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GLEEBLE实验实验一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。
(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。
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。
摘要低碳低合金钢Q345D具有强度高、韧性高、抗冲击、耐腐蚀等优良特性，因而倍受广泛地应用于各个方面。
，连铸技术因为具有可以大幅提高金属收得率、改善铸坯质量和节约能源等显著优势，因而在生产钢材的各种方法中得到了最为广泛的应用。
本文通过对Q345D钢的高温力学性能热模拟实验及其高温凝固相转变规律的研究，进一步了解该钢种的高温特性，以期为铸坯质量的提高提供理论依据。
对于Q345D高温力学性能的研究主要是通过热模拟试验机模拟金属热变形的整个过程，得到其热变形过程中热强度、热塑性、显微组织以及相变行为并对其进行分析整理总结。
本文通过使用Gleeble-1500D热模拟试验机，对Q345D钢进行高温拉伸实验，获得该钢在800℃~1200℃温度下的屈服强度、抗拉强度及延伸率、断面收缩率等数据。
对以上数据进行分析，可以得出：在800℃~850℃温度区间，随着温度的升高，屈服强度、抗拉强度分别从800℃的39.10MPa、83.61MPa提高到850℃的40.01MPa、93.10MPa；在900℃~1300℃温度区间内，随着温度的升高，其屈服强度和抗拉强度分别从900℃的33.53MPa、91.16MPa降低到1300℃的8.45MPa、19.85MPa。
对于该钢的热塑性，800℃~900℃温度区间内随温度升高，其延伸率、断面收缩率分别从800℃的9.11%、77.7%提高到900℃的23.58%、79.3%升高；在1000℃~1200℃温度区间内，延伸率、断面收缩率变化比较平缓；1200℃以后随温度升高，延伸率、断面收缩率急剧降低，在1300℃时其数值分别为11.75%、48.5%，表明其热塑性下降。
Q345D的高温凝固相转变规律是通过自行研制的可控高温凝固相变实验装置进行的，对于加热到熔化状态下的钢样通过控制冷速冷却到不同温度，然后淬火保留高温组织的方式研究其组织的转变行为。
对所得试样金相组织观测得出：在液态下直接淬火时，冷却速度越快，所得到的晶粒越为细小；在冷速为20℃/min的冷却速度下，Q345D钢的液、固相线温度点分别为1515℃和1460℃，在该区间内，残留高温铁素体的含量随着结束控制冷速冷却温度的降低而升高；在2℃/s的冷却速度下，在1515℃和1460℃温度点仍然有高温铁素体相的存在，但是与同温度下以20℃/min的冷却速度得到的试样相比，高温铁素体相的含量有明显不同。
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。
FGH4096合金的动态再结晶与晶粒细化研究摘要：使用Gleeble-1500D热模拟试验机对热等静压态FGH4096合金进行变形温度1080~1140℃，应变速率0.02~1s–1，变形量15%，35%和50%的等温压缩实验。
通过观察微观组织，分析了粉末高温合金动态再结晶的组织演化规律，并通过透射电镜研究了再结晶的形核位置。
当变形量在35%及以下时，得到不完全再结晶组织，即“项链“组织；当变形量大于50%时，得到完全的动态再结晶组织。
动态再结晶晶粒尺寸随变形温度的升高和应变速率的降低而增大。
再结晶形核主要在以下三个位置，即原始颗粒边界，再结晶晶粒边界以及孪晶源。
最后利用多方向热变形对晶粒的破碎和细化，得到平均晶粒尺寸为4μm的细晶坯料。
关键词：FGH4096粉末高温合金；动态再结晶；形核；细晶化锻造粉末高温合金由于具有组织均匀、无宏观偏析、合金化程度高等优点,成为制造先进航空发动机涡轮盘的首选材料[1]。
30多年中，粉末高温合金发展已经历了三代。
FGH4096粉末高温合金属于我国第二代粉末高温合金材料，以其优秀的高温强度和抗裂纹扩展能力受到航空发动机研究人员的极大重视[3]。
但由粉末冶金工艺所带来的原始颗粒边界(PPB)、热诱导孔洞(TIP)等组织缺陷极大的损害了高温合金的力学性能和热加工性能。
美国普惠公司使用以大挤压比的热挤压来粉碎PPB、焊合TIP，并诱导高温合金发生充分的动态再结晶以得到组织均匀细小、热加工性能优秀的高温合金坯料的制坯工艺[3]。
国内受多方面条件限制，尚无法实施该类工艺，但可通过塑性变形诱发动态再结晶得到细晶、无缺陷坯料[3]。
本文研究了FGH4096高温合金热变形中的动态再结晶的形核、发展规律和组织演化过程，并研究了合金的细晶化锻造工艺。
1 实验材料与方法FGH4096合金名义化学成分(Wt%)为：Cr 15.5, Co 12.5, Mo 3.8, W 3.8, Nb 0.6, Ti 3.9, Al 2.0, B 0.006, Zr 0.025, Ni Bal。
高温压缩gleeble实验试样误差钛合金及钛铝金属间化合物是航空航天领域的重要材料，高温塑性变形是其部件成形的主要途径之一。
为优化成形工艺，实现高精度的制造，近年来越来越多地采用有限元等工艺模拟，获得不同因素对成形过程的影响细节，以避免缺陷的产生并提升产品质量，同时提升加工效率，还可显著降低材料研发和制造过程中的资源和时间消耗。
准确测定材料的力学本构关系对材料的制造工艺设计、优化甚至使役行为的预测至关重要。
目前的本构关系测量常采用Gleeble热模拟实验机进行，其获得精确本构关系的前提是能够准确测定被测材料的温度。
本研究采用有限元方法模拟了柱状钛合金样品的Gleeble热压缩实验过程，重点关注不同的热电偶设计参数，包括热电偶材料、热电偶丝直径等，对Gleeble样品温度测量准确性的影响规律。
研究表明，热电偶的引入，由于其散热，会使样品和热电偶接触点的局域温度场发生畸变，导致温度测量结果与实际样品温度存在偏差，且某些条件下偏差较大，将严重影响钛合金等热导率较低材料性能的检测结果。
通过多种因素改变的模拟、分析以及与相关热处理实验金相组织结果的对比表明，热电偶材质及线径、样品的热传导系数、样品的实验温度等，都将影响测量偏差。
其中样品的热传导系数对测量精度的影响最大。
由于这些原因导致的偏差都是系统误差，应想办法消除，特别是对于像钛合金这些热导率较低的材料，在Gleeble高温测试过程中的温度测量误差较大，必须修正。
本文在有限元模拟及实验对比的基础上提出了相应的修正方法和修正公式。
关键词：热压缩，Gleeble，有限元模拟，温度测量，误差修正抽象：钛合金和钛基金属间化合物是航空航天领域的重要材料。
高温塑性变形是其部件制造的主要方法之一。
为了优化成形工艺，近年来采用了越来越多的有限元工艺模拟，获取不同因素对成形工艺影响的细节，从而避免缺陷的发生，证明产品质量，提高加工效率，减少材料开发制造过程中的资源和时间消耗。
BR1500HS超高强度钢本构模型的建立及验证夏玉峰;纪帅;张严东【摘要】在Gleeble3500热模拟实验机上,采用等温热拉伸实验对BR1500HS超高强度钢在变形温度为1 023,1 073,1 123和l 173K,应变速率为0.01,0.10和1.00 S-1条件下的热流变行为进行研究.根据蠕变理论及实验流动应力曲线确定材料变形激活能、硬化指数等相关材料常数并引入Zener-Hollomon参数.通过位错密度演化模型描述加工硬化和动态回复对流动应力的影响,并建立包含稳态应力σSS、屈服应力σ0和动态回复速率系数r这3个参数的本构模型.研究结果表明:由建立的本构模型所绘制的流动应力曲线与实验曲线具有高度一致性,所建立的本构模型能够应用于BR 1500HS超高强度钢热拉伸过程的数值模拟及热成形工艺分析.通过回归分析法建立模型参数关于Z参数的表达式,获得流变应力与变形条件的关系.【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(047)004【总页数】10页(P1111-1120)【关键词】BR1500HS超高强度钢;动态回复;Z参数;本构模型【作者】夏玉峰;纪帅;张严东【作者单位】重庆大学材料科学与工程学院,重庆,400044;重庆大学材料科学与工程学院,重庆,400044;重庆大学材料科学与工程学院,重庆,400044【正文语种】中文【中图分类】TG142近年来，随着世界汽车保有量与日俱增，随之而来的能源短缺、环境污染等一系列问题也日益突出，提高汽车安全性、车身轻量化、降低油耗成为世界汽车工业界的共同目标。
在此形势下，超高强度钢板以其质量轻、强度高、成本低的特点在汽车业中受到广泛的关注，采用超高强度钢板代替传统钢板材料来制造车身结构件已成为实现车身轻量化和提高汽车安全性的主要途径。
但超高强度钢板在常温下的成形性很差，采用传统的冷冲压成形方法会出现易拉裂、成形载荷过大、回弹严重等问题［1-3］。
Mg-Al-Mn-Gd合金的高温压缩行为及其组织稳定性汽车轻量化的提出为镁合金在汽车工业中的应用开辟了新的道路,镁合金是目前在工程应用中最轻的金属结构材料之一。
传统镁合金的成形方法为铸造成形,与之相比,塑性成形镁合金的晶粒尺寸细小、内部组织致密、成分均匀,因而具有更高的强度和更大的延伸率,具有更为广阔的应用空间。
由于镁合金的晶体结构多数为密排六方结构,基体中滑移系数量少,使得其在室温下塑性变形能力不理想,所以镁合金的塑性成形一般在高温下进行。
此外,在镁合金中添加稀土元素同样可以改善镁合金的塑性成形能力。
因而,研究稀土镁合金在高温下的塑性成形过程具有重要意义。
本文在AM50镁合金基础上添加稀土Gd元素形成Mg-Al-Mn-Gd系合金,在变形温度为200℃-400℃,应变速率为O.1s-1～5s-1条件下,采用Gleeble-1500D热/力模拟试验机对实验合金进行热压缩实验,以研究其流变行为；另外,在热处理温度为200℃、250℃、300℃,热处理时间为4h、8h、12h条件下对实验合金进行均匀化热处理,以研究其组织稳定性；并且采用X射线衍射分析仪(XRD)、激光显微镜、电化学分析仪等测试手段分析实验所得数据。
首先,分析Mg-Al-Mn-Gd系合金的高温塑性变形特点,即分析流变应力曲线和建立本构方程；其次,分析Mg-Al-Mn-Gd系合金热压缩变形条件对显微组织的影响以及实验合金的热压缩塑性变形机制；最后,分析稀土Gd元素对Mg-Al-Mn 系镁合金显微组织的影响,以及均匀化热处理温度和时间对Mg-Al-Mn-Gd系合金的显微组织和腐蚀性能的影响。
本论文主要结论如下：1、Mg-Al-Mn-Gd系合金的高温压缩真应力-真应变曲线呈现出明显的动态再结晶特征,在该过程中变形条件(应变速率、变形温度)对流变应力的影响具有规律性,即：当应变速率越大、变形温度越低时,其流变应力越大,对应的峰值应变也就越大,峰值出现较晚；相反,当应变速率越小、变形温度越高时,其流变应力越小,对应的峰值应变也就越小,峰值提前出现；经计算Mg-4Al-0.29Mn-0.97Gd稀土镁合金在本实验条件下的应力指数n=9.69271、热变形激活能Q=112.24KJ/mol,并且通过回归分析,建立了热压缩本构方程,其中Z参数与应变速率和变形温度有关。
GLEEBLE实验
实验一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。
(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。
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。
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。
5.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
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(Dynami Systems lnc．)至今，经过60多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10000C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。
图A1 Gleeble 3500整体形貌
图A2 Gleeble 3500结构方框图
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
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尺寸检测，焊接热电偶，然后依据实验需要选择夹具。
再装卡试样，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。
(11)实验结束后对数据进行处理或存储到相应的目录下。
(12)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：本科生实验必需按照实验指导教师指导操作。
