Gleeble-3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)壓縮模塊低應(yīng)力加載試驗(yàn)設(shè)計(jì)

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(河鋼集團(tuán)鋼研總院, 石家莊 050000)

Gleeble-3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)壓縮模塊低應(yīng)力加載試驗(yàn)設(shè)計(jì)

胡加佳,熊自柳,薛峰,史遠(yuǎn)

(河鋼集團(tuán)鋼研總院, 石家莊 050000)

在Gleeble-3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)上，利用單軸壓縮模塊設(shè)計(jì)了一種低應(yīng)力加載試驗(yàn)。該試驗(yàn)克服了Gleeble-3800試驗(yàn)機(jī)壓縮模塊低應(yīng)力控制不穩(wěn)定的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了固定溫度下單軸低應(yīng)力加載，加載力維持在-200～-500 N。通過(guò)該試驗(yàn)可以在完成材料單軸壓縮試驗(yàn)的同時(shí)，測(cè)得材料在低應(yīng)力加載條件下的貝氏體相變過(guò)程，為在Gleeble-3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)上實(shí)現(xiàn)低應(yīng)力加載條件下研究貝氏體相變過(guò)程提供了解決方案。

熱模擬試驗(yàn)機(jī)；低應(yīng)力加載；單軸壓縮試驗(yàn)

隨著物理熱模擬技術(shù)的不斷發(fā)展，熱模擬試驗(yàn)機(jī)的功能也在不斷完善。美國(guó)DSI公司開(kāi)發(fā)的Gleeble-3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)就是先進(jìn)機(jī)型的代表，其功能完善，技術(shù)先進(jìn)[1]。Gleeble-3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)可以模擬實(shí)現(xiàn)熱拉伸試驗(yàn)、熱壓縮試驗(yàn)、熔化和凝固試驗(yàn)、動(dòng)/靜態(tài)連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線測(cè)試、焊接試驗(yàn)和冶金過(guò)程模擬試驗(yàn)等[2-5]，可以在不同的受熱、受力條件下進(jìn)行變形或變態(tài)行為的模擬試驗(yàn)，再將結(jié)果數(shù)據(jù)應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中，大大降低了新材料和新工藝開(kāi)發(fā)的成本[6-9]。隨著鋼鐵工藝研發(fā)水平的不斷提高，熱模擬試驗(yàn)設(shè)備的要求也越來(lái)越高，熱模擬試驗(yàn)機(jī)的基礎(chǔ)功能也越發(fā)不能滿足研究人員的要求。

有研究表明，低溫條件下變形后的低應(yīng)力加載會(huì)對(duì)貝氏體的轉(zhuǎn)變量有很大的影響[10-12]。研發(fā)人員希望通過(guò)Gleeble-3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬壓縮試驗(yàn)的同時(shí)，也在低應(yīng)力的條件下測(cè)試貝氏體相變的過(guò)程。Gleeble-3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)雖然可以實(shí)現(xiàn)單軸壓縮試驗(yàn)，卻很難通過(guò)傳統(tǒng)的力控制模式準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)低應(yīng)力加載。它可以模擬試樣升溫、保溫、壓縮變形之后的冷卻過(guò)程，但是在低溫保溫階段測(cè)試貝氏體相變的過(guò)程中需要加載的力越小越好。而此時(shí)若采用力控制模式來(lái)完成試驗(yàn)，一方面Gleeble-3800系統(tǒng)在低力檢測(cè)與反饋系統(tǒng)方面不是特別精確，另一方面試驗(yàn)中會(huì)有很多因素影響力值的變化，導(dǎo)致力值波動(dòng)，使試樣兩端面與夾具的接觸不好，導(dǎo)致加熱出現(xiàn)問(wèn)題、試驗(yàn)失敗，此時(shí)若要在Gleeble常規(guī)單軸壓縮試驗(yàn)中來(lái)完成這個(gè)試驗(yàn)比較困難。

針對(duì)上述問(wèn)題筆者設(shè)計(jì)了一種試驗(yàn)，既能滿足單軸壓縮試驗(yàn)的模擬需要，也能滿足壓縮完成后在低應(yīng)力加載情況下測(cè)試徑向膨脹量的需要，為此類Gleeble-3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)上的非常規(guī)試驗(yàn)提供了解決方案。

1 試驗(yàn)方案背景

設(shè)計(jì)模擬某一鋼樣的壓縮試驗(yàn)，并在壓縮完成后降溫至300 ℃，此時(shí)在低應(yīng)力加載條件下檢測(cè)該溫度下貝氏體相變的過(guò)程。試驗(yàn)采用DSI公司生產(chǎn)的Gleeble-3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)來(lái)完成，試樣尺寸為φ8 mm×12 mm，如圖1所示。

圖1 壓縮試樣尺寸示意圖Fig.1 Schematic diagram of dimension of the compression sample

試驗(yàn)工藝要求將試樣以5 ℃·s-1的速率加熱到900 ℃保溫15 min，然后以10 ℃·s-1的速率冷卻至400 ℃，再以1 s-1的速率變形40%，接著以10 ℃·s-1的速率冷卻至300 ℃保溫90 min，之后以10 ℃·s-1的速率冷卻至室溫，記錄整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中試樣軸向和徑向膨脹量的變化。試驗(yàn)方案如圖2所示。

圖2 低應(yīng)力加載試驗(yàn)的工藝流程圖Fig.2 Process flow chart of the low stress loading testing

在升溫過(guò)程中試樣可以自由膨脹，保溫階段不被壓縮，軋制變形時(shí)溫度穩(wěn)定在400 ℃，而在300 ℃保溫時(shí)要保證試樣受到的應(yīng)力盡可能小，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程的溫度模擬基本與設(shè)置的一致。

2 試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)施

Gleeble-3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)上單軸壓縮試驗(yàn)可以很好地模擬實(shí)際生產(chǎn)中的軋制過(guò)程，因此選擇利用單軸壓縮模塊來(lái)設(shè)計(jì)完成該試驗(yàn)。圖3為Gleeble-3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)壓縮試驗(yàn)設(shè)備的簡(jiǎn)要示意圖，空氣錘的氣動(dòng)系統(tǒng)及液壓系統(tǒng)在設(shè)備的左端，力值檢測(cè)系統(tǒng)連接在設(shè)備的右端，聯(lián)軸器將液壓系統(tǒng)與試樣接觸部分連接起來(lái)。在300 ℃保壓時(shí)，若采用常規(guī)試驗(yàn)中的力控制模式，拆除聯(lián)軸器，設(shè)置一個(gè)小的壓應(yīng)力，比如-500 N，由于試樣的膨脹會(huì)使力值傳感器檢測(cè)到的力變大，此時(shí)儀器會(huì)通過(guò)后退液壓軸的方式來(lái)減小壓應(yīng)力，液壓軸后退會(huì)導(dǎo)致試樣無(wú)法夾緊，從而加熱失敗，試驗(yàn)失敗。此時(shí)巧妙地利用空氣錘的作用來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，同時(shí)配合調(diào)整Gleeble-3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)上的其他附件來(lái)完成整個(gè)試驗(yàn)。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程主要通過(guò)以下幾個(gè)模塊來(lái)完成。

圖3 Gleeble-3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)壓縮試驗(yàn)簡(jiǎn)圖Fig.3 Schematic diagram of compression testing on Gleeble-3800 thermal simulation testing machine

2.1聯(lián)軸器

聯(lián)軸器是連接腔體左側(cè)夾具和液壓軸的裝置。在該試驗(yàn)中，在試樣溫度升高時(shí)需要完成低應(yīng)力控制，就需要液壓軸和左側(cè)夾具能夠分開(kāi)，同時(shí)在軋制過(guò)程中，為了保證軋制速率和變形量，這些都需要將聯(lián)軸器拆開(kāi)，使液壓軸和腔體左邊夾具處于分開(kāi)的狀態(tài)，可以分別控制。在300 ℃下保溫過(guò)程中也需要將液壓軸移開(kāi)一段距離，拆下聯(lián)軸器。

2.2空氣錘

在該試驗(yàn)過(guò)程中，空氣錘的設(shè)置至關(guān)重要。裝樣完畢后將空氣錘置于壓的狀態(tài)使夾具壓緊試樣，在升溫階段600 ℃之前，打開(kāi)空氣錘夾緊試樣，避免試樣掉落，另一方面使夾具和試樣表面接觸良好，保證電流通過(guò)，能夠加熱試樣。當(dāng)溫度升至600 ℃以后關(guān)閉空氣錘，此時(shí)試樣由于自身的膨脹已經(jīng)與夾具有很好的接觸。至保溫結(jié)束后打開(kāi)空氣錘，因?yàn)榇藭r(shí)溫度開(kāi)始下降，試樣本身尺寸開(kāi)始縮小，且此時(shí)吹氣裝置會(huì)打開(kāi)，對(duì)試樣產(chǎn)生作用力，這都需要對(duì)試樣有一個(gè)夾緊力。此外在試樣降溫至300 ℃保溫時(shí)，使液壓軸移開(kāi)1 mm的距離，同時(shí)依靠空氣錘給試樣一個(gè)壓緊力，使試樣維持在300 ℃的同時(shí)可以在盡可能小的應(yīng)力下發(fā)生相變。

空氣錘力值的大小也十分關(guān)鍵。一方面夾緊試樣和防止試樣被吹氣裝置吹掉都需要空氣錘具有較大的夾緊力，另一方面在300 ℃保溫測(cè)試貝氏體的相變量時(shí)，需要盡可能小的壓應(yīng)力，因此空氣錘的力設(shè)置為0.6 kN左右。

2.3吹氣裝置

依靠壓縮夾具自身的冷卻很難從900 ℃到300 ℃之間滿足10 ℃·s-1的降溫速率，就需要依靠吹氣裝置來(lái)幫助其冷卻。軋制模擬在400 ℃進(jìn)行，對(duì)于壓縮試驗(yàn)而言，要穩(wěn)定在一個(gè)溫度需要一段時(shí)間。軋制時(shí)壓縮應(yīng)變速率為1 s-1，相對(duì)來(lái)說(shuō)速率還比較高，因此在400 ℃時(shí)設(shè)置溫度不停留直接壓縮。當(dāng)溫度降至300 ℃時(shí)需要保溫，因?yàn)榇禋庋b置的特殊性，一般情況下試樣表面溫度降至300 ℃后，試樣心部溫度還會(huì)高于300 ℃，若停止吹氣溫度會(huì)很快升高。因此此時(shí)采用手動(dòng)操作吹氣裝置，不斷地開(kāi)關(guān)吹氣裝置使試樣溫度穩(wěn)定在300 ℃后再關(guān)閉吹氣裝置，試樣在300 ℃保溫結(jié)束后再打開(kāi)吹氣裝置使試樣溫度降至室溫。吹氣裝置吹氣壓力的大小也很重要，太小試樣冷卻速率跟不上，太大則可能會(huì)有冷速過(guò)快或者把試樣吹掉的風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，最終吹氣壓力設(shè)置為2.068 5×105Pa左右。

2.4工作腔體內(nèi)環(huán)境

一般壓縮試驗(yàn)只需要保持腔體內(nèi)真空狀態(tài)即可，但由于真空狀態(tài)對(duì)試樣會(huì)有一定的壓應(yīng)力，可能在900 ℃保溫階段使試樣產(chǎn)生變形，因此本試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用充氬氣保護(hù)。先抽真空至氣壓為26.66 Pa，再充入氬氣至氣壓達(dá)到2×104Pa，如此重復(fù)兩次。

2.5程序編制

采用Gleeble-3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)自帶軟件的Table模式來(lái)編制試驗(yàn)程序。全程采用軸控制模式，試驗(yàn)從開(kāi)始溫度升至900 ℃，600 ℃關(guān)閉空氣錘，軸退后1 mm的距離。900 ℃保溫15 min，保溫結(jié)束打開(kāi)空氣錘及吹氣裝置，試樣冷卻至400 ℃，不設(shè)置保溫停留時(shí)間立即壓縮。壓縮結(jié)束試樣繼續(xù)冷卻至300 ℃，同時(shí)液壓軸后退1 mm，到溫后保溫90 min。此時(shí)試樣僅有空氣錘的壓力，可以保持低應(yīng)力狀態(tài)，保溫結(jié)束后打開(kāi)吹氣裝置冷卻至室溫。試驗(yàn)過(guò)程中采集時(shí)間、溫度、力、徑向應(yīng)變、軸向應(yīng)力及應(yīng)變等數(shù)據(jù)。

2.6程序運(yùn)行

當(dāng)試樣及輔助裝置安裝完畢，程序編制完成后，輔助裝置調(diào)節(jié)完畢后可以開(kāi)始運(yùn)行程序。程序運(yùn)行至300 ℃時(shí)，手動(dòng)操作吹氣裝置，使溫度穩(wěn)定在300 ℃后關(guān)閉吹氣裝置。試驗(yàn)結(jié)束后數(shù)據(jù)采集同時(shí)完成。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

數(shù)據(jù)采集結(jié)束后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，圖4為整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程時(shí)間與加載在試樣上的力的變化關(guān)系。可以看出升溫和保溫階段的力都比較低，壓縮過(guò)程力瞬間升高，壓縮結(jié)束后300 ℃保溫階段的力也基本維持在低位，用軟件分析數(shù)據(jù)得知力為-200～-500 N，基本滿足在300 ℃保溫階段貝氏體相變時(shí)維持低應(yīng)力的要求。

圖4 時(shí)間與力的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship curve of the time and the force

圖5 時(shí)間與徑向位移的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curve of the time and the radial displacement

圖5為采集得到的試樣徑向位移與時(shí)間的關(guān)系曲線?？梢钥闯鰪较蛭灰齐S著溫度的升高而變大，接著在900 ℃保溫階段變化很小，之后隨著溫度的降低其也隨之下降。在軋制過(guò)程中徑向位移瞬間變大，在300 ℃保溫階段徑向位移的變化明顯，采集得到了貝氏體相變的整個(gè)過(guò)程。

圖6為采集得到的試樣軸向位移與時(shí)間的關(guān)系曲線?？梢钥闯鲭S著溫度的升高軸向位移變大，900 ℃保溫階段其略有升高，軋制過(guò)程使其瞬間降低了4.5 mm，基本滿足軋制過(guò)程變形40%的要求。而在隨后的保溫階段軸向位移并不明顯，滿足了300 ℃保溫階段控制在低應(yīng)力水平、試樣長(zhǎng)度方向盡量不發(fā)生變形的要求。

圖6 時(shí)間與軸向位移的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship curve of the time and the axial displacement

通過(guò)時(shí)間與加載力、試樣徑向位移及試樣軸向位移的變化曲線分析可知，試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了將試樣壓縮40%、并在300 ℃下檢測(cè)貝氏體相變過(guò)程的要求，且在貝氏體相變過(guò)程中將加載力維持在-200～-500 N。

4 結(jié)論

Gleeble-3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備功能強(qiáng)大，可創(chuàng)新空間大，對(duì)于研究人員來(lái)說(shuō)具有很大的挑戰(zhàn)性。通過(guò)一系列的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，可在Gleeble-3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)上實(shí)現(xiàn)單軸壓縮試驗(yàn)和低應(yīng)力條件下測(cè)試貝氏體相變的整個(gè)過(guò)程。

在該試驗(yàn)過(guò)程中，鋼的軋制模擬過(guò)程完成良好，貝氏體相變區(qū)域應(yīng)力基本控制在-200～-500 N，測(cè)試得到了貝氏體相變的整個(gè)過(guò)程。該試驗(yàn)彌補(bǔ)了Gleeble-3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)單軸壓縮試驗(yàn)?zāi)K在低應(yīng)力區(qū)域控制不精準(zhǔn)的缺點(diǎn)，提供了此類試驗(yàn)的解決方案。

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TestingDesignofLowStressLoadingofCompressionModuleonGleeble-3800ThermalSimulationTestingMachine

HUJiajia,XIONGZiliu,XUEFeng,SHIYuan

(Hesteel Group Technology Research Institute, Shijiazhuang 050000, China)

A low stress loading test was designed based on single axial compression module on Gleeble-3800 thermal simulation test machine. The test scheme overcame the instability problem of low stress control of the Gleeble-3800 compression module, and realized the single-axial low stress loading under the fixed temperature, and the loading force was maintained between -200 N and -500 N. Through this test, the process of the bainite transformation could be measured under the condition of single-axial low stress loading at the same time. The test scheme provided a solution for the study of bainite transformation process under the low stress loading on the Gleeble-3800 thermal simulation test machine.

thermal simulation testing machine; low stress loading; single-axial compression testing

10.11973/lhjy-wl201709005

2016-11-08

胡加佳(1985-)，女，工程師，碩士，主要研究金屬物理性能檢測(cè)，hujiajia53@163.com

TG115.9

：A

：1001-4012(2017)09-0638-04