压缩变形后基体组织为奥氏体和少量的碳化物,未发现相变诱发马氏体组织.随着变形量的增大,高锰钢加工硬化机理由位错强化机制向形变孪晶强化为主、位错+少量层错强化机制为辅的机制转变.%Compression test of ZGMn13Cr2 Hadfield steel was carried out by Gleeble-3500 thermal sim-ulator at the deformation temperature of 298 K under a constant loading strain rate of 0.1 s-1 and with the compressive deformation of 5%,30%,and 50%,respectively.The effects of compressive deformations on the microstructure evolution and work hardening mechanism of ZGMn13Cr2 Hadfield steel were analyzed by optical microscope,vickers micro-hardness machine,transmission electron microscopy and X-ray dif-fraction.The test results show that a large number of deformation bands appeared in the grains of com-pressed high manganese steels.The deformation bands intersected,tangled and isolated with each other. A great deal of high density dislocation was entangledinto dislocation cells or dislocation walls with the compression amount of 5%.Deformation twins appeared in the matrix when the compression amount was30%.With the increasing of compressive deformation,the amount and volume fraction of the twins in-creased gradually.When the compression amount was 50%,the micro-hardness of water-quenched high manganese steel increased by 125% compared with the initial state,showing HV560.8.Meanwhile,XRD results show that the matrix structure remained austenite and with a bit of carbide,but no deformation-in-duced martensites were founded in these deformed samples.With the increasing of compressive deforma-tion,work hardening mechanisms of Hadfield steel changed from dislocation strengthening into mainly rel-ying on deformation twin supplemented by dislocation and stacking fault mechanisms.【期刊名称】《湖南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(043)012【总页数】6页(P11-16)【关键词】高锰钢;加工硬化机理;压缩变形量;组织;性能【作者】张福全;何翠;周惦武【作者单位】湖南大学材料科学与工程学院，湖南长沙 410082;湖南大学材料科学与工程学院，湖南长沙 410082;湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南长沙 410082【正文语种】中文【中图分类】TG145高锰钢因具有高强度、高韧性、高耐磨性、良好的加工硬化能力而广泛地应用于矿山机械、铁路、冶金、电力等承受冲击载荷的设备中.近年来为提高高锰钢铸件在实际应用中的加工硬化能力和耐磨性，研究者在合金化、表面预硬化等方向做出了大量的努力.如许云华等[1]、冯晓勇[2]利用高速重击的方式获取表面纳米化晶层，提出了纳米晶强化机制.胡晓艳[3]利用爆炸硬化技术获得了表层含高密度位错和孪晶等微观缺陷的加工硬化层.但是，关于高锰钢的加工硬化机制，多年来并没有统一的说法，除了形变诱发马氏体相变硬化说[4]被大多数学者否定之外，还有孪晶硬化说[5-8]、位错硬化说[9]、Fe-Mn-C原子团硬化说[10]、综合硬化说[11]、纳米晶与非晶相镶嵌硬化说[12]等.目前针对高锰钢的研究主要在低应变速率(10-2 s-1以下)[13]、小能量多次冲击[14]的工况下进行，这与高锰钢承受较高能量和高应变速率的实际工况不符.本文则采用Gleeble-3500热模拟机对高锰钢在较高应变速率、较大变形量条件下进行压缩实验，探究其加工硬化规律及机制，为实际应用中充分发挥高锰钢的耐磨性和加工硬化能力提供理论依据.实验材料为ZGMn13Cr2，其主要化学成分见表1.采用中频炉熔炼，树脂石英砂造型，浇注标准Y形试块.为获得碳化物分布均匀、综合性能优良的奥氏体组织，试块在真空管式炉内(GSL1600)加热至650 ℃保温1.5 h，再以相同的升温速率升至1 080 ℃保温1.5 h后进行水韧处理，经线切割加工成Ф6 mm×9 mm的热模拟标准试样.热模拟压缩实验在Gleeble-3500型试验机上进行，压缩过程中抽真空.试验采用中轴压缩的方式，为减少摩擦力，试样与压头之间添加润滑油，为防止润滑油污染压头，压头和试样之间垫钽片，变形过程全部由微机处理系统控制并自动采集有关数据，最后以表格形式输出载荷-行程和真应力-真应变等数据.热模拟压缩实验方案如下：变形温度为298 K，应变速率为0.1 s-1，变形量分别为5%, 30%和50%.利用OM, XRD(RigakuD/max2550V)及TEM(F20)对经不同应变量变形后的试样进行微观组织结构表征，利用HV-1000显微维氏硬度计测量高锰钢经压缩后的硬度.金相样品的制备过程：试样机械磨平抛光后，用4%硝酸和盐酸酒精反复擦拭腐蚀80～90 s；TEM样品的制备过程：机械抛光研磨至70～80 m后，冲成Φ3 mm薄片，再减薄至40 m，液氮冷却至-30 ℃以下，采用3%HClO4+97%CH3COOH溶液进行电解双喷，双喷电压为75 V，电流为45 mA.2.1 真应力-真应变曲线与加工硬化率曲线高的加工硬化能力是高锰钢在实际应用过程中耐冲击耐磨损的重要原因，通过真应力-真应变曲线所获得的加工硬化率(θ=dσdε)曲线，可以很好地反映高锰钢压缩变形过程中内部位错、层错、孪晶等相关的微观缺陷的变化特征[15].图1a为室温下高锰钢在Gleeble-3500机上以0.1 s-1恒应变速率压缩50%后获取的真应力-真应变曲线，图1b为对真应力-应变曲线求一阶导数获得的加工硬化率-真应变曲线，图1c为根据Hutchinson和Ridley[9]在压缩过程中建立的纯位错密度模型拟合出来的加工硬化率曲线，相关函数如下：,ρdis=1.7×1016ε，.将式(2)代入式(1)后求导可得出式(3).其中α为常数；G是剪切模量；b是柏氏矢量.相关文献资料显示[9],α=0.25，G=70 GPa，b=2.64×10-1 nm.从图1a可看出应力随着应变量的增大而增大，曲线可分为3个阶段：0<ε≤5%时为弹性变形阶段，流变应力几乎呈线性迅速增加；5%<ε≤30%为直线硬化阶段，流变应力增加的趋势有所放缓；30%<ε≤50%为抛物线硬化阶段，流变应力增加的趋势进一步减缓.从图1b可看出加工硬化率曲线随着应变的增加先快速递减，在约为5%处递增，随着变形的继续，加工硬化率曲线出现了一个平台.对比曲线b与曲线c可以看出在应变量大于5%时，实验测得的加工硬化率曲线较纯位错模型拟合出来的加工硬化率曲线有一个明显的增值，这表明在压缩过程中基体硬化机理发生了变化，高锰钢内部强化机制并非为单一的位错强化机制.经后续的TEM和XRD可以证明由位错强化机制变成位错+层错+孪晶强化机制.2.2 XRD物相分析图2所示是应变速率为0.1 s-1，压缩变形量分别为5%, 30%和50%的XRD衍射图谱，图中显示压缩变形后物相仍为奥氏体和少量碳化物，并未检测到ε-马氏体.随着压缩量的增加，(111)γ衍射峰强度异常增加，而(311)γ和(200)衍射峰强度减小，说明高锰钢晶粒内部发生偏转，产生大量的(111)γ织构；各衍射峰的宽度增加，这是因为高锰钢层错能较低，约为23 mJ/m2[16]，压缩变形后层错增加，生成形变孪晶，使晶粒碎化，孪晶的生成以及内应力的增大共同造成了衍射峰加宽这一现象.2.3 压缩量对微观组织的影响2.3.1 金相组织图3是应变速率为0.1 s-1，压缩变形量分别为5%, 30%和50%时高锰钢的显微组织图片.在外部轴向压缩应力的作用下，基体内部出现大量相互交叉、阻滞和割截的变形带.变形量为5%时变形带大多呈平直状，间距较宽(如图3(a)所示)．变形量为30%时，变形带密度增大，自身宽度变宽，出现折截状台阶(如图3(b)所示).变形量为50%时，变形带的间距缩短，痕迹加深，密度进一步增大，台阶状变形带明显增加(如图3(c)所示)，相互交叉、阻滞和割截的变形带，将基体分割成细小的区域，使得高锰钢的硬度增大，高锰钢加工硬化能力加强.由于光学显微镜下无法清晰地辨别变形带为滑移线还是孪晶，为了更进一步地了解加工硬化的深层次原因和机制，必须对其微观晶体缺陷进行表征.2.3.2 透射电镜组织图4所示为室温下应变速率为0.1 s-1，压缩变形量分别为5%, 30%和50%时高锰钢的透射形貌及特征电子衍射花样.图4(a)为压缩变形量为5%时高锰钢的透射电镜形貌，从图中可看出高密度位错相互缠结呈位错胞或者位错墙；图4(b)(c)(d)是压缩变形量为30%时透射电镜形貌的明暗场及其衍射斑点，从图中可看出基体内出现了形变孪晶和少量层错；图4(e)(f)(g)是压缩变形量为50%时透射电镜形貌的明暗场及其衍射斑点，从图中可看出孪晶衍射斑点强度增大，其密度和体积分数增大.由不同压缩变形量的透射照片可还原静态压缩过程中高锰钢内部微观晶体缺陷的变化情况：高锰钢属于FCC结构，晶体中的滑移系较多，在变形初期晶粒内部的滑移系大量启动，位错则通过滑移、累积、重排、湮灭等方式在基体中形成大量平直的位错墙和位错胞[2]，随着变形的增大，位错不断增殖，位错单个或多个连续分布或塞积于晶界处，大量塞积的位错群引起应力集中，当局部的切应力达到孪晶生成的临界切应力时，高锰钢开始以孪生的形式进行塑性变形.随着变形量的继续增大，孪晶体积分数不断增大，位错密度也有所增大，局部区域孪晶中间出现少量的层错，孪晶及层错形成了位错难以逾越的壁垒，这将导致位错运动的阻力增大.综上所述，随着变形量的增大，高锰钢在压缩变形过程中加工硬化机制发生了改变，由位错强化机制逐渐向位错+少量层错+形变孪晶机制转变.2.4 压缩变形量对加工硬化能力的影响硬度是衡量材料软硬程度的一种指标，可通过显微硬度来衡量高锰钢承受静态压缩载荷后样品加工硬化的程度.图5所示是应变速率为0.1 s-1，压缩变形量分别为5%, 30%和50%时的显微硬度变化曲线，硬度值均由5个点求平均值得到.从图中可知经压缩变形后高锰钢显微硬度随变形量的增加近似呈线性增长，水韧态高锰钢在压缩变形量为50%的条件下，其显微硬度与初始态的相比提高了125%，达到HV560.8，由此可知高锰钢在变形量为50%的条件下加工硬化能力得到充分发挥.硬化能力受变形量的影响较大，这与高锰钢在不同压缩变形量时的微观硬化机理不同有关：在变形初期，对应的强化机制为位错强化，所以高锰钢硬度增值较小，加工硬化并没有得到充分发挥.随着压缩变形的继续进行，晶体内应力不断增大，孪晶和层错不断形成，其强化机制为位错+少量层错+孪晶，孪晶和层错对位错的阻滞作用更强，导致一定孪晶内部会形成多系孪晶，孪晶系增多与孪晶重复交割强度加大使得碎化晶粒的尺寸进一步减少，起到细化晶粒的作用，所以材料的硬度不断增加.1)ZGMn13Cr2高锰钢在恒应变速率等温压缩时，流变应力随应变的增大而增加，0<ε≤0.05时为弹性变形阶段，流变应力几乎呈线性迅速增加；0.05<ε≤0.30时为直线硬化阶段，流变应力增加的趋势有所放缓；0.30<ε≤0.50时为抛物线硬化阶段.2)应变速率为0.1 s-1时，压缩量在0%～50%的形变范围内基体为奥氏体和少量碳化物，未发现相变诱发马氏体组织.水韧态高锰钢在压缩变形量为50%的条件下，其显微硬度与初始态的相比提高了125%，达到HV560.8.3)压缩变形量为5%时，基体内部位错密度较高，形成了大量平直的位错墙和位错胞，对应的强化机制为位错强化；压缩变形量为30%时，基体内出现形变孪晶；压缩变形量为50%时，孪晶的密度和体积分数进一步增大，强化机制以形变孪晶强化为主，位错+少量层错为辅.【相关文献】[1] 许云华,陈渝眉,熊建龙,等.冲击载荷下应变诱导高锰钢表层组织纳米化机制[J].金属学报,2001,37(2):165-170.XU Yun-hua, CHEN Yu-mei, XIONG Jian-long,et al. Mechanism of strain-induced nanocrystallization of Hadfield steel under high energy impact load[J]. Acta Metallrugica Sinica, 2001,37(2):165-170. (In Chinese)[2] 冯晓勇.高速重击条件下高锰钢表面纳米晶的制备及组织性能研究[D].秦皇岛:燕山大学材料科学与工程学院,2015:12-19.FENG Xiao-yong. Investigation on the nanocrystallization microstructure and properties of Hadfield steel induced by high speed pounding[D]. Qinhuangdao: College of Materials Science and Engineering, Yanshan University, 2015:12-19.(In Chinese)[3] 胡晓艳.高锰钢爆炸硬化专用炸药与硬化机理的研究[D].合肥:中国科学技术大学工程科学学院,2014:76-79.HU Xiao-yan. Explosive and mechanism of explosion hardening of high manganesesteel[D]. Hefei: School of Engineering Science,University of Science and Technology of China, 2014:76-79. (In Chinese)[4] 张维娜,刘振宇,王国栋.高锰TRIP钢的形变诱导马氏体相变及加工硬化行为[J].金属学报,2010, 46(10):1230-1236.ZHANG Wei-na, LIU Zhen-yu, WANG Guo-dong. Martensitic transformation induced by deformation and work-hardening behavior of high manganese trip steel[J]. Acta Metallrugica Sinica, 2010, 46(10):1230-1236. 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Gleeble热模拟实验
• 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。
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。
– 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=
D02 D12 D02
100%
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。
反馈信号 极性相反 计算机信号
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
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
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。
位移检测计 负载传感器 应变检测计
反馈信号 程序信号
差值放大
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。
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；
焊接热输入对890MPa高强钢热影响区组织和性能研究
焊接热输入对890MPa高强钢热影响区组织和性能研究摘要利用Gleeble-3500热模拟试验机进行890MPa高强钢不同焊接热循环的热模拟试验，研究了焊接热输入对焊接热影响区粗晶区组织、显微硬度与和冲击韧性及其变化规律。
结果表明，一次热循环后，随着线能量的增加，热影响区的最大硬度随之减小，冲击韧性先是下降然后增加，组织主要由贝氏体和马氏体的混合组织，且随着热输入的增加，粗晶区的组织也出现长大的趋势，且贝氏体的含量有所增加。
经历峰值温度为800°C二次热循环后的韧性基本保持不变，但HAZ的最大硬度明显减小，其组织表现为晶间析出铁素体和晶粒内部的贝氏体和马氏体由于过热而产生分解的现象。
关键词高强钢；焊接热输入；焊接热影响区；冲击韧度；显微组织1 引言采用淬火-回火工艺制造的低合金高强钢因其优良的强韧性匹配、高的强度/质量比被广泛应用于采矿设备、工程机械和压力容器等结构的制造。
然而，这类钢在焊接时，受热循环作用后热影响区(HAZ)的组织和性能均会发生较大的变化，从而对实际的加工产生极为不利的影响。
低合金高强钢热影响区的组织和性能主要由焊接热循环决定，而焊接热循环决定于焊接热输入。
对于淬火-回火低合金钢，在焊接热输入的作用下，靠近熔合区的母材被加热到较高的温度，组织发生明显的变化[1]。
在加热过程中，基体组织会转变为奥氏体，高的峰值温度导致奥氏体晶粒粗化，形成粗晶区，基体组织中的原始析出物会溶解或者粗化。
在冷却过程中，奥氏体组织转变成马氏体、铁素体或贝氏体组织以及可能产生新的析出物[2-4]。
因此，研究焊接热输入对淬火-回火高强钢热影响区组织性能的影响对提高接头性能具有重要义。
此外，对于大厚度的高强度钢，在实际焊接过程中，焊接热影响区将经历多次热循环作用。
二次热循环对热影响区的组织和性能影响也成为了当前对这类材料焊接的重点内容[5-7]。
本文通过对890MPa级高强钢进行焊接热模拟试验，探讨不同焊接热输入下该钢焊接热影响区组织和韧性的变化规律，以及多道焊时二次热循环对HAZ的组织、硬度和冲击韧性的影响，对制定合理的焊接工艺具有重要作用，为今后的工程应用奠定基础。
Gleeble 3500热机模拟试验仪的介绍
热裂纹敏感性评价
冷裂纹敏感性评价 脆断倾向评价 焊接工艺优化
电弧焊焊接过程模拟
焊接热影响区Biblioteka 局部脆性区和热循环过程模拟电弧焊焊接过程模拟
Rykalin-2D生成的系列峰值温度曲线
激光焊焊接过程模拟
ISO-TTM等温淬火装置和模拟的热循环曲线
T.C. Water in Water in
1350 CX1s
O
↗
T/ C
O
t/s
CCT/SHCCT图的建立
微分法确定转变点-CCT软件包
CCT/SHCCT图的建立
CCT/SHCCT图的绘制-CCT软件包
Gleeble系统安全提示
液压伺服系统的性能曲线
HYDRAULIC MAXIMUM FORCE vs. STROKE VELOCITY
100
0.7 R.A. Test SICO Test
Reduction of Area (% )
90
0.6
80
0.5
70
0.4
900 1000 1100 1200 1300
X axis title
Critical Strain, ln (d 0/d)
焊接过程模拟
电弧焊焊接热循环过程模拟 激光焊焊接热循环过程模拟
TMCP后的力学性能测试
热成形过程模拟
热塑性试验
On-heating PDT
D u ctility in R .A .
T e m p e ra tu re
On-cooling
(a) On-heating
(b) On-cooling
5%
DRT NDT NST
Time
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Gleeble 3500热模拟试验机在本科生教学实验中的应用特色与创新热模拟试验机是一个材料热机械加工性能分析系统, 具有急(慢)速升温降温、急(慢)速拉压变形、同时记录温度、力、应力、应变等参数变化曲线，可对金属材料的冶炼、铸造、锻压、成形、热处理及焊接工艺等各个制备阶段的工艺与材料性能的变化之间的关系进行精确的模拟。
利用该设备既可进行单一性能测试，又可进行多种综合性、设计性、创新性实验。
据了解，目前国内在本科生中利用热模拟试验机开设实验的高校只有清华大学，采用的设备型号为Gleeble1500，本实验采用的型号为Gleeble 3500，功能更丰富。
由于本实验室在为各科题组研究服务工作中已积累了大量经验，结合科研项目能设计出具有交大特色的实验方案，可为学生进行综合性、设计性、创新性实验提供技术支持。
特色实验一金属材料高温强度的测定特色实验二钢连续冷却转变图（CCT曲线）的测定特色实验一金属材料高温强度的测定一．实验目的(1)了解典型金属材料的高温强度与塑性及其随温度的变化规律。
(2)掌握用材料加工物理模拟设备即动态热-力学模拟试验机Gleeble3500测定材料抗拉强度、屈服强度和塑性的原理。
(3)掌握Gleeble 3500试验机的简单操作与编程．并了解其一般应用。
(5)测定不同钢种如20、45、40Cr和1Crl8Ni9不锈钢的拉伸强度及其塑性随温度的变化井进行比较；测定并分析变形速度对强度的影响规律。
二．概述材料的力学性能在科学研究和工程应用中具有非常重要的作用。
例如，数值模拟研究必须以力学性能为依据；负载结构的设计和材料加工艺方案(如焊接、锻压、热处理、表面改性等工艺)的制定必须以力学性能为基础等等。
温度对材料的力学性能功能影响很大。
高温强度和塑性是材料高温使用和热加工时需要考虑的重要力学性能指标，了解其测试方法及其随温度的变化规律，是对高温结构材料进行科学研究和应用的基础。
本次实验主要研究金属材料高温短时拉伸的力学性能。
金属材料如钢材的强度和塑性由基体组织类型(如马氏体M，铁素体F，珠光体P，贝氏体B，奥氏体A)、晶粒大小、基体强化类型(固溶强化和弥散强化)，以及与此有关的加工变形程度、热处理条件等决定，因此，不同类型的金属及其合金的强度和姻性及其随温度变化的规律存在明显区别，一般来讲，材料按高温强度由低到高的排列顺序为：碳素钢，低合金钢，高合金钢，不锈钢，镍基高温合金。
金属力学性能指标一般按金属材料室温拉伸试验方法(GB/T228-2002)和金属材料室温拉伸试验方法(GB/T4338-1995)进行测试。
测试数据全面，但较繁琐。
本实验用动态热-力学模拟试验机Gleeble快速测定金属材料的高温强度。
动态热-力学模拟试验机Gleeble3500测定材料高温性能的原理如下：用主机中的变压器对被测定试样通电流，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测试温度。
保温一定时间后，通过主机中的液压系统按一定的加载速率给试样施加载荷使其变形，直至试样断裂。
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（90~120mm）时，热电偶检测的中间部位约有8～18mm）长度的均温区，这样就能保证试样断裂发生在试样的中间部位，且测试所有强度能与检测温度对应。
断面收缩率可以通过测定室温时的断面面积，并与原始截面面积进行比较而获得。
在材料种类和热处理状态一定的情况下，高温强度除受温度影响外，还与加载速度有直接关系。
一般情况下，加载速率即变形速度越快，强度越高。
动态热-力学模拟试验机Gleeble3500的简介见附件。
三.实验仪器和材料1. 动态热-力学模拟试验机Gleeble35002. 热电偶电阻焊设备1套3. 热电偶丝若干4. 20钢等试样四．实验内容和步骤1.实验前了解了解Gleeble 3500动态热-力学模拟试验机的基本结构与功能，学习Gleeble 3500试验机的简单操作步骤。
实验时未经实验指导教师的同意，不得擅自启动任何设备开关。
2.在试样上焊接热电偶。
3.制定实验步骤，并经实验指导老师审核。
4.启动主机和控制电脑后，进入界面，按具体实验要求的要求（加热温度，加热速率，变形速率等）编程。
4.装好试样，进行实验。
五．思考题从变形机理说明温度和加载速度对材料强度的影响。
参考文献：1.邹贵生编. 材料加工系列实验. 北京：清华大学出版社，20052.牛济泰编. 材料和热加工领域的物理模拟技术.北京：国防工业出版社，1999附：动态热模拟试验机Gleeble 3500 介绍近几十年来，热-力学物理模拟技术飞速发展。
在热模拟试验装置、试验方法、测试技术以及应用等方面进行了大量的研究工作，研究范围涉及到材料科学与工程和材料加工工程等领域中的组织研究、性能研究、应力应变研究等各个方面，受到各国科技界欢迎的Gleeble动态热一力学模拟试验机是一种应用最广泛的热-力学模拟机。
它自1946年在美国伦塞勒工学院(RPI)第一台样机诞生并成立DSI(Dynamicystems lnc．)至今，经过近60年的不断修改与完善，已经发展为计算机控制的电液伺服闭环系统。
其主要部分有主机、液压源、控制柜、计算机系统、真空系统、急冷系统等。
它既可用手控进行试验，也可以实现全部试验过程的计算机控制。
根据该设备的功能，可将它分为三个系统：计算机控制系统、热控制系统、力学控制系统。
因此，可用汁算机实现两个闭环控制。
其加热速度可以从0.002℃／s到10000℃／s。
它能模拟各种热-力学过程，是一种理想的动态试验机，有人也称它为热-力学材料试验机。
上海交通大学热模拟试验机Gleeble 3500的实物整体形貌、结构方框图、主机、高温拉伸实验分别见图Al～图A3。
试验编程示例如图A4所列。
1. 加热系统：该机采用电阻加热系统，即通过低频电流加热试样，加热速度可以高达10000℃/s。
由于集肤效应较小，故整个加热区中间部位温度均匀，径向温度梯度很小。
冷却速度由沿试样轴向的热传导来控制，直径为6mm的普通碳钢试件在10000C时的冷却速度可控制到140℃／s。
它用闭环控制实现温度的实时监测与控制，是动态热模拟的理想系统。
图A1 Gleeble 3500的实物整体形貌图A2 Gleeble 3500结构方框图图A3 高温拉伸实验图A4表格式编程示例（高温拉伸）2.力学系统与性能指标Gleeble 3500的机械系统是一个具有10吨静态拉伸/压缩力的全集成液压伺服控制系统。
最快可以达到1000mm/s的移动速度。
3.数据显示与记录、G1eeble 3500配置了实现全面数字控制的软硬件。
控制柜中的微机处理器与编程用的计算机通过网络线互通信息，一方面，可通过在台式计算机中配置的Quiksim软件采用简单的表格式编程方法实现试验的基本工艺过程，另一方面，可同时显示和控制温度、载荷、应力、应变、位移等参数；试验过程中，上述数据能在计算机中实时显示，随时检测。
试验结束后，试验的原始数据自动装入Origin软件中，实验人员可对数据进行各种适当的处理。
Gleeble 3500动态热模拟试验机一般操作步骤：(1)开总电源。
(2)按下主机上的电源按钮，之后控制柜中的嵌入式计算机显示器显示各种运行资料，直至结束。
(3)观察控制柜上的“安全显示”按钮。
当显示灯为绿色时，说明控制系统件工作正常。
(4)启动台式计算机，并按提示逐一操作。
(5)进入Quiksim编程状态。
期间按提示"密码，回车即可。
(6)按某具体实验要求的工艺(如高温拉伸实验、高温快速压缩实验、冷却速度对材料组织和性能的影响实验等)编程。
表格式编程示例如图A4所列。
其中：①一般情况下，“system"一行实验人员会事先设定好，不必改动；②"Stress--Strain"一行根据试样大小设定其相应的直径d和被测试长度L(注：当试样为非圆柱形时，可根据试样的测定部位的面积折合成当量圆面积)；③“Acquire”一行即为在实验过程中需要检测的数据项名称，如表中的Force，Stress，stroke，TCl。
该行的数据项名称可根据需要进行增和减；④“Start”一行中根据实验过程中是否要施加载荷和加热，可分别单击"Mechanical”和"Thermal"启动模块即左侧显示“√”符号；⑤“Mode”一行目的是选择实验过程中的力的控制模式，其中有Stroke、Stress、Strain上一gauge(轴向位移)、C—gauge(径向位移)、Force等模式可供选择，其中的“Wedge”和"TCl(c)”一般不改动；⑥“Sample"一行是设定实验过程中各参数的数据采集频率；⑦"Time"一列中的“：： "的表示分、秒、0．xx秒；⑧其余各行分别按工艺要求在规定的时间内加载、保持载荷、卸载和加热、保温、冷却等。
(7)对事先制备好的试样进行装卡，期间要使用空气锤或手动液压系统(操作：启动Mechanical，启动Run，旋转嵌入式显示器“stroke”符号右侧的旋钮或“Force"符号左侧的旋钮使液压系统的活塞向前或先后移动)。
试样装卡完后，按按"Stop”按钮关闭液压系统。
(8)当实验需要在真空环境中进行时，须开启真空系统，且实验完后须仔细关闭真空系统：(9)仔细检查实验程序和试样的装卡。
无问题后，,单击程序表上部的“启动符号”，手动控制柜上的"Run"。
实验开始进行。
(10)关真空系统；对真空系统充大气，取出试样。
(12)实验结束后对数据进行处理或存储到相应的目录下。
(13)所有实验结束后，检查实验数据是否保存好。
关台式计算机一关主机上的电源闸一关总闸。
注：本科生做实验时，实验指导教师必须在场返回特色实验二钢连续冷却转变图（CCT曲线）的测定一．实验目的1．了解钢的连续冷却转变图的概念及其应用；2．了解钢的连续冷却转变图的测量方法特别是热膨胀法的原理与步骤；3．利用热模拟仪观察钢在加热及冷却中的相变并测量临界点；4．建立钢的连续冷却转变图（CCT曲线）。
二．实验原理当材料在加热或冷却过程中发生相变时，若高温组织及其转变产物具有不同的比容和膨胀系数，则由于相变引起的体积效应叠加在膨胀曲线上，破坏了膨胀量与温度间的线性关系，从而可以根据热膨胀曲线上所显示的变化点来确定相变温度。
这种根据试样长度的变化研究材料内部组织的变化规律的称为热膨胀法（膨胀分析）。
长期以来，热膨胀法已成为材料研究中常用的方法之一。
通过膨胀曲线分析，可以测定相变温度和相变动力学曲线。