热膨胀法测定钢的连续冷却转变图

热膨胀法测定钢的连续冷却转变图

主讲教师:

一、实验目的

◆1．了解热膨胀法测定CCT图的原理与方

法。

◆2．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。

◆3．熟悉Gleeble 1500试验机的基本操作。

二、实验原理

•钢的连续冷却转变图（continuous cooling transformation diagram，简称CCT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。•影响CCT的主要因素包括化学成分（C、Mn、Si、Mo、Cr、Ni和V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、应力应变状态以及原始组织。CCT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CCT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（对于用Gleeble 1500动态热一力学模拟试验机测试CCT 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：•式中－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。－温度变化引起的长度变化量。(α为金属的热膨胀系数，ΔT为温度变化量）。V T

L L L ∆=∆+∆L

∆V L ∆T

L ∆T L T α∆=⨯∆

•当冷却过程中不发生相变时，，因此，即ΔL随温度变化成线性变化。当冷却过程中发生相变时，，因此，，ΔL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。当相变结束

时，，因此，，ΔL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。

•用热模拟方法测CCT 图时,用膨胀仪记录ΔL -t(膨胀量－时间）曲线，并记录T －t （温度－时间）曲线（或称温度曲线），如图1所示。再将上述曲线转化成ΔL -T 曲线，分析曲线的转折变化，即可确定相变点，如图2所示。V 0

L ∆=T L L T

α∆=∆=⨯∆0V L ∆≠T V L L L ∆=∆+∆0V L ∆=T

L L T α∆=∆=⨯∆

•由于CCT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接关系（如图3所示），因此为材料热加工（如铸造、焊接、锻压、热处理等）的工艺制定甚至新钢种的成分设计提供了依据。具体体现在如下几个方面。

•（1）从CCT图上可获得钢的各种临界冷却速度和时间（如获得100％马氏体M的最小冷却速度和最长冷却时间，出现铁素体F的最大冷却速度和最短冷却时间，出现珠光体P的最大冷却速度和最短冷却时间，出现中间组织Z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和最短冷却时间）。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。

•（2）根据CCT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。

•（3）根据CCT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。

三、实验设备及材料•Gleeble 1500动态热－力学模拟试验机，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Gleeble 1500，采用膨胀法测定CCT 图的方法是：用Gleeble 1500主机中的变压器对被测定试样（φ3～10×80～120mm ，在试验过程中其非夹持部分即自由跨度为40～60mm ）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（对于一般热处理的CCT 图，其最高加热温度为A c3＋（50～150）℃，加热升温时间为120～300s ，保温时间为180～300s ），保温一定时间后，控制冷却速度进行冷却（如淬火、空冷，一般通电加热冷却以及充Ar 或N 2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，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（80～120mm）时，热电偶检测的中间部位约有8～18mm 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（或称膨胀量），绘制温度－时间、膨胀量－时间以及膨胀量－温度曲线如图4所示，测定每种冷却速度下试样室温硬度，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），并根据各种冷却速度下的硬度值，绘制CCT图。

五、实验步骤

•1．实验前仔细阅读并了解Gleeble 1500动态热－力学模拟试验机的基本结构与功能。

•2．了解Gleeble 1500动态热－力学模拟试验机的基本操作。

•3．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45钢和40Cr 钢在某

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。•4．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。

•5．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

∆-

L T

图3 碳钢（0.46％C）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