一种热模拟试验机辅助冷却的试验方法与流程

本发明涉及金属材料热加工物理模拟领域。

背景技术：

钢铁材料是一种具有相变的合金，其高温组织（奥氏体）及其转变产物（铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体等）具有不同的比容和膨胀系数，由于相变引起的体积效应叠加在膨胀曲线上，破坏了膨胀量与温度间的线性关系，从而可以根据热膨胀曲线上所显示的变化点来确定相变温度。在热模拟试验机上利用热膨胀法测定相变点，是建立钢铁材料的CCT曲线（过冷奥氏体连续转变曲线）的基础，在测量过冷奥氏体连续冷却过程中的膨胀曲线时，无论高温、低温相变，都伴随着体积效应，膨胀仪测出的“温度-膨胀量”曲线上就会出现转折点，据此可准确定出某种相转变的开始温度和结束温度，将这些温度描绘在以“温度-时间”为轴的坐标系中，分别连起来便可得到过冷奥氏体连续转变曲线（CCT 曲线）。每一条“温度-膨胀量”曲线的绘制，都对应着一个从奥氏体化温度连续冷却至室温的恒定冷却速度。一般CCT曲线的详尽绘制需要进行从恒冷速的连续缓慢冷却至恒冷速的连续快速冷却近20个冷却速度“温度-膨胀量”曲线的试验，工艺路线图见图1。马氏体组织转变需要深度过冷，故M_s点（马氏体组织相变开始点）和M_f点（马氏体组织相变结束点）的测试需要连续快速冷却得到。

热模拟试验机厂家配备了高精度径向膨胀仪，并提供了试样尺寸型式和配套使用的铜卡具，试样型式为哑铃状圆棒，总长75mm，左右两端头部分别长34.5mm，直径Φ10mm；均温区部分长6mm、直径Φ6mm。径向膨胀仪上的L型石英棒夹持在Φ6mm的直径方向上，来测定径向不同冷速下连续冷却的长度变化量，寻找各个温度区间的相变开始点和相变结束点。

一般情况下钢铁材料的M_s点温度范围为400℃~200℃，M_f点温度在300℃以下。要通过试验测试来寻找M_s点和M_f点，就要在400℃~室温的温度测试范围内，以不同冷速进行试验。我们知道，金属材料自然冷却时冷却速度会随着温度的降低而降低，热模拟试验机通过铜卡具提供的冷却速度有限，15℃/s以下的冷速可以实现从奥氏体化温度连续冷却至室温，当冷速在15℃/s以上，对于低于某一温度的M_s点或/和M_f点，仅凭热模拟试验机铜卡具的冷却速度无法达到测试要求。例如图2所示，使用铜卡具传热的现有技术，无法测得冷却速度为40℃/s的M_f点（无拐点出现），原因如图3所示，程序预设冷却速度为40℃/s，从奥氏体化温度冷却至200℃温度段时，实际冷却速度还能达到预设冷却速度（曲线上看是重合的），再接下去200℃至室温的降温段，测得图3中实际降温曲线在200℃时开始偏离预设降温曲线，无法在200℃至室温段保持40℃/s的恒定冷却速度，这就需要施加辅助冷却的方法使实际的冷却速度与预设冷却速度保持一致，以便能测定出M_s点或/和M_f点。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：如何解决现有热模拟试验机不能完成以大于15℃/s恒定冷却速度从奥氏体化温度连续冷却至室温，来测定M_s点和M_f点的问题。

本发明所采用的技术方案是：一种热模拟试验机辅助冷却的试验方法，按照如下的步骤进行

步骤一、对试样进行处理，将高温陶瓷管套在热电偶的裸露出头部分，然后将热电偶的正负极通过点焊机焊接在试样均温区的中部，两个焊点沿径向等温面排布，焊点间距为1mm，在两个焊点上涂抹高温水泥加固焊点；

步骤二、在热模拟试验机的真空腔体内安装辅助冷却装置，该辅助冷却装置通过压缩的惰性气体对试样均温区进行辅助冷却，压缩的惰性气体首先通过减压阀进行减压，然后控制电磁阀开启使压缩惰性气体吹向试样均温区，手动控制减压阀来调节压缩惰性气体的流量，电磁阀控制的阀门电信号连接在热模拟试验机的主机控制接口上；

步骤三、打开热模拟试验机的控制程序，对热模拟试验机的控制程序进行修改，在降温程序中添加使电磁阀开启的控制程序，使电磁阀在降温时开启阀门；

步骤四、打开热模拟试验机真空腔体，将试样的两端插入热模拟试验机的铜卡具，并将焊接在试样上的热电偶接在试验机相应测温接口上，关闭真空腔体，抽真空，使用修改后的热模拟试验机的控制程序对试样进行试验。

作为一种优选方式：步骤一中，热电偶采用K型热电偶，高温陶瓷管的内径为0.3mm。

作为一种优选方式：辅助冷却装置包括惰性气体源、连接在惰性气体源出口的25MPa ×1MPa气体减压阀、二位二通24VDC常闭型电磁阀、U型导气管路，U型导气管路的出口垂直向上正对试样均温区，惰性气体源为高纯氮气或者高纯氩气。

作为一种优选方式：热模拟试验机为的型号为Gleeble3800。

作为一种优选方式：减压阀的出口的气压为0.1 -0.2MPa。

本发明的有益效果是：本发明利用热模拟试验机具有的加热功能，附加一个辅助冷却装置，将加热和冷却两种功能结合在一起，实现以设定大于15℃/s冷速进行冷却，来完成在15℃/s以上冷速从奥氏体化温度（高温段）连续冷却至室温的全过程冷却，得以实现M_s点和M_f点的测定。安装好辅助冷却装置后，只需通过软件程序设置来操控硬件的动作，即可对试样的均温区进行以较快冷速从奥氏体化温度连续冷却至室温的全程控制，极大地满足试验的要求及效率的提升。

附图说明

图1 是温度-膨胀量试验的工艺路线图；

图2 无辅助冷却装置的温度-膨胀量曲线图；

图3 冷却速度为40℃/s的实测温度曲线图；

图4 辅助冷却装置安装结构示意图；

图5 施加辅助冷却装置的温度-膨胀量曲线图。

其中，图1中：纵坐标表示温度，横坐标表示时间，上升斜线表示升温速度，水平线表示奥氏体化温度时的保温时间，下降斜线表示不同的冷却速度，X表示分别对应的冷却速度。图2中：横坐标表示温度/℃，纵坐标表示膨胀量/mm，曲线表示升温、保温、降温时的膨胀量曲线。图4中：1、铜卡具，2、哑铃状圆棒试样头部，3、铜卡具对合孔，4、宝塔接头，5、电磁阀，6、直通螺母，7、气路快插接头，8、U型导气管路，9、哑铃状圆棒试样均温区，10、真空腔体。图5中：横坐标表示温度/℃，纵坐标表示膨胀量/mm，曲线表示升温、保温、降温时的膨胀量曲线。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明进一步描述，但本发明不局限于下面实施例中选取的钢种。

实验要求：试验料为车轴钢EA1N，要求从奥氏体化温度连续冷却至室温，即从900℃以40℃/s速度连续冷却至30℃。

实施方法按以下步骤进行：

把车轴钢EA1N加工成总长75mm哑铃状圆棒（左右两端头部分别长34.5mm，直径Φ10mm；均温区部分长6mm、直径Φ6mm）；

将两个内径0.3mm的高温陶瓷管分别套在K型热电偶的红、黄色热电偶上，来阻隔热电偶丝裸露部分与周围金属的接触，再将K型热电偶通过点焊机分别焊接在试样均温区的居中部位，且呈径向等温面排布，并在焊点根部涂抹高温水泥来加固焊点。

启动Gleeble3800热模拟试验机，将焊接好热电偶的哑铃状圆棒试样装入铜卡具中，调整机器放置铜卡具的位置，把铜卡具连带试样一起装配在真空腔体中，将热电偶接入测温通道TC1上。

在真空腔体顶部内螺纹直径M40内孔上安装辅助冷却装置：24VDC- Parker电磁阀的进气端接口配接宝塔接头，通过胶管与氮气减压阀出气口相连；24VDC- Parker电磁阀的出气端接口通过直径1/2’’的对丝接头，与直通螺母相连；该直通螺母的另一侧同时具有外螺纹和内螺纹，外螺纹为M40，从真空腔体顶部外侧与其内孔相连，内螺纹为1/2’’，与PC1204气路直通快插接头相连；该直通螺母把24VDC- Parker电磁阀固定在真空腔体顶部内孔上。在真空腔体内部，气路直通快插接头末端与一段长180mm、外径12mm、壁厚2mm的塑料软管连接；截取长480mm、外径8mm的紫铜管，折成U型状，使一端接入塑料软管，另一端对准试样均温区位置，并固定在真空腔体底面。上述塑料软管与紫铜管组成U型导气管路。至此，辅助冷却装置准备完毕，如图4所示。

由热模拟试验机主机上LOUP-2接口引出24VDC控制信号QUENCH4，QUENCH4可在热模拟试验机试验程序中任意调用。将QUENCH4信号线与24VDC- Parker电磁阀相连，来控制辅助冷却装置的开启。

本实例选择99.99%高纯氮气作为气源，选用25 MPa ×1MPa的氮气减压阀，安装在高纯氮气瓶上并将氮气减压阀出口压力调节至0.18MPa。

关闭真空腔体，抽真空至1.8×10^-2torr；编辑热模拟试验程序，设置升温速度5℃/s、奥氏体化温度900℃、保温时间10min、奥氏体化温度至室温的连续冷却冷速为40℃/s，在奥氏体化温度保温程序后（即连续冷却至室温的开始点）添加QUENCH4开启的程序命令，使24VDC- Parker电磁阀打开，实现高纯氮气吹向试样均温区，达到辅助冷却的目的。

启动热模拟试验程序。

试验结束后，将采集的膨胀量参数与温度绘制成“温度-膨胀量”曲线如图5所示，从曲线上可以清晰地看出，马氏体组织转变的开始温度即M_S点为296℃，马氏体组织转变的结束温度即M_f点为184℃；实测数据表明，本发明所述方法可以便捷地以较快冷速进行马氏体组织转变温度点的测试。

除上述实施例外，本发明还可以有其它实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。