Gleeble热模拟实验课件

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
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
• 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。
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。
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
图2-1 热拉试样尺寸
表 试验用齿轮钢20CrMnTi的化学成分(质量分数，%) 试样 A B C C 0.18 0.19 0.19 Si 0.28 0.27 0.26 Mn 1.08 0.85 1.08 P 0.020 0.018 0.020 S 0.010 0.005 0.005 Cr 1.11 1.13 1.08 Ti 0.10 0.07 0.09 Sn 0.004 0.021 0.049
当Sn≤0.021%时，对20CrMnTi钢的热塑性影响较小。
④电子探针（EPMA）检测
图5 试样C的EPMA 晶界Sn含量检测
表2 试样C的EPMA 定量检测结果（质量分数，%） 点数 1 2 3 4 5 6 7 8 0.04 9 0.07 10 0.136 平均 0.045 0.108 基体 0.069 0.045 0.055 0.061 0.054 晶界 0.095 0.102 0.108 0.086 0.131 0.038 0.027 0.023 0.037
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 ；
0.098 0.119 0.136
⑤结论
• 温度在950～800℃之间，随Sn含量增加，齿轮钢的热塑性
显著降低； • 当Sn≤0.021%时，对20CrMnTi钢的热塑性影响较小，可认 为对该钢种热塑性产生明显影响的临界Sn含量为0.021%。 • 发现钢样的奥氏体晶界和基体的平均Sn含量分别为0.108% 和0.045%，说明950℃下Sn在奥氏体晶界有明显偏聚，因而 降低了热塑性。
600℃。
• 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。
1.5×45°
0.5
φ 10
10
120
10
gleeble-1500高温拉伸试样尺寸
M10
• 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 。
-- 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。
4F b D02
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：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～
图 Gleeble-1500高温拉伸实验工艺
②试验结果 热塑性与热强度
图 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 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4 950℃的试样断口形貌：(a)试样A；(b)试样B；(c)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；
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。
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。
9.3 Gleele高温压缩试验
Gleeble高温压缩试验通常有：圆柱体单向压缩试验 、平 面应变压缩试验 、以及其多道次压缩试验。 9.3.1 圆柱体单向压缩试验 • 圆柱体单向压缩试验通常来测定材料的变形抗力，评估材料的 裂纹敏感性和材料流变应力等。
等温加热圆柱体单向压缩试验装配示意图
• 试样通常采用Φ10mm×12mm的圆柱体试样。 • 压缩试验时试样端面的摩擦力是影响试验精度的主要因素。
Gleeble－1500热/力模拟试验机
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。
●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？
9.1钢的高温力学性能及相变测试实验设备
（2）例：Sn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。
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
Gleeble高温拉伸试验
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Hale Waihona Puke Baidu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。 2 D0 D12 100% Ra= 2 D0
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。
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。
2、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）
9.2 钢的高温力学性能测定
（1）Gleele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。
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 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？
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
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、应力等参数的变化。