第5期 操龙飞等：钢的热膨胀特性研究 ·643· 采用上述同样的分析和计算方法，对钢种B和 (陈騑瑕.材料物理性能.北京：机械工业出版社，2006) C的线性热膨胀曲线进行分段，然后求得各阶段的 2]Megaw H D.Crystal structures and thermal expansion.Mater Res Bll,1971,6(10):1007 热膨胀量变化值，见表2所示.对比分析钢种A、B B3]Ruffa A R.Thermal expansion in insulating materials.I Mater 和C在相变温度区间内的热膨胀量及相变收缩量， Si,1980,15(9):2258 可以看出相变温度区间内温度升高引起的热膨胀效 4]Daw J E,Rempe J L.Knudson D L,et al.Thermal expansion 应小于相变形成奥氏体过程中产生的尺寸收缩，最 coefficient of steels used in LWR vessels.J Nucl Mater,2008, 终试样尺寸在相变区间内变小，即此阶段内相变引 376(2):211 [5]Fu J X,Li X D,Hwang W S.Study of the coefficient of thermal 起的收缩作用占主导地位 expansion for steel Q235.Ade Mater Res,2011,194-196:326 另一方面，分析表2中的热膨胀量和相变收缩 [6]Cui L.X.Study on Three-Dimensional Thermal and Mechanical 量可以看出，对于实验钢种A、B和C,相变引起的 Model of Continuous Casting Slab Under Dynamic Soft Reduction 收缩量占试样尺寸的绝对变化量（伸长量和收缩量 Process [Dissertation].Beijing:University of Science and Tech- 绝对值之和)的百分数分别为19.44%、16.48%和 nology Beijing,2006 11.73%,对应的物理热效应引起的热膨胀所占的比 (崔立新.板坯连铸动态轻压下工艺的三维热一力学模型研究 [学位论文].北京：北京科技大学，2006) 例分别为80.56%、83.52%和88.27%.可见，当试 Jin X,Chen D F,Wang Q M,et al.Research on measurement of 样从室温以5℃·min-'的速率加热到1150℃的过 thermal expansion property for continuously cast slab.J Process 程中，物理热效应引起的热膨胀占主导作用，而相变 Eng,2009,9(Suppl1):206 引起的收缩量大约占整个膨胀绝对变化量的16%. (靳星，陈登福，王启明，等.连铸坯热膨胀性能测试.过程 随着钢种碳含量的增加，相变尺寸收缩所占比例逐 工程学报，2009,9（增刊1）：206) 渐下降. [8]Qian HZ,Zhang J Q,Cui L X.Study of thermal expansion prop- erties of as cast steels.J Iron Steel Res,2011,23(3):44 表2中的数据表明，钢种A、B和C由于物理热 (钱宏智，张家泉，崔立新。钢铸态热膨胀特性研究.钢铁研 效应引起的总热膨胀量基本相等，这个热膨胀是由 究学报，2011,23(3)：44) 于温度升高导致原子间距增大引起的，而总收缩量 Zhang L Q,Bao Y P,Wang M,et al.Thermal expansion coeffi- 随碳含量的增加而减少，所以最后试样尺寸伸长量 cients of GCr15 steel.J fron Steel Res,2012,24(9):40 随碳含量的增加而增加，与图1中表明的线性热膨 (张立强，包燕平，王敏，等.GCl5钢的热膨胀系数.钢铁研究 学报，2012,24(9)：40) 胀随碳含量的增加而增加一致 [10]Gu L Y,Liang G Y.Effect of alloying elements on the expansion co- 3结论 efficient of cast iron.Res Stud Foundry Equip,1998.19(6):49 (顾林喻，梁工英.合金元素对灰铸铁膨胀系数的影响.铸 (1)室温至奥氏体形成温度区间内，碳含量及 造设备研究，1998,19(6)：49) 成分对钢的线性热膨胀影响很小，其瞬时线膨胀系 1]Hua Y.Thermal expansion characteristic of materials and its influence factor.Shanghai Iron Steel Res,2005(2):60 数大约为16.1×10-6K-1:奥氏体形成温度区间内， (华瑛.材料的热膨胀性能及其影响因素.上海钢研，2005 固态相变对材料膨胀影响显著，线性热膨胀随温度 (2):60) 呈高度非线性变化：高温奥氏体温度区间内，钢的线 [12]Xu G,Deng P,Wang G X,et al.Measurement of expansion 性热膨胀随碳含量的增加而增加，该温度区间内瞬 coefficients of four steel types.Ironmaking Steelmaking,2013, 时线膨胀系数为20.6×10-6~22.5×10-6K-. 40(8):613 (2)从室温加热到高温奥氏体温度区间的过程 [3]Wang Z T,Li C Q.Physical Properties of Materials.Harbin Harbin Institute of Technology Press,2011 中，试样的尺寸变化受温度引起的热膨胀和相变引 (王振廷，李长青.材料物理性能.哈尔滨：哈尔滨工业大学 起的收缩两个因素的影响，其中物理热效应引起的 出版社，2011) 热膨胀占主导作用，相变引起的收缩量大约占整个 [14]Hu G L,Xie X W.Heat-Treatment of Steel Theory and 膨胀绝对变化量的16% Process).Xian:Northwestern Polytechnical University Press, (3)不同钢种从室温到高温过程中的物理热膨 1996 (胡光立，谢希文.钢的热处理（原理和工艺）.西安：西北 胀总量基本相同，收缩总量随碳含量的增加而减少. 工业大学出版社，1996) [15]Zhang F,Zhou W M.Properties of Materials.Shanghai:Shang- 参考文献 hai Jiao Tong University Press,2009 1]Chen F X.Physical Properties of Materials.Beijing:China (张帆，周伟敏.材料性能学.上海：上海交通大学出版社， Machine Press,2006 2009)第 5 期 操龙飞等: 钢的热膨胀特性研究 采用上述同样的分析和计算方法，对钢种 B 和 C 的线性热膨胀曲线进行分段，然后求得各阶段的 热膨胀量变化值，见表 2 所示． 对比分析钢种 A、B 和 C 在相变温度区间内的热膨胀量及相变收缩量， 可以看出相变温度区间内温度升高引起的热膨胀效 应小于相变形成奥氏体过程中产生的尺寸收缩，最 终试样尺寸在相变区间内变小，即此阶段内相变引 起的收缩作用占主导地位． 另一方面，分析表 2 中的热膨胀量和相变收缩 量可以看出，对于实验钢种 A、B 和 C，相变引起的 收缩量占试样尺寸的绝对变化量( 伸长量和收缩量 绝对值之和) 的百分数分别为 19. 44% 、16. 48% 和 11. 73% ，对应的物理热效应引起的热膨胀所占的比 例分别为 80. 56% 、83. 52% 和 88. 27% ． 可见，当试 样从室温以 5 ℃·min － 1 的速率加热到 1150 ℃ 的过 程中，物理热效应引起的热膨胀占主导作用，而相变 引起的收缩量大约占整个膨胀绝对变化量的 16% ． 随着钢种碳含量的增加，相变尺寸收缩所占比例逐 渐下降． 表 2 中的数据表明，钢种 A、B 和 C 由于物理热 效应引起的总热膨胀量基本相等，这个热膨胀是由 于温度升高导致原子间距增大引起的，而总收缩量 随碳含量的增加而减少，所以最后试样尺寸伸长量 随碳含量的增加而增加，与图 1 中表明的线性热膨 胀随碳含量的增加而增加一致． 3 结论 ( 1) 室温至奥氏体形成温度区间内，碳含量及 成分对钢的线性热膨胀影响很小，其瞬时线膨胀系 数大约为 16. 1 × 10 － 6 K － 1 ; 奥氏体形成温度区间内， 固态相变对材料膨胀影响显著，线性热膨胀随温度 呈高度非线性变化; 高温奥氏体温度区间内，钢的线 性热膨胀随碳含量的增加而增加，该温度区间内瞬 时线膨胀系数为 20. 6 × 10 － 6 ～ 22. 5 × 10 － 6 K － 1 ． ( 2) 从室温加热到高温奥氏体温度区间的过程 中，试样的尺寸变化受温度引起的热膨胀和相变引 起的收缩两个因素的影响，其中物理热效应引起的 热膨胀占主导作用，相变引起的收缩量大约占整个 膨胀绝对变化量的 16% ． ( 3) 不同钢种从室温到高温过程中的物理热膨 胀总量基本相同，收缩总量随碳含量的增加而减少． 参 考 文 献 ［1］ Chen F X． Physical Properties of Materials． Beijing: China Machine Press，2006 ( 陈騑騢． 材料物理性能． 北京: 机械工业出版社，2006) ［2］ Megaw H D． Crystal structures and thermal expansion． Mater Ｒes Bull，1971，6( 10) : 1007 ［3］ Ｒuffa A Ｒ． Thermal expansion in insulating materials． J Mater Sci，1980，15( 9) : 2258 ［4］ Daw J E，Ｒempe J L，Knudson D L，et al． Thermal expansion coefficient of steels used in LWＲ vessels． J Nucl Mater，2008， 376( 2) : 211 ［5］ Fu J X，Li X D，Hwang W S． Study of the coefficient of thermal expansion for steel Q235． Adv Mater Ｒes，2011，194 － 196: 326 ［6］ Cui L X． Study on Three-Dimensional Thermal and Mechanical Model of Continuous Casting Slab Under Dynamic Soft Ｒeduction Process［Dissertation］． Beijing: University of Science and Tech￾nology Beijing，2006 ( 崔立新． 板坯连铸动态轻压下工艺的三维热--力学模型研究 ［学位论文］． 北京: 北京科技大学，2006) ［7］ Jin X，Chen D F，Wang Q M，et al． Ｒesearch on measurement of thermal expansion property for continuously cast slab． J Process Eng，2009，9( Suppl 1) : 206 ( 靳星，陈登福，王启明，等． 连铸坯热膨胀性能测试． 过程 工程学报，2009，9( 增刊 1) : 206) ［8］ Qian H Z，Zhang J Q，Cui L X． Study of thermal expansion prop￾erties of as cast steels． J Iron Steel Ｒes，2011，23( 3) : 44 ( 钱宏智，张家泉，崔立新． 钢铸态热膨胀特性研究． 钢铁研 究学报，2011，23( 3) : 44) ［9］ Zhang L Q，Bao Y P，Wang M，et al． Thermal expansion coeffi￾cients of GCr15 steel． J Iron Steel Ｒes，2012，24( 9) : 40 ( 张立强，包燕平，王敏，等． GCr15 钢的热膨胀系数． 钢铁研究 学报，2012，24( 9) : 40) ［10］ Gu L Y，Liang G Y． Effect of alloying elements on the expansion co￾efficient of cast iron． Ｒes Stud Foundry Equip，1998，19( 6) : 49 ( 顾林喻，梁工英． 合金元素对灰铸铁膨胀系数的影响． 铸 造设备研究，1998，19( 6) : 49) ［11］ Hua Y． Thermal expansion characteristic of materials and its influence factor． Shanghai Iron Steel Ｒes，2005( 2) : 60 ( 华瑛． 材料的热膨胀性能及其影响因素． 上海钢研，2005 ( 2) : 60) ［12］ Xu G，Deng P，Wang G X，et al． Measurement of expansion coefficients of four steel types． Ironmaking Steelmaking，2013， 40( 8) : 613 ［13］ Wang Z T，Li C Q． Physical Properties of Materials． Harbin: Harbin Institute of Technology Press，2011 ( 王振廷，李长青． 材料物理性能． 哈尔滨: 哈尔滨工业大学 出版社，2011) ［14］ Hu G L，Xie X W． Heat-Treatment of Steel ( Theory and Process) ． Xian: Northwestern Polytechnical University Press， 1996 ( 胡光立，谢希文． 钢的热处理( 原理和工艺) ． 西安: 西北 工业大学出版社，1996) ［15］ Zhang F，Zhou W M． Properties of Materials． Shanghai: Shang￾hai Jiao Tong University Press，2009 ( 张帆，周伟敏． 材料性能学． 上海: 上海交通大学出版社， 2009) · 346 ·