实验五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1Cl8N9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(GBT228-2002)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 116
116 实验五 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 Gleeble 3500 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Gleeble3500 2.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，2005 2.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： 117
117 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 Gleeble3500 2. 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 Gleeble 3500 动态热-力学模拟试验机的基本结构与功能，学习 Gleeble 3500 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，2005 2.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(RP)第一台样机诞生并成立 DSI(Dynamicystems Inc.)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A1~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6m的普通碳钢试件 在1000℃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。 118
118 动态热模拟试验机 Gleeble 3500 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(Dynamicystems lnc．)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 Gleeble 3500 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 1000 0C 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
通用单元 可与液压模雪楼 样品室 0 2006 图A1 Gleeble3500的实物整体形貌 力学程序器热程序器 力 热伺服 逻辑电路及计算机指令 应力 应变 位移 真空槽 反馈选择器 移动夹头 液 力学闭 传动 0 热闭合 合回路 装置 回路 卡块 固定夹头 甄动 液压动力 加热 YY 变压器 固 力学同服 驱动 接触 图A2 Gleeble3500结构方框图 119
119 图 A1 Gleeble 3500 的实物整体形貌 图 A2 Gleeble 3500 结构方框图
图A3高温拉伸实验 Gleeble Table Program:\HIGHT01.TAB Time Axis61眼AXis2置AX53罪 System Stress-Strair Axial strain using Stroke.I=12.000mm,d=10.000mm 3 Acquire Force Stress stroke TC1 6 7 Start Mechanical题High Thermal 8 Mode Stroke(mm) Wedge(cm) TC1(c) 9 Sample 0.0Hz 00:03.0000 0.00 0.000 0 Sample 5.0Hz 00:25.0000 0.00 0.000 500 05:00.0000 0.00 0.000 500 Sample 5.0Hz 01:00.0000 12.00 0.000 500 End Mechanical 围High 题Thermal 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。 120
120 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 Gleeble 3500 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、 G1 eeble3500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；②"Stress-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一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；⑦"Time"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、 121
121 3.数据显示与记录、 G1eeble 3500 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。 Gleeble 3500 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；②"Stress--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；⑦"Time"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。 (I0)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 122
122 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