Gleeble-3800热模拟试验机压缩模块低应力加载试验设计

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(河钢集团钢研总院, 石家庄 050000)

Gleeble-3800热模拟试验机压缩模块低应力加载试验设计

胡加佳,熊自柳,薛峰,史远

(河钢集团钢研总院, 石家庄 050000)

在Gleeble-3800热模拟试验机上，利用单轴压缩模块设计了一种低应力加载试验。该试验克服了Gleeble-3800试验机压缩模块低应力控制不稳定的问题，实现了固定温度下单轴低应力加载，加载力维持在-200～-500 N。通过该试验可以在完成材料单轴压缩试验的同时，测得材料在低应力加载条件下的贝氏体相变过程，为在Gleeble-3800热模拟试验机上实现低应力加载条件下研究贝氏体相变过程提供了解决方案。

热模拟试验机；低应力加载；单轴压缩试验

随着物理热模拟技术的不断发展，热模拟试验机的功能也在不断完善。美国DSI公司开发的Gleeble-3800热模拟试验机就是先进机型的代表，其功能完善，技术先进[1]。Gleeble-3800热模拟试验机可以模拟实现热拉伸试验、热压缩试验、熔化和凝固试验、动/静态连续冷却转变曲线测试、焊接试验和冶金过程模拟试验等[2-5]，可以在不同的受热、受力条件下进行变形或变态行为的模拟试验，再将结果数据应用到实际生产现场中，大大降低了新材料和新工艺开发的成本[6-9]。随着钢铁工艺研发水平的不断提高，热模拟试验设备的要求也越来越高，热模拟试验机的基础功能也越发不能满足研究人员的要求。

有研究表明，低温条件下变形后的低应力加载会对贝氏体的转变量有很大的影响[10-12]。研发人员希望通过Gleeble-3800热模拟试验机来实现模拟压缩试验的同时，也在低应力的条件下测试贝氏体相变的过程。Gleeble-3800热模拟试验机虽然可以实现单轴压缩试验，却很难通过传统的力控制模式准确地实现低应力加载。它可以模拟试样升温、保温、压缩变形之后的冷却过程，但是在低温保温阶段测试贝氏体相变的过程中需要加载的力越小越好。而此时若采用力控制模式来完成试验，一方面Gleeble-3800系统在低力检测与反馈系统方面不是特别精确，另一方面试验中会有很多因素影响力值的变化，导致力值波动，使试样两端面与夹具的接触不好，导致加热出现问题、试验失败，此时若要在Gleeble常规单轴压缩试验中来完成这个试验比较困难。

针对上述问题笔者设计了一种试验，既能满足单轴压缩试验的模拟需要，也能满足压缩完成后在低应力加载情况下测试径向膨胀量的需要，为此类Gleeble-3800热模拟试验机上的非常规试验提供了解决方案。

1 试验方案背景

设计模拟某一钢样的压缩试验，并在压缩完成后降温至300 ℃，此时在低应力加载条件下检测该温度下贝氏体相变的过程。试验采用DSI公司生产的Gleeble-3800热模拟试验机来完成，试样尺寸为φ8 mm×12 mm，如图1所示。

图1 压缩试样尺寸示意图Fig.1 Schematic diagram of dimension of the compression sample

试验工艺要求将试样以5 ℃·s-1的速率加热到900 ℃保温15 min，然后以10 ℃·s-1的速率冷却至400 ℃，再以1 s-1的速率变形40%，接着以10 ℃·s-1的速率冷却至300 ℃保温90 min，之后以10 ℃·s-1的速率冷却至室温，记录整个试验过程中试样轴向和径向膨胀量的变化。试验方案如图2所示。

图2 低应力加载试验的工艺流程图Fig.2 Process flow chart of the low stress loading testing

在升温过程中试样可以自由膨胀，保温阶段不被压缩，轧制变形时温度稳定在400 ℃，而在300 ℃保温时要保证试样受到的应力尽可能小，整个试验过程的温度模拟基本与设置的一致。

2 试验方案的设计与实施

Gleeble-3800热模拟试验机上单轴压缩试验可以很好地模拟实际生产中的轧制过程，因此选择利用单轴压缩模块来设计完成该试验。图3为Gleeble-3800热模拟试验机压缩试验设备的简要示意图，空气锤的气动系统及液压系统在设备的左端，力值检测系统连接在设备的右端，联轴器将液压系统与试样接触部分连接起来。在300 ℃保压时，若采用常规试验中的力控制模式，拆除联轴器，设置一个小的压应力，比如-500 N，由于试样的膨胀会使力值传感器检测到的力变大，此时仪器会通过后退液压轴的方式来减小压应力，液压轴后退会导致试样无法夹紧，从而加热失败，试验失败。此时巧妙地利用空气锤的作用来解决这个问题，同时配合调整Gleeble-3800热模拟试验机上的其他附件来完成整个试验。整个试验过程主要通过以下几个模块来完成。

图3 Gleeble-3800热模拟试验机压缩试验简图Fig.3 Schematic diagram of compression testing on Gleeble-3800 thermal simulation testing machine

2.1联轴器

联轴器是连接腔体左侧夹具和液压轴的装置。在该试验中，在试样温度升高时需要完成低应力控制，就需要液压轴和左侧夹具能够分开，同时在轧制过程中，为了保证轧制速率和变形量，这些都需要将联轴器拆开，使液压轴和腔体左边夹具处于分开的状态，可以分别控制。在300 ℃下保温过程中也需要将液压轴移开一段距离，拆下联轴器。

2.2空气锤

在该试验过程中，空气锤的设置至关重要。装样完毕后将空气锤置于压的状态使夹具压紧试样，在升温阶段600 ℃之前，打开空气锤夹紧试样，避免试样掉落，另一方面使夹具和试样表面接触良好，保证电流通过，能够加热试样。当温度升至600 ℃以后关闭空气锤，此时试样由于自身的膨胀已经与夹具有很好的接触。至保温结束后打开空气锤，因为此时温度开始下降，试样本身尺寸开始缩小，且此时吹气装置会打开，对试样产生作用力，这都需要对试样有一个夹紧力。此外在试样降温至300 ℃保温时，使液压轴移开1 mm的距离，同时依靠空气锤给试样一个压紧力，使试样维持在300 ℃的同时可以在尽可能小的应力下发生相变。

空气锤力值的大小也十分关键。一方面夹紧试样和防止试样被吹气装置吹掉都需要空气锤具有较大的夹紧力，另一方面在300 ℃保温测试贝氏体的相变量时，需要尽可能小的压应力，因此空气锤的力设置为0.6 kN左右。

2.3吹气装置

依靠压缩夹具自身的冷却很难从900 ℃到300 ℃之间满足10 ℃·s-1的降温速率，就需要依靠吹气装置来帮助其冷却。轧制模拟在400 ℃进行，对于压缩试验而言，要稳定在一个温度需要一段时间。轧制时压缩应变速率为1 s-1，相对来说速率还比较高，因此在400 ℃时设置温度不停留直接压缩。当温度降至300 ℃时需要保温，因为吹气装置的特殊性，一般情况下试样表面温度降至300 ℃后，试样心部温度还会高于300 ℃，若停止吹气温度会很快升高。因此此时采用手动操作吹气装置，不断地开关吹气装置使试样温度稳定在300 ℃后再关闭吹气装置，试样在300 ℃保温结束后再打开吹气装置使试样温度降至室温。吹气装置吹气压力的大小也很重要，太小试样冷却速率跟不上，太大则可能会有冷速过快或者把试样吹掉的风险，经过反复测试，最终吹气压力设置为2.068 5×105Pa左右。

2.4工作腔体内环境

一般压缩试验只需要保持腔体内真空状态即可，但由于真空状态对试样会有一定的压应力，可能在900 ℃保温阶段使试样产生变形，因此本试验设计采用充氩气保护。先抽真空至气压为26.66 Pa，再充入氩气至气压达到2×104Pa，如此重复两次。

2.5程序编制

采用Gleeble-3800热模拟试验机自带软件的Table模式来编制试验程序。全程采用轴控制模式，试验从开始温度升至900 ℃，600 ℃关闭空气锤，轴退后1 mm的距离。900 ℃保温15 min，保温结束打开空气锤及吹气装置，试样冷却至400 ℃，不设置保温停留时间立即压缩。压缩结束试样继续冷却至300 ℃，同时液压轴后退1 mm，到温后保温90 min。此时试样仅有空气锤的压力，可以保持低应力状态，保温结束后打开吹气装置冷却至室温。试验过程中采集时间、温度、力、径向应变、轴向应力及应变等数据。

2.6程序运行

当试样及辅助装置安装完毕，程序编制完成后，辅助装置调节完毕后可以开始运行程序。程序运行至300 ℃时，手动操作吹气装置，使温度稳定在300 ℃后关闭吹气装置。试验结束后数据采集同时完成。

3 试验结果与分析

数据采集结束后对数据进行分析，图4为整个试验过程时间与加载在试样上的力的变化关系。可以看出升温和保温阶段的力都比较低，压缩过程力瞬间升高，压缩结束后300 ℃保温阶段的力也基本维持在低位，用软件分析数据得知力为-200～-500 N，基本满足在300 ℃保温阶段贝氏体相变时维持低应力的要求。

图4 时间与力的关系曲线Fig.4 Relationship curve of the time and the force

图5 时间与径向位移的关系曲线Fig.5 Relationship curve of the time and the radial displacement

图5为采集得到的试样径向位移与时间的关系曲线。可以看出径向位移随着温度的升高而变大，接着在900 ℃保温阶段变化很小，之后随着温度的降低其也随之下降。在轧制过程中径向位移瞬间变大，在300 ℃保温阶段径向位移的变化明显，采集得到了贝氏体相变的整个过程。

图6为采集得到的试样轴向位移与时间的关系曲线。可以看出随着温度的升高轴向位移变大，900 ℃保温阶段其略有升高，轧制过程使其瞬间降低了4.5 mm，基本满足轧制过程变形40%的要求。而在随后的保温阶段轴向位移并不明显，满足了300 ℃保温阶段控制在低应力水平、试样长度方向尽量不发生变形的要求。

图6 时间与轴向位移的关系曲线Fig.6 Relationship curve of the time and the axial displacement

通过时间与加载力、试样径向位移及试样轴向位移的变化曲线分析可知，试验实现了将试样压缩40%、并在300 ℃下检测贝氏体相变过程的要求，且在贝氏体相变过程中将加载力维持在-200～-500 N。

4 结论

Gleeble-3800热模拟试验机的结构复杂，设备功能强大，可创新空间大，对于研究人员来说具有很大的挑战性。通过一系列的试验设计，可在Gleeble-3800热模拟试验机上实现单轴压缩试验和低应力条件下测试贝氏体相变的整个过程。

在该试验过程中，钢的轧制模拟过程完成良好，贝氏体相变区域应力基本控制在-200～-500 N，测试得到了贝氏体相变的整个过程。该试验弥补了Gleeble-3800热模拟试验机单轴压缩试验模块在低应力区域控制不精准的缺点，提供了此类试验的解决方案。

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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，工程师，硕士，主要研究金属物理性能检测，hujiajia53@163.com

TG115.9

：A

：1001-4012(2017)09-0638-04