实验2-金属高温强度和塑性及其测定 实验报告

金属高温强度和塑性及其测定实验报告

一、实验目的

1、了解材料的常规力学性能指标。

2、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以及高温脆化对材料热裂纹形成的影响。

3、掌握用材料加工物理模拟设备即动态热-力学模拟试验机Gleeble 1500D测定材料抗拉强度、屈服强度和塑性的原理。

4、掌握Gleeble 1500D试验机的简单操作与编程，了解其一般应用。

5、测定不同钢种如A3、20、45、40Cr和1Cr18Ni9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。

二、实验内容

1、了解Gleeble 1500D动态热-力学模拟试验机的基本结构与功能。

2、学习Gleeble 1500D动态热力学模拟试验机的简单操作。

3、测定以A3、20、45、40Cr及奥氏体不锈钢1Cr18Ni9的强度与塑性，研究强度、塑性随温度和加载速率或变形速率的变化规律。

4、比较A3、20、4

5、40Cr和1Cr18Ni9不锈钢的强度和塑性，并分析其原因。

三、实验原理

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,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。材料的力学性能指标主要有抗拉强度(σb)、屈服强度(σs或σ0.2)、剪切强度(τb)、延伸率(δ)、断面收缩率(ψ)、冲击韧性(αKV或αKU)、断裂韧性(如K IC、J C、COD等);对于高温用结构材料,还有高温蠕变极限和高温持久强度等力学性能指标;对于脆性材料如金属间化合物和结构陶瓷等,还常采用三点和四点弯曲强度等力学性能指标。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。

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γ)、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塑性,以及它的随温度变化的规

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。

金属或其合金的高温脆性是材料加工过程中产生热裂纹的根本原因,因此,研究金属及其

合金的高温塑性规律是制定热加工工艺的基础。一些金属或合金加热和冷却过程中的塑性变化曲线存在两个低塑性区。

本实验用动态热-力学模拟试验机快速测定金属及其合金的高温强度。Gleeble1500D 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并变形,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,且测试所得强度能与检测温度对应。

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,加载速度即变形速度越快,强度越高。

四、实验步骤及数据处理

我们小组的实验材料是A3钢。老师给我们讲解了实验仪器的简单原理和用法，然后亲自操作了一遍，之后我们分成四个小组领取试样开始测试。

首先，我们测量了细棒中部的直径，用笔标记了中部实验区域。接着我们将细合金丝焊接在钢棒上，然后安放在实验台上。编程设置好参数后，启动机器，开始了拉升。拉断后我们取下试样，量出了长度和直径，并从电脑上得到了强度等数据。

数据分析：

由上图可以看出A3刚的拉升强度随着温度的上升而下降，应变速率越高材料的强度越大。在高温下原子扩散能力增大，材料中空位数量增多，晶界滑移系改变，使得材料的高温强度下降。应变速率越大，材料的位错密度增大，导致强度增加，在高温时比较明显。

强度随温度升高而下降。总体来说18-8不锈钢的强度高于A3钢。A3是碳素结构钢，旧钢号为Q235碳素结构钢；18-8不锈钢又叫304不锈钢，是不锈钢中常见的一种材质，耐高温800度，具有加工性能好，韧性高的特点。不锈钢的强度总体上高于碳钢。

塑性变化（用断面收缩率和伸长率来衡量）：

由以上图像可以看出，总体上来说塑性随着温度升高而增加。高温下材料的变形机制增多，易发生塑性变形，形变强化现象减弱，塑性变形增加。变形温度越高，加工硬化的同时材料的回复机制（动态回复或动态再结晶）启动，材料的塑性越好；与此相反，变形速度越高，加工硬化的越厉害，材料表现出较差的塑性。塑性变形一般可以分为三个阶段，初始阶段塑性下降，中间阶段塑性达到最低值，第三阶段塑性又开始上升。A3钢的塑性高于18-8不锈钢。

五、思考题

1、从变形机理说明温度和加载速度或变形速度对材料强度的影响。

环境温度越高使得原子吸收能量越多，原子运动越剧烈，变形抗力越小，所以强度低，塑性好了。速度越高变形抗力越高，这与材料的硬化与软化的情况密切相关。加载速度过快不利于外力方向的晶面转动，滑移在整个试样的生长扩展就会受阻，宏观上表现为塑性抗力提高，如果产生相同形变就需要更大的力可以想象其强度相应的会增加。

2、试分析比较图18-1、图18-5、图18-8和图18-11中各种金属材料的高温强度变化规律与特点。

18-1表示低压锅炉用钢高温拉伸强度的变化，可以看出随着温度增加强度线性下降，18k的强度高于16k。图18-5表示超高压锅炉汽包用耐热钢拉伸强度，总体趋势是随着温度升高而下降，中途有一小段升高的过程，拉升强度高于屈服强度。图18-8表示成分有一定差异的两种奥氏体型不锈钢拉伸强度，总体趋势是随着温度升高而下降，拉升强度高于屈服强度。图18-11表示Ni-Cr-Co合金的拉伸强度，随着温度升高而下降，开始下降缓慢，温度高时下降很快。

3、简述金属或其合金的高温脆性对热裂纹形成的影响。

金属或其合金的高温脆性是材料加工过程中产生热裂纹的根本原因。一些金属或合金加热和冷却过程中的塑性变化曲线存在两个低塑性区，即有两个脆性温度区间，相应出现两种热裂纹，分别是：结晶裂纹或凝固裂纹，其断口形貌不同于一般固态下的沿晶断口，由于产生时晶间还有液膜存在，故其断口具有明显的树枝状突起的特征；第二种裂纹产生于固态下的脆性温度期间Ⅱ内，称失塑裂纹，由于产生时无液膜存在，故其断口特征为沿着平坦的界面开裂，而且在断开的界面上往往存在许多带有硫化物的空穴。

六、实验感想