Gleeble-3500热模拟试验机

Gleeble3500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Gleeble3500，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Gleeble3500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Gleeble3500动态热-力学模拟试验机的基本结构与功能，学习Gleeble3500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Gleeble3500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(Dynamicystemslnc．)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Gleeble3500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A1Gleeble3500的实物整体形貌图A2Gleeble3500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Gleeble3500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、G1eeble3500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。Gleeble3500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；②Stress--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；⑦Time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。钢的密度与热处理所得到的显微组织有关。钢中膨胀系数由大到小的顺序为：奥氏体〉铁素体〉珠光体〉上、下贝氏体〉马氏体；比容则相反，其顺序是：马氏体〉铁素体〉珠光体〉奥氏体〉碳化物（但铬和钒的碳化物比容大于奥氏体。从钢的热膨胀特性可知，当碳钢加热或冷却过程中发生一级相变时，钢的体积将发生突变。过冷奥氏体转变为铁素体、珠光体或马氏体时，钢的体积将膨胀；反之，钢的体积将收缩。冷却速度不同，相变温度不同。图1-1为40CrMoA钢冷却时的膨胀曲线。不同的钢有不同的热膨胀曲线。图1-140CrMoA钢冷却时的膨胀曲线连续钢连续冷却转变(ContinuousCoolingTransformation)曲线图，简称CCT曲线，系统地表示冷却速度对钢的相变开始点、相变进行速度和组织的影响情况。钢的一般热处理、形变热处理、热轧以及焊接等生产工艺，均是在连续冷却的状态下发生相变的。因此CCT曲线与实际生产条件相当近似，所以它是制定工艺时的有用参考资料。根据连续冷却转变曲线，可以选择最适当的工艺规范，从而得到恰好的组织，达到提高强度和塑性以及防止焊接裂纹的产生等。连续冷却转变曲线测定方法有多种，有金相法、膨胀法、磁性法、热分析法、末端淬火法等。除了最基本的金相法外，其他方法均需要用金相法进行验证。用热模拟机可以测出不同冷速下试样的膨胀曲线。发生组织转变时，冷却曲线偏离纯冷线性收缩，曲线出现拐折，拐折的起点和终点所对应转变的温度分别是相变开始点及终止点。将各个冷速下的开始温度、结束温度和相转变量等数据综合绘在“温度-时间对数”的坐标中，即得到钢的连续冷却曲线图(如图2)。动态热-力学模拟试验机Gleeb