·640 北京科技大学学报 第36卷 敏性元件需要高膨胀合金.目前，国内外己有部分 1.2实验钢种及实验方法 关于金属材料热膨胀特性的研究.Megaw回给出了 本文实验钢种均取自于某热连轧厂在线生产的 材料热膨胀系数计算公式；Rufa探讨了材料热膨 典型产品.为了系统分析不同化学成分钢种之间线 胀系数与原子间距及其他热力学参数之间的理论关 膨胀系数的变化规律，选取三种碳含量不同的钢种 系式；Daw等测量了两种核反应堆用钢的膨胀系 进行研究，其化学成分见表1.实验钢种取自带钢切 数：Fu等对Q235钢的瞬时线膨胀系数进行了测 头部沿宽度的1/4处. 量：崔立新通过热膨胀实验研究了SPHC和 表1实验钢种的化学成分（质量分数） Q235A两个钢种的瞬时线膨胀系数：靳星等)通过 Table 1 Chemical compositions of steel specimens 会 热膨胀实验研究了AH36和Q345在室温至奥氏体 钢种 Mn Si Cr Ti V 温区内的线性热膨胀和平均线膨胀系数；钱宏智 A0.0380.2210.0070.0320.002 0 等圆对八个钢种铸态下的热膨胀特性进行了研究： B0.1430.951 0.0310.0360.001 0.001 张立强等回对GCl5钢的瞬时膨胀系数进行了回 C0.5300.916 0.2351.0120.001 0.147 归分析.但是，综合分析己有的研究报道，可以发现 以上研究没有对固态相变对热膨胀系数的影响进行 将三种实验钢加工成5mm×25mm的标准热 膨胀试样，采用德国NETZSCH DIL402C热膨胀仪 深入研究，同时也没有定量对比分析物理热效应和 相变对热膨胀量的影响. 测量试样的膨胀量.实验开始前90min,向设备中 通入氩气，排除试样容器及加热炉内的空气，并且整 钢铁材料化学成分的改变对其热膨胀系数影响 较大0，因此本文采用热膨胀测试设备对三种不 个实验过程中都采取氩气保护，防止试样在加热过 程中氧化.按照实验精度要求以5℃·min1的加热 同化学成分钢种的高温热膨胀特性进行了测量，对 实测数据进行计算和分析，对比研究了物理热效应 速度将试样从室温(30℃)加热到1150℃.整个测 试过程中每隔0.2℃实时记录试样长度方向膨胀量 和相变对热膨胀量的影响，对钢铁材料热膨胀系数 随温度及时间的变化情况，实验完成后将数据导出， 的一些基本规律进行探讨，为探明钢铁材料热膨胀 进行数据分析处理 系数的影响因素和变化规律提供理论基础，并为热 带钢在线生产的宽度尺寸的精确控制提供依据. 2实验结果及讨论 1实验方法与材料 2.1不同钢种的膨胀曲线 图1给出了三个实验钢种的线性热膨胀随温度 1.1线膨胀基本概念及计算原理 的变化曲线，图2为瞬时线膨胀系数和温度的关系 1.1.1线性热膨胀 曲线，图中的A、B和C代表对应钢种A、B和C的 钢的线性热膨胀定义为 数据曲线.三个钢种均为亚共析钢，均经加热、粗 △L-L-Lo ==L0 (1) 轧、精轧、冷却、卷取等工艺由热连轧生产线生产，其 式中：L是室温T。下试样的原始长度，mm;L:为温 室温组织类型为铁素体+珠光体 度T,时试样的长度，mm;△L,是从起始温度T。至测 1.6 试温度T:试样长度的变化量，mm 1.4 1.1.2平均线膨胀系数 1.2 色1.0- 室温至温度T钢的平均线膨胀系数定义为 0.8 △L: Li-Lo a.=。47-(T,-Tg) (2) 0.6 0.4 1.1.3瞬时线膨胀系数 0.2 温度T下钢的瞬时线膨胀系数定义为 0 20040060080010001200 △L L2-L1,1_d业.1 温度℃ a=7,-17a7元 (3) 图1实验钢A、B和C的线性热膨胀与温度的关系 式中：L2和L,分别是温度T2和T,下试样的长度，mm Fig.1 Relations between thermal linear expansion and temperature 瞬时线膨胀系数可以看作是微小温度范围内的 of Steels A,B and C 平均线膨胀系数 对比分析图1和图2，可以看出钢在加热过程北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 敏性元件需要高膨胀合金． 目前，国内外已有部分 关于金属材料热膨胀特性的研究． Megaw［2］给出了 材料热膨胀系数计算公式; Ｒuffa［3］探讨了材料热膨 胀系数与原子间距及其他热力学参数之间的理论关 系式; Daw 等［4］测量了两种核反应堆用钢的膨胀系 数; Fu 等［5］对 Q235 钢的瞬时线膨胀系数进行了测 量; 崔 立 新［6］ 通 过热膨胀实验研究了 SPHC 和 Q235A 两个钢种的瞬时线膨胀系数; 靳星等［7］通过 热膨胀实验研究了 AH36 和 Q345 在室温至奥氏体 温区内的线性热膨胀和平均线膨胀系数; 钱宏智 等［8］对八个钢种铸态下的热膨胀特性进行了研究; 张立强等［9］对 GCr15 钢的瞬时膨胀系数进行了回 归分析． 但是，综合分析已有的研究报道，可以发现 以上研究没有对固态相变对热膨胀系数的影响进行 深入研究，同时也没有定量对比分析物理热效应和 相变对热膨胀量的影响． 钢铁材料化学成分的改变对其热膨胀系数影响 较大［10--11］，因此本文采用热膨胀测试设备对三种不 同化学成分钢种的高温热膨胀特性进行了测量，对 实测数据进行计算和分析，对比研究了物理热效应 和相变对热膨胀量的影响，对钢铁材料热膨胀系数 的一些基本规律进行探讨，为探明钢铁材料热膨胀 系数的影响因素和变化规律提供理论基础，并为热 带钢在线生产的宽度尺寸的精确控制提供依据． 1 实验方法与材料 1. 1 线膨胀基本概念及计算原理 1. 1. 1 线性热膨胀 钢的线性热膨胀定义为 εL = ΔLi L0 = Li － L0 L0 ． ( 1) 式中: L0 是室温 T0 下试样的原始长度，mm; Li 为温 度 Ti 时试样的长度，mm; ΔLi 是从起始温度 T0 至测 试温度 Ti 试样长度的变化量，mm． 1. 1. 2 平均线膨胀系数 室温至温度 T 钢的平均线膨胀系数定义为 αm = ΔLi L0 ·ΔT = Li － L0 L0 ·( Ti － T0 ) ． ( 2) 1. 1. 3 瞬时线膨胀系数 温度 T 下钢的瞬时线膨胀系数定义为 αT = limΔT→0 ΔL Li ·ΔT = limT2→T1 L2 － L1 T2 － T1 ·1 Li = dL dT ·1 Li ． ( 3) 式中: L2 和 L1 分别是温度 T2 和 T1 下试样的长度，mm． 瞬时线膨胀系数可以看作是微小温度范围内的 平均线膨胀系数． 1. 2 实验钢种及实验方法 本文实验钢种均取自于某热连轧厂在线生产的 典型产品． 为了系统分析不同化学成分钢种之间线 膨胀系数的变化规律，选取三种碳含量不同的钢种 进行研究，其化学成分见表 1． 实验钢种取自带钢切 头部沿宽度的 1 /4 处． 表 1 实验钢种的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical compositions of steel specimens % 钢种 C Mn Si Cr Ti V A 0. 038 0. 221 0. 007 0. 032 0. 002 0 B 0. 143 0. 951 0. 031 0. 036 0. 001 0. 001 C 0. 530 0. 916 0. 235 1. 012 0. 001 0. 147 将三种实验钢加工成 5 mm × 25 mm 的标准热 膨胀试样，采用德国 NETZSCH DIL 402C 热膨胀仪 测量试样的膨胀量． 实验开始前 90 min，向设备中 通入氩气，排除试样容器及加热炉内的空气，并且整 个实验过程中都采取氩气保护，防止试样在加热过 程中氧化． 按照实验精度要求以 5 ℃·min － 1的加热 速度将试样从室温( 30 ℃ ) 加热到 1150 ℃ ． 整个测 试过程中每隔 0. 2 ℃实时记录试样长度方向膨胀量 随温度及时间的变化情况，实验完成后将数据导出， 进行数据分析处理． 2 实验结果及讨论 2. 1 不同钢种的膨胀曲线 图 1 给出了三个实验钢种的线性热膨胀随温度 的变化曲线，图 2 为瞬时线膨胀系数和温度的关系 曲线，图中的 A、B 和 C 代表对应钢种 A、B 和 C 的 数据曲线． 三个钢种均为亚共析钢，均经加热、粗 轧、精轧、冷却、卷取等工艺由热连轧生产线生产，其 室温组织类型为铁素体 + 珠光体． 图 1 实验钢 A、B 和 C 的线性热膨胀与温度的关系 Fig． 1 Ｒelations between thermal linear expansion and temperature of Steels A，B and C 对比分析图 1 和图 2，可以看出钢在加热过程 · 046 ·