Gleeble热模拟实验

GLEEBL实验实验一金属材料高温强度的测定．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。

(4) 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并进行比较；测定并分析变形速度对强度的影响规律。

．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热加工工艺方案(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韧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。

八、高温拉伸实验一、实验目的：1.熟悉Q235钢材料在高温拉伸作用下的变形和断裂过程；2.熟悉Q235钢材料的拉伸断裂断口特征；3.学会测定材料的高温拉伸力学性能指标的方法；4.掌握所使用的实验设备及仪器的操作规程，并了解其结构特点及工作原理。

二、实验仪器材料：GLEEG-150D热模拟试验机、Q235圆形截面拉伸试样。

三、实验原理：高温拉伸试验通常是指温度恒定在100～1100℃范围内,规定加载速率,受载方式为单项的拉伸试验。

温拉伸试验与常温拉伸相比,有许多相同的试验规律,如试验方法与拉伸图形相似;也有不少有区别的地方,如他们各项数值所代表的符号都不相同等.由于高温拉伸试验增加了一个温度参数,因此相应地有了温度控制和温度测量的内容.同时对试验过程和试样夹持装置也提出了特殊要求,在高温下有些力学性能指标会呈与室温不同的规律,如:超过一定的温度,碳钢的屈服强度变得不明显,从而难以测定.各种冶金元素对强度的影响随温度的不同而有所改变。

温度对材料力学性能的影响有：1.材料在高温下将发生蠕变现象（材料在恒定应力的持续作用下不断地发生变形）。

2.材料在高温下的强度与载荷作用的时间有关。

载荷作用时间越长，引起变形的抗力越小。

3.材料在高温下不仅强度降低，而且塑性也降低。

应变速率越低，作用时间越长，塑性降低越显著，甚至出现脆性断裂。

4.与蠕变现象相伴随的还有高温应力松弛（恒定应变下，材料内部的应力随时间降低的现象）。

温度和时间对断裂形式的影响为：温度升高时，晶粒强度和晶界强度都要降低，但由于晶界上原子排列不规则，扩散容易通过晶界进行，因此，晶界强度下降较快见图1。

晶粒与晶界两者强度相等的温度称为“等强温度”TE 。

当材料在TE以上工作时，材料的断裂方式由常见的穿晶断裂过渡到晶间断裂。

材料的T E 不是固定不变的，变形速率对它有较大影响。

因晶界强度对形变速率敏感性要比晶粒大得多，因此TE 随变形速度的增加而升高。

热模拟实验一系列方案一、实验目的采用Gleeble-3500 试验机对试验钢在不同温度和应变速率下进行热压缩变形试验1.测试了试验钢的真应力-真应变曲线；2.对高温形变奥氏体晶粒进行金相观察；3.结合试验钢真应力-真应变曲线特征参数和组织观察结果，分析动态回复和动态再结晶行为的发生条件和演化过程；4.建立试验钢奥氏体的再结晶图，并计算试验钢的再结晶激活能，建立其动态再结晶动力学模型。

二、实验试样（1）试验材料为25CrMo4（2）由初始时Φ40mm的圆棒锻造成Φ20mm，锻造最低温度不得低于950℃，以保证在锻造过程中工件内部不产生微裂纹，便于后续机加工，随后在650℃时保温1小时左右。

（3）经过车床，最终切削为Φ10mm×18mm压缩试样，试样尺寸如图3-1所示。

图 1 热压缩试验的试样尺寸（4）试样备注：试验中采用在试样两端面处涂润滑剂加厚度为0.1mm钽片，主要起隔离与润滑作用。

（5）试验后取淬火试样沿径向中心线剖开，经不同粒度砂纸磨制，抛光后用饱和苦味酸+ 海鸥洗头膏水溶液腐蚀，将腐蚀液置于60℃的恒温水浴炉中，然后在金相显微镜下观察原始奥氏体晶粒的大小。

三、实验方法（一）单道次热压缩试验为了了解试验钢在特定变形条件下的流变行为，用Gleeble-3500热模拟机进行单道次轴对称热压缩实验。

考虑到CWR工艺轧制温度较高，且工件在连续大变形内一次成形，内部承受复杂多向应力，因此选取具有代表性、能涵盖CWR 轧制特点的几种热工艺规程进行试验。

(1) 动态再结晶流变曲线工艺a: 实验目的：不同应变速率下的真应力—真应变曲线b: 试验方法： 在确定动态再结晶(Dynamic Recrystallization ，简称DRX )流变曲线时，每一试验的试样首先被加热到特定温度1200℃并保温一段时间。

待奥氏体原始晶粒尺寸均匀化后，降低到不同变形温度1100、1050、1000、950、900℃，在三个数量级0.01、0.1、1.0、10s -1的变形速率下，统一变形到真应变0.6。

《计算机在材料科学中的应用》课程作业Gleeble3800热／力学模拟试验机综述Gleeble3800热／力学模拟试验机综述热／力学模拟试验机在多个领域都有着广泛的应用，如压力加工、焊接、铸造、热处理和新材料研制等领域。

Gleeble3800热模拟试验机在美国DSI公司生产的Gleeble3000系列中功能最强大，配有通用单元和液压楔单元，两者共用一个主机，可以方便的进行转换。

液压楔单元拥有一个与主液压源同步的液压楔(Hydrawedge)，主要用来做压缩试验，尤其是高速的单／多道次、大变形的轧制过程模拟。

除此而外的其它试验均可在通用单元上完成。

1 Gleeble3800热模拟试验机的主要技术参数和特点1.1 Gleeble3800主要技术参数(1)最大载荷：拉伸98kN，压缩196kN；(2)最大冲程速度：2000mm／s；(3)最小冲程速度：0.01 mm／s；(4)最高加热温度：1700℃(与所用热电偶丝类型有关)；(5)最大加热速度：l0000℃／s(Φ4~6×15mm)；(6)最大控制冷却速度：Φ6×15mm，l000℃时为140℃／s，800—500℃时为78℃／s；(7)强制冷却：采用高压空气和雾化水。

1.2 Gleeble3800的特点(1)更适合于快速多道次的模拟；(2)采用电阻加热，升温速度快，热效率高；(3)控制方式采用全数字闭环控制，力、温度控制精度高；(4)压缩加载能力最大20t，可以使用更大尺寸的试样、变形更高强度的材料，如不锈钢等特殊钢和超强合金以及变形能在更低的温度进行，研究高温大压下的轧制工艺。

2 Gleeble3800热／力学模拟试验机的构成Gleeble3800主要包括：加热系统、力学系统、数字控制系统等。

它能对力、应力、应变、位移和温度等参数实时监测。

2.1 Gleeble3800的加热系统Gleeble3800独创的电阻加热系统能以10000℃／s的速度加热试样，或保持不变的稳态温度。

为什么要物理热模拟热模拟与试验是有区别的。

热模拟是现实生产过程在实验室设 备上的重现，再将结果应用到现场过程中去。

比如，在炉子中将试样加热到一定温度，再进行压缩。

这是试 验，其结果应具有重复性。

然而，如果要观察现场条件下材料的组织与特性，或希望更深 地了解以便更好地去控制生产过程，那么物理热模拟就非常重要了！ 比如，用户要设定新钢种的轧制规程，则必须考虑轧坯中所显 现的温度梯度。

我们发现材料的可加热性受温度梯度的影响很大，好 多产品的缺陷，如裂纹由此而造成。

没有物理热模拟，此问题很难解 决，也很难预料。

物理模拟必须分步骤进行，换句话说，不同区域的情况必须分 别研究，单一的，平均的加工参数，如平均轧坯温度，压下量，轧制 速度是很难一下子解决问题的，只有全面的，系统的研究才能解决问 题（这也是为什么每个研究单位希望自己拥有 Gleeeble 系统的原因。

因为去别人家做实验，很难系统、全面和细致，最终于事无补） 。

以下是物理热模拟的一些例子： ·通过热模拟优化连铸过程 一旦涉及连铸机的深入调整以达到最优， 钢铁企业总是采取非常 保守的方法，尽量每次作一些微小的调整，这很可以理解，因为无人1敢对连铸机的停产负责。

热模拟机给钢铁企业提供了模拟连铸过程简单而有效的途径。

其优点是很明显的； －发现优化途径而不必进行现场实验； －节省大量开支； －能在实验室发现问题，解决现场问题； －确实最有效生产途径。

·日本人的经验： 物理模拟连铸不尽是一个理论构想，而是被大量应用的手段。

这个方法最初是被日本一家很大的钢铁公司所开发的， 在最初进行连 铸生产时，连铸坯表面裂纹很多，大约有近 50％的坯子需要表面清 理，然后他们开始用 Gleeble 对此问题进行研究，在大量全面而系统 的实验之后，他们对连铸过程工艺提出了改进建议，并最终对连铸机 停机进行工艺改进。

恢复生产后，表面裂纹已大大减少，成坯率达到 95％以上。

一、实验目的本次实验旨在研究材料在高温条件下的流变应力行为，通过控制实验条件，探究变形温度、应变速率等因素对材料流变应力的影响，建立相应的流变应力模型，为材料加工工艺提供理论依据。

二、实验材料与设备1. 实验材料：某型号不锈钢（牌号：XX），尺寸为φ10mm×50mm的圆柱形试样。

2. 实验设备：Gleeble-1500热力模拟试验机、万能试验机、金相显微镜、扫描电子显微镜（SEM）等。

三、实验方法1. 将不锈钢试样加工成φ10mm×50mm的圆柱形，表面抛光处理。

2. 利用Gleeble-1500热力模拟试验机进行高温等温压缩实验，控制实验温度为800℃、900℃、1000℃三个水平，应变速率为0.1s^-1、1s^-1、10s^-1三个水平。

3. 在每个实验条件下，对试样进行压缩变形，记录变形过程中的载荷、位移等数据。

4. 对变形后的试样进行金相观察和SEM分析，研究其微观组织变化。

四、实验结果与分析1. 实验结果根据实验数据，绘制真应力-真应变曲线，如图1所示。

图1 不锈钢真应力-真应变曲线2. 结果分析（1）变形温度对流变应力的影响从图1可以看出，随着变形温度的升高，不锈钢的流变应力逐渐降低。

这是由于随着温度的升高，材料的塑性变形能力增强，滑移系更容易发生，从而降低了材料的流变应力。

（2）应变速率对流变应力的影响从图1可以看出，在相同的变形温度下，随着应变速率的增加，不锈钢的流变应力逐渐升高。

这是由于应变速率的增加使得材料的塑性变形时间缩短，变形过程中的动态回复和动态再结晶过程减弱，从而增加了材料的流变应力。

（3）微观组织变化通过金相观察和SEM分析，发现随着变形温度的升高，不锈钢的晶粒尺寸逐渐增大，晶界滑移现象明显。

这是由于高温下，材料的晶粒生长速度加快，晶界滑移更加容易发生。

五、结论1. 随着变形温度的升高，不锈钢的流变应力逐渐降低；随着应变速率的增加，不锈钢的流变应力逐渐升高。