第5期 操龙飞等：钢的热膨胀特性研究 641· 40 (3)高温奥氏体区间.由图1可以明显看出， 20 这个阶段内钢的线性热膨胀随碳含量的增加而增 加，因为y奥氏体具有面心立方结构，相比体心立 -20 方结构的铁素体，对碳元素具有较高的固溶度，所以 -40 随着碳含量的增加，晶体结构更加致密，其热膨胀系 -60 数也较大，表现为相同温度下其线性热膨胀较大 -80 -100 同时由图2可以得到，该温度区间内瞬时线膨胀系 -120 数在20.6×10-6~22.5×10-6K-1之间.钱宏智 0 20040060080010001200 等网对八个不同碳含量钢种的热膨胀特性进行研 温度℃ 究，得到的碳含量对加热过程中钢的热膨胀系数的 图2实验钢A、B和C的瞬时线膨胀系数与温度的关系 Fig.2 Relations between instant linear expansion coefficient and 影响规律与本文结果相同. temperature of Steels A,B and C 钢铁材料是最重要的、工程中应用最多的金属 材料，其热膨胀特性取决于其复杂的组织结构类型 中的线性热膨胀及瞬时线膨胀系数随温度的变化过 钢中常见组织的比容大小关系为马氏体>渗碳体> 程可大致分为以下三个阶段 铁素体>珠光体>奥氏体，因此在图1中的奥氏体 (1)室温至奥氏体形成温度区间.由图1可以 形成温度区间，发生珠光体→奥氏体或者铁素体→ 看出，三个钢种的线性热膨胀随温度的变化曲线基 奥氏体转变，都将引起试样尺寸的收缩，与此同时在 本重合，表明这个阶段内碳含量和成分对线性热膨 温度升高的过程中，试样尺寸也会由于物理热膨胀 胀影响很小，这与笔者以前的研究相符合.其原 而伸长，当温度引起的热膨胀效应小于相变产生的 因是具有体心立方结构的α铁素体的溶碳量比奥 体积收缩，试样将收缩，反之试样将伸长 氏体小，其在727℃时它的最大溶碳量仅为 对于两相组织的混合物，其热膨胀系数介于两 0.0218%,在室温至奥氏体形成温度区间段内的溶 相的热膨胀系数之间.若两相弹性模量差别不是很 碳量更小，因此大部分碳元素以渗碳体形式析出，渗 大时，近似符合混合率， 碳体和铁素体的线膨胀系数基本相同)，所以碳含 a=af+af2=af+az (1-f)= 量的不同引起渗碳体和铁素体的量不同，但对线性 a1(1-f2)+a25 (4) 热膨胀的影响不大.由图2可知，该区间内钢的瞬 式中，a、1和a2分别为合金和两相的热膨胀系数， 时线膨胀系数大约为16.1×106K1. f和∫分别为两相的体积分数 (2)奥氏体形成温度区间.这个温度段内会发 若两相的弹性模量相差较大时，则应按下式 生铁素体和珠光体向奥氏体的转变.从图1可以看 计算： 出，随相变发生，试样突然收缩，线性热膨胀随温度 av E1 +af2E2 的变化呈高度非线性，且相变温度区间的范围随碳 Q=- (5) fE1+f5E2 含量的增加而减小，即随着碳含量的增加，奥氏体的 式中，E,和E2分别为两相的弹性模量 形成速度加快，奥氏体转变完成时间缩短.这与 因此多相组织材料的热膨胀系数对各相的大 Fe,C/a界面面积的增加使形核率增加和碳原子在 小、形状及分布不敏感，主要取决于各相的性质和数 奥氏体中的扩散系数随碳含量的增加而增加有 量.对本研究三个钢种在奥氏体形成温度区间内的 关.这个阶段内，瞬时线膨胀系数呈现快速下降 线性热膨胀分析，可知相变产生的体积收缩占主导 然后上升的规律，波动较大，线膨胀在温度和相变的 作用，整个相变区间内，试样尺寸有所减小.对于从 共同作用下，总体呈现负值，即试样尺寸在收缩，这 室温到高温的整个过程中，则必须考虑每个阶段内 个变化是由温度升高产生的热膨胀和固态相变引起 的物理热效应及相变效应对试样尺寸的共同影响作 的体积收缩综合作用的结果，表明在相变阶段，相变 用，才能最终精确计算出试样的膨胀变化量 引起的试样体积收缩占据主导地位.铁素体、珠光 2.2相变对热膨胀量的影响 体和奥氏体的晶格结构不同，原子排列致密度不同， 相变区间内瞬时热膨胀系数变化显著，且相变 当体心立方的铁素体和密排六方的渗碳体向原子排 对其线性热膨胀影响较大，进而对材料在加热过程 列致密度高的面心立方奥氏体转变时，就会引起试 中的膨胀量产生一定的影响作用，因此准确确定固 样体积收缩 态相变的开始温度、结束温度和各阶段的热膨胀量，第 5 期 操龙飞等: 钢的热膨胀特性研究 图 2 实验钢 A、B 和 C 的瞬时线膨胀系数与温度的关系 Fig． 2 Ｒelations between instant linear expansion coefficient and temperature of Steels A，B and C 中的线性热膨胀及瞬时线膨胀系数随温度的变化过 程可大致分为以下三个阶段． ( 1) 室温至奥氏体形成温度区间． 由图 1 可以 看出，三个钢种的线性热膨胀随温度的变化曲线基 本重合，表明这个阶段内碳含量和成分对线性热膨 胀影响很小，这与笔者以前的研究相符合［12］． 其原 因是具有体心立方结构的 α 铁素体的溶碳量比奥 氏体 小，其 在 727 ℃ 时它的最大溶碳量仅为 0. 0218% ，在室温至奥氏体形成温度区间段内的溶 碳量更小，因此大部分碳元素以渗碳体形式析出，渗 碳体和铁素体的线膨胀系数基本相同［13］，所以碳含 量的不同引起渗碳体和铁素体的量不同，但对线性 热膨胀的影响不大． 由图 2 可知，该区间内钢的瞬 时线膨胀系数大约为 16. 1 × 10 － 6 K － 1 ． ( 2) 奥氏体形成温度区间． 这个温度段内会发 生铁素体和珠光体向奥氏体的转变． 从图 1 可以看 出，随相变发生，试样突然收缩，线性热膨胀随温度 的变化呈高度非线性，且相变温度区间的范围随碳 含量的增加而减小，即随着碳含量的增加，奥氏体的 形成速度加快，奥氏体转变完成时间缩短． 这与 Fe3C /α界面面积的增加使形核率增加和碳原子在 奥氏体中的扩散系数随碳含量的增加而增加有 关［14］． 这个阶段内，瞬时线膨胀系数呈现快速下降 然后上升的规律，波动较大，线膨胀在温度和相变的 共同作用下，总体呈现负值，即试样尺寸在收缩，这 个变化是由温度升高产生的热膨胀和固态相变引起 的体积收缩综合作用的结果，表明在相变阶段，相变 引起的试样体积收缩占据主导地位． 铁素体、珠光 体和奥氏体的晶格结构不同，原子排列致密度不同， 当体心立方的铁素体和密排六方的渗碳体向原子排 列致密度高的面心立方奥氏体转变时，就会引起试 样体积收缩． ( 3) 高温奥氏体区间． 由图 1 可以明显看出， 这个阶段内钢的线性热膨胀随碳含量的增加而增 加，因为 γ 奥氏体具有面心立方结构，相比体心立 方结构的铁素体，对碳元素具有较高的固溶度，所以 随着碳含量的增加，晶体结构更加致密，其热膨胀系 数也较大，表现为相同温度下其线性热膨胀较大． 同时由图 2 可以得到，该温度区间内瞬时线膨胀系 数在 20. 6 × 10 － 6 ～ 22. 5 × 10 － 6 K － 1 之间． 钱宏智 等［8］对八个不同碳含量钢种的热膨胀特性进行研 究，得到的碳含量对加热过程中钢的热膨胀系数的 影响规律与本文结果相同． 钢铁材料是最重要的、工程中应用最多的金属 材料，其热膨胀特性取决于其复杂的组织结构类型． 钢中常见组织的比容大小关系为马氏体 ＞ 渗碳体 ＞ 铁素体 ＞ 珠光体 ＞ 奥氏体，因此在图 1 中的奥氏体 形成温度区间，发生珠光体→奥氏体或者铁素体→ 奥氏体转变，都将引起试样尺寸的收缩，与此同时在 温度升高的过程中，试样尺寸也会由于物理热膨胀 而伸长，当温度引起的热膨胀效应小于相变产生的 体积收缩，试样将收缩，反之试样将伸长． 对于两相组织的混合物，其热膨胀系数介于两 相的热膨胀系数之间． 若两相弹性模量差别不是很 大时，近似符合混合率［15］: α = α1 f1 + α2 f2 = α1 f1 + α2 ( 1 － f1 ) = α1 ( 1 － f2 ) + α2 f2 ． ( 4) 式中，α、α1 和 α2 分别为合金和两相的热膨胀系数， f1 和 f2 分别为两相的体积分数． 若两相的弹性模量相差较大时，则应按下式 计算［15］: α = α1 f1E1 + α2 f2E2 f1E1 + f2E2 ． ( 5) 式中，E1 和 E2 分别为两相的弹性模量． 因此多相组织材料的热膨胀系数对各相的大 小、形状及分布不敏感，主要取决于各相的性质和数 量． 对本研究三个钢种在奥氏体形成温度区间内的 线性热膨胀分析，可知相变产生的体积收缩占主导 作用，整个相变区间内，试样尺寸有所减小． 对于从 室温到高温的整个过程中，则必须考虑每个阶段内 的物理热效应及相变效应对试样尺寸的共同影响作 用，才能最终精确计算出试样的膨胀变化量． 2. 2 相变对热膨胀量的影响 相变区间内瞬时热膨胀系数变化显著，且相变 对其线性热膨胀影响较大，进而对材料在加热过程 中的膨胀量产生一定的影响作用，因此准确确定固 态相变的开始温度、结束温度和各阶段的热膨胀量， · 146 ·