10Gleeble热模拟实验
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9 钢的高温力学性能及相变测试
●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？
反馈信号
差值放大 控制回路
（2.3 ）计算机控制系统 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。 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 ；
●钢的相变
（1）碳钢从高温以不同冷速降到低（室）温，
同一种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？
9.1钢的高温力学性能及相变测试实验设备
Gleeble热/力学模拟机简介及其工作原理
（1）简介
Gleeble热模拟试验
• 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
加热速度
冷却速度
最大载荷
拉速/压缩 8.1t 动态载荷 5.4t
最大 1000mm/s 最小.000017 mm/s
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 2000 mm/s 最小 0.01 mm/s
最大 100 mm/s
极性相反 计算机信号 反馈信号
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。
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。
（3）Gleeble热/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Gleeble1500、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。
不同型号Gleeble模拟机的主要性能指标
型号 Gleeble 1500 性能 最大 10000℃/s 最小 保持温度恒 定 最大 140℃/s 急冷 10000℃/s 最大 10000℃/s 最小 保持温度恒 定 最大 140℃/秒 急冷 10000℃/s Gleeble 2000 Gleeble 3200 最大 10000℃/s 最小 保持温度恒 定 最大 140℃/s 急冷 10000℃/s Gleeble 3500 最大 10000℃/s 最小 保持温度恒 定 最大 140℃/s 急冷 10000℃/s Gleeble 3800 最大 10000℃/s 最小 保持温度恒 定 最大 140℃/秒 急冷 10000℃/s Gleeble 3000系列
Gleeble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
Gleeble试样沿轴向温度分布示意图
Gleeble－1500热/力模拟试验机
百度文库
Gleeble 模 拟 机 结 构 方 框 图
两个伺服闭环回路 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
（2.1 ）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。
最大 1000 mm/s 最小 0.01 mm/s
最大 2000 mm/s 最小 0.01 mm/s
（4）Gleeble应用范围 （包括但不局限于以下几个方面）
1、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
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。
（2）工作原理（以Gleeble-1500为例）
• 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。
一定体积的均温区。
（2.2） 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。
位移检测计 负载传感器
应变检测计 程序信号
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。
加热
根据焦耳-楞次定律： Q I 2 Rt
次级回路不是纯电阻电路 ：I U
Z
（次级回路阻抗： Z R 2 X 2 ，X为回路感抗 ）
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。
温度测量与控制
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。
●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？
反馈信号
差值放大 控制回路
（2.3 ）计算机控制系统 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。 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 ；
●钢的相变
（1）碳钢从高温以不同冷速降到低（室）温，
同一种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？
9.1钢的高温力学性能及相变测试实验设备
Gleeble热/力学模拟机简介及其工作原理
（1）简介
Gleeble热模拟试验
• 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
加热速度
冷却速度
最大载荷
拉速/压缩 8.1t 动态载荷 5.4t
最大 1000mm/s 最小.000017 mm/s
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 2000 mm/s 最小 0.01 mm/s
最大 100 mm/s
极性相反 计算机信号 反馈信号
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。
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。
（3）Gleeble热/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Gleeble1500、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。
不同型号Gleeble模拟机的主要性能指标
型号 Gleeble 1500 性能 最大 10000℃/s 最小 保持温度恒 定 最大 140℃/s 急冷 10000℃/s 最大 10000℃/s 最小 保持温度恒 定 最大 140℃/秒 急冷 10000℃/s Gleeble 2000 Gleeble 3200 最大 10000℃/s 最小 保持温度恒 定 最大 140℃/s 急冷 10000℃/s Gleeble 3500 最大 10000℃/s 最小 保持温度恒 定 最大 140℃/s 急冷 10000℃/s Gleeble 3800 最大 10000℃/s 最小 保持温度恒 定 最大 140℃/秒 急冷 10000℃/s Gleeble 3000系列
Gleeble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
Gleeble试样沿轴向温度分布示意图
Gleeble－1500热/力模拟试验机
百度文库
Gleeble 模 拟 机 结 构 方 框 图
两个伺服闭环回路 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
（2.1 ）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。
最大 1000 mm/s 最小 0.01 mm/s
最大 2000 mm/s 最小 0.01 mm/s
（4）Gleeble应用范围 （包括但不局限于以下几个方面）
1、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
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。
（2）工作原理（以Gleeble-1500为例）
• 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。
一定体积的均温区。
（2.2） 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。
位移检测计 负载传感器
应变检测计 程序信号
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。
加热
根据焦耳-楞次定律： Q I 2 Rt
次级回路不是纯电阻电路 ：I U
Z
（次级回路阻抗： Z R 2 X 2 ，X为回路感抗 ）
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。
温度测量与控制
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。