GLEEBLE实验1-高温强度.

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，

动态热模拟试验机Gleeble 3500 介绍直径为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

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