孙建;陈守东;陈子潘
【摘 要】随着我国经济的快速发展,钢铁材料在使用方面也有了很多新的需求.钢铁奥氏体材料在加热过程中,会随着时间和温度的不断增长,而发生相应的内部组织结构变化.热膨胀法主要用于检测钢铁奥氏体材料相变过程,与时间、温度等条件存在的线型关联.本文主要探讨热膨胀法在钢铁材料固态相变研究中的应用,通过实验分析,提出热膨胀法在金属固态相变中的的应用原理.
【期刊名称】《黑龙江科技信息》
【年(卷),期】2017(000)035
【总页数】2页(P40-41)
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【关键词】热膨胀法;钢铁材料;固态相变;应用
【作 者】孙建;陈守东;陈子潘
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【作者单位】衰变池铜陵学院机械工程学院,安徽 铜陵 244061;铜陵学院机械工程学院,安徽 铜陵 244061;铜陵学院机械工程学院,安徽 铜陵 244061
【正文语种】中 文
在固态相变研究方面，基于热膨胀法的钢铁材料固态相变研究，成为各方关注的主要内容。这是由于热膨胀法在金属固态相变的分析过程中，其所使用的数据非常简洁实用，得到的结果也较为准确。热膨胀法中的核心技术为温度控制技术，在完成金属的固态相变温度测量后，可以将相应的数据信息存储到输出设备中。随着热膨胀温度测量相变技术的发展成熟，其在金属材料固态相变中的应用会更加广泛。
1 热膨胀在钢铁材料固态相变实验的分析方法珍珠岩膨胀炉
1.1 热膨胀实验原理及分析方式
钢铁材料基本相包括铁素体、奥氏体、珠光体、渗碳体等多个组成部分，其中碳溶于α-Fe晶格间隙的铁素体所占比重最大。钢铁在加热温度的变化过程中，不仅会由于热胀冷缩而发生体积的改变，还会由于固态相变而发生相应的内部组织结构变化。因此对于温度变化
所发生的金属材料热膨胀，都会在某一特定温度出现膨胀的变化交界点。金属材料固态相变会随着加热温度的升高，而发生伸长的热膨胀现象。直到温度达到700℃时，钢铁材料开始达到了固态相变的温度临界点。然后从700℃-800℃的温度区间内，钢铁材料会由于固态相变与加热的同时作用，而在原有的膨胀开始收缩，直到恢复为单纯的热膨胀位置。最后钢铁材料会在固态相变活动完成后，随着温度升高发生相应的材料伸长变化。
1.2 钢铁材料热膨胀固态相变的测量方式
热膨胀钢铁材料固态相变的测量，主要包括钢铁材料通电、磁感应加热两种加热测量方式。热膨胀相变测量存在两种固态相变加热模拟，一种为单纯升温的加热循环模拟，另一种为使用相应力学装置进行的膨胀模拟。热膨胀钢铁材料固态相变的测试系统，主要包括线性可变差动变压系统、激光测量系统两类，其中激光测量系统的分辨率测试精度能够达到0.003 nm/digit，对于膨胀率较低的钢铁材料有着非常好的测量效果。热膨胀相变测量设备中最重要的结构部分为温度控制系统，其能够利用磁感应原理对钢铁材料进行加热。膨胀测量系统主要负责钢铁材料的膨胀测量，对于钢铁材料固态相变的加热，最高能够达到140℃/s的升温，降温能够达到300℃/s。
2 热膨胀法在钢铁材料固态相变中的应用研究
2.1 连续加热变换曲线
在钢铁材料固态相变热膨胀法的研究中，主要着重于钢铁材料的持续加热、持续冷却、恒定温度等相变分析。其中钢铁材料固态相变与温度、时间之间的关系，可以用连续加热变换曲线、TTT曲线、固态相变模型进行表示。钢铁材料经过高温加热处理后，会迅速进入奥氏体化阶段。钢铁材料达到奥氏体的临界值，对其冷却后形成的内部组织结构有着较大影响。因此在钢铁材料加热中使用连续加热变换曲线，能够准确的测定钢铁奥氏体化，与温度、时间存在的线型关系。氏体不锈钢随着时间的不断增加，其温度、冷速都会发生一系列变化。800℃、850℃、900℃、1100℃、1200℃和1250℃等，属于马氏体不锈钢固态相变的临界温度。其在固态相变临界时刻的冷却速率为0.05℃/s-1，在马氏体不锈钢加热到临界温度AC1、AC3的冷却速率为2℃/s-1。而且马氏体不锈钢固态相变临界点会随着冷却速率的增大而增大，其中受ACC、ACH冷却速率的影响更大。
2.2 奥氏体化固态相变的动力模型
奥氏体化固态相变的动力学模型，可以使用持续加热珠光体钢，转换为奥氏体化的动力学模型进行表示，具体公式如下：（N：单位时间、单位体积形成的晶核数；G：增长速率，属于温度函数。）在含铬珠光体钢的渗碳体动力学模型研究中，可以使用热膨胀、奥氏体碳含量等方式进行测定。结果表明：在热膨胀温度逐渐上升过程中，奥氏体化不锈钢中铁素体、渗碳体的含量相同。
不同钢铁材料中铁素体、奥氏体、珠光体、渗碳体的组成比例，存在着相应的差距。因此不同钢铁材料在持续加热过程中，所发生奥氏体化的温度和体积，也存在着不同的线型关系。因此可以依据不锈钢的热膨胀发生情况，绘制相关的膨胀曲线模型。因此利用温度、热膨胀建立的模型，能够对奥氏体化的变量展开动力学分析，温度与热膨胀模型的具体公式如下：
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2.3 钢铁材料的持续冷却研究
钢铁材料的持续冷却研究，主要着重于材料成分、固态相变、组织结构等方面内容。在持续冷却的环境条件下，钢铁材料会发生相应的固态相变。而热膨胀的钢铁材料固态相变研究，主要生成连续冷却变换曲线。膨胀法在钢铁材料固态相变中的应用，还能够对加热区
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域组织结构进行模拟。在含有铌的高强度低合金钢中，其加热区域的冷却固态相变产物为颗粒状珠光体。而不含铌的高强度低合金钢中，其加热区域的冷却固态相变产物为针状、结晶铁素体。其中冷却速度在30 K/s以下的情况，含铌高强度低合金钢的固态相变温度，小于不含铌高强度低合金钢的固态相变温度。而冷却速度在30 K/s以上的情况，含铌高强度低合金钢会发生马氏体固态相变。
对于企业生产的钢铁材料加工，常常会在奥氏体化冷却过程中，产生不同取向的晶体位错形变。在引入固态相变的动力学膨胀模型后，就能够对相应的膨胀缺陷进行纠正。因此当前钢铁材料的固态相变中，膨胀形变与塑性形变现象常常同时进行。钢铁材料在热膨胀作用下发生变形后，会由于冷却而造成内部组织结构的改变。但膨胀形变、塑性形变存在着本质性的差别，研究结果表明：对于0.031%钛含量的高强度低合金钢而言，奥氏体化变形现象主要是由于铌、钛等纳米颗粒造成的。这些纳米颗粒能够使铁素体的固态相变延后，从而造成Ar1临界温度的下降。
2.4 恒定温度的固态相变转化
在热力学系统内外热平衡的状态下，热膨胀法能够使冷却的奥氏体发生固态相变。比如：
热膨胀法会使渗碳体含量高的钢铁材料，以及Ms材料发生从γ-α的热平衡固态相变。在含碳量较高的钢体中，进行恒定温度的固态相变操作，能够提升钢体本身的可塑性与柔韧度。在含碳量中等的钢体中，进行恒定温度的固态相变操作，也能够提升钢体的力学特性。在热力学系统内外热平衡的状态下，科研人员运用热膨胀法，进行中碳钢体的固态相变研究发现：贝氏体的固态相变尺寸和体积，发生了M/A的减小，中碳钢体的厚度也发生了相应缩减，形成了更加纤薄的膜状奥氏体。但恒定温度的固态相变，只能够对钢体的部分力学特性产生影响，而不能对含碳钢体的所有物理属性进行提升。
