Проведение дилатометрического исследования на комплексе Gleeble 3800

Методические указания к лабораторным работам на комплексе Gleeble -3800.

Наименование дисциплины: «Управление структурой и свойствами материалов в процессах термомеханической обработки»

Введение

Одним из основных этапов разработки новых технологий является физическое моделирование. Оно занимает особое место в проектно-ориентированной схеме создания новых технологий и ему уделяется огромное внимание. Для физического моделирования разрабатываются и совершенствуются специализированные испытательные комплексы. Лучшими в мировой практике на сегодняшний день признаны установки Gleeble, изготавливаемые фирмой Dynamic Systems, Inc., США, наиболее совершенной моделью из которых на данный момент является Gleeble-3800. Аналогов Gleeble в мире практически не существует. Это предположение справедливо на 100%, если брать в расчет универсальность комплексов Gleeble. В мире существуют подобные разработки, но они имеют более узкую направленность и предназначены для решения узкой области задач. Самая крупная компания, выпускающая аналогичные установки, - американская компания MTS. У этой фирмы очень крупная линейка всевозможных машин, выполняющих различные задачи: от небольших установок для определения свойств материалов до полномасштабных испытательных систем, определяющих, например, устойчивость строений при землетрясениях. Также компания MTS занимается автоматизацией промышленных установок и станов.

Подобные установки также выпускает японская фирма Fuji Electronic Industrial Co., Ltd, расположенная в городе Токио, Япония. Web-сайт фирмы – www. fdc. co. jp. У этой компании, также как и у MTS, довольно широкая линейка испытательных машин, но они не универсальные и представляют комплексы для решения узконаправленных задач. Еще аналогичные Gleeble установки для физического моделирования выпускает германская фирма BAHR.

Комплекс Gleeble-3800 изготовлен фирмой Dynamic Systems, Inc., США в модульном исполнении и предназначен для имитации процессов термомеханической обработки и сварки, рис. 1 [1, 2]. К основному силовому блоку для выполнения различных поставленных задач подсоединяются:

· модуль для выполнения деформации сжатием или растяжением;

· модуль кручения;

· модуль для ударной деформации;

· модуль многоосевой деформации.

Каждый из модулей имеет свою рабочую камеру, рис. 2, которая соединена с вакуумной системой, обеспечивающей разряжение не менее 1´10^–4 мм. рт. ст. Испытания можно проводить при более низком вакууме, в среде защитного газа или на воздухе. Нагрев образцов, рис. 3, производится прямым пропусканием электрического тока, что при мощности сварочного трансформатора 75 кВА обеспечивает максимальную скорость нагрева до 12000 °С/с. Температура, скорости нагревания и охлаждения контролируются термопарой, приваренной к образцу на прилагаемой к комплексу установке. Возможна одновременная запись температуры в 4-х точках рабочей части образца, причем одна из термопар является управляющей. Система управления температурой обеспечивает переколебание температуры при нагреве со скоростью 1000 °С/с не более 5 ¸ 6 °С и поддержание заданной температуры испытания в интервале не более ±1 °С.

Рис. 1. Общий вид комплекса Gleeble -3800

Охлаждение образцов в процессе проведения экспериментов производится различными способами:

· за счет теплоотвода в водоохлаждаемые медные или стальные захваты;

· за счет обдува воздухом или инертным газом;

· за счет обтекания водой снаружи, внутри образцов или одновременно снаружи и внутри.

Рис. 2. Общий вид рабочей камеры для испытаний на растяжение и сжатие	Рис. 3. Устройство рабочей камеры модуля многоосевой деформации

Для обеспечения испытаний к основному блоку и модулям подводится электропитание, масло для работы гидропривода, сжатый воздух и дистиллированная охлаждаемая вода. Максимальная скорость охлаждения, достигнутая при испытаниях комплекса на образцах толщиной 6 мм, составляет 4500 °С/с. При охлаждении образцов воздухом или водой вакуумная система отключается от рабочей камеры.

Испытания можно проводить при температурах от комнатной вплоть до температуры плавления, причем для исследований жидко-твердого состояния предусмотрено использование специальных кварцевых трубок. Максимальное усилие при растяжении составляет 10 тс, при сжатии – 20 тс, при проведении ударных испытаний – 20 тс.

Для записи усилий используются тензодатчики, а для записи деформаций – датчики перемещений подвижной траверсы. Модуль для испытаний на растяжение и сжатие снабжен высокочувствительными измерителями продольной и поперечной деформации, а также дилатометром, которые позволяют выполнять высокоточные измерения перемещений и определять температуры фазовых превращений в заданном диапазоне скоростей нагревания и охлаждения после пластической деформации или без нее.

Максимальные скорости деформации до 200 с^–1 достигаются при испытаниях на образцах размером Æ10´15 мм при использовании модуля для ударных испытаний, для которого скорость движения рабочей траверсы составляет 2 м/с. Таким образом, скорости деформации на Gleeble-3800 перекрывают весь диапазон скоростных режимов деформации самых современных станов горячей прокатки.

Модуль для многоосевой деформации («MaxStrain») предназначен для получения ультрамелкозернистой и нанокристаллической структуры металлов, что актуально для современного материаловедения. Количество программируемых на комплексе Gleeble-3800 операций нагрева, охлаждения, деформаций с заданной скоростью и степенью деформации, пауз, подстуживаний практически не ограничено и определяется только свойствами металла.

 

Лабораторная работа №1

Проведение дилатометрического исследования на комплексе Gleeble 3800

В современном промышленном производстве металла все технологические параметры строго контролируются. Очень важно иметь всю информацию о производимом металле, в частности необходимо знать температуры фазовых превращений, чтобы грамотно выстроить технологию производства.

Определить температуры фазовых превращений можно с помощью специальных установок – дилатометров. Первоначально такие приборы были созданы для измерения коэффициента линейного расширения при нагреве образца. Существует несколько типов дилатометров: дифференциальный дилатометр Шевенара, емкостной дилатометр, интерференционный дилатометр и дилатометр Стрелкова [3]. Дифференциальный дилатометр Шевенара основан на механическом принципе измерения, а его чувствительность усиливается оптической системой. Емкостной дилатометр основан на изменении емкости конденсатора, одна из пластин которого связана с исследуемым образцом и смещается при его удлинении. В основу интерференционного дилатометра положен интерферометр Линника; интерференция возникает вследствие оптической разности хода двух лучей, появляющихся при разложении света призмой, перемещение образца вызывает смещение светоприемника и интерференционная картина изменяется. Дилатометр Стрелкова основан на преобразовании поступательного движения образца при нагреве во вращательное движение, которое измеряется с помощью автоколлимационных труб с окуляр-микрометрами. Дилатометр, входящий в стандартную комплектацию Gleeble, подобно дифференциальному дилатометру Шевенара основан на механическом принципе измерения. Он оснащен керамическими лапками, которые непосредственно контактируют с образцом и способны выдерживать температуру 1200 °С. Оптической системы, усиливающей чувствительность прибора, нет, т.к. он оснащен достаточно чувствительным механическим датчиком. Фазовые превращения в металле при нагреве или охлаждении проходят с изменением объема, которое и фиксируется этим датчиком при изменении расстояния между керамическими лапками. Температура образца контролируется при помощи приваренной термопары. Классические дилатометры фиксируют изменение длины образца, комплекс Gleeble оснащен чувствительным датчиком, фиксирующим изменение поперечного сечения образца.

Нагрев образцов на комплексе Gleeble обычно проводится в вакууме, что позволяет предотвратить протекание процессов высокотемпературного окисления металла, прямым пропусканием тока до температуры 1200 °С. При температуре 1200 °С образец выдерживается в течение 1 мин, а затем охлаждается с различными скоростями до комнатной температуры (рис. 4).

После каждого режима охлаждения при помощи промышленного компьютера фиксируется изменение температуры и площади поперечного сечения, куда приваривалась контрольная, она же управляющая, термопара. В результате получается дилатометрическая кривая охлаждения в координатах «изменение поперечного сечения - температура». Так как фазовые превращения аустенит – феррит, аустенит – перлит, аустенит – бейнит протекают с увеличением объема, то это приводит к появлению перегиба на дилатометрической кривой в сторону увеличения поперечного сечения образца. Чтобы найти точку перегиба кривой, вызванную началом фазового превращения, к предшествующему ей участку проводится лекальная касательная линия. За температуру начала превращения принимается температура точки касания лекальной линии к дилатометрической кривой. На рис. 5 в качестве примера показана дилатометрическая кривая, полученная при охлаждении литой стали 10Г2ФБ со скоростью 0,5 °С/с, на которой указаны температуры начала выделения феррита (Т_НФ), бейнита (Т_НБ) и окончания бейнитного превращения (Т_ОБ).

Рис. 5. Дилатометрическая кривая, полученная при охлаждении стали 10Г2ФБ со скоростью 0,5 °С/с

Далее данные дилатометрической кривой пересчитывается по следующей формуле для определения объемной доли продуктов распада аустенита:

                                                 (1)

где f (x), C_α (x) и C_γ (x) – значения функций, указанных на рис. 6.

 

а)	б)

Рис. 6. Пример показаний дилатометра а) и термокинетической кривой б)

 

Обработанная дилатометрическая кривая уже несет непосредственную информацию об изменении объемной доли продуктов распада аустенита и называется термокинетической кривой (рис. 6).

Работу следует проводить в следующем порядке:

1. Получить 3 образца и приварить к ним термопары.

2. Загрузить поочередно образцы в камеру, запустить управляющие программы №№1-3 на компьютере. Образецы нагреть до температуры 1200 °С, выдержать при этой температуре 1 минуту и охладить до комнатной температуры со скоростями 0,5; 5 и 10 °С/с.

3. Переписать полученные файлы №№1-3 с результатами с управляющего компьютера для дальнейшей обработки данных.

4. Построить дилатометрические кривые охлаждения в координатах «изменение поперечного сечения - температура» и термокинетические кривые для трех испытанных образцов, используя полученные файлы №№1-3, в программе Origin.

5. Проверить соответствие заданной скорости охлаждения фактической скорости, используя те же файлы и программу.

6. Определить точки фазовых превращений на построенных дилатограммах.

7. Сделать вывод о том, как скорость охлаждения влияет на точки фазовых превращений и их кинетику.

Работу проводят на универсальном комплексе Gleeble-3800 с модулем Pocket Jaw и дилатометром. Для исследования используются 3 цилиндрических образца диаметром 6 мм.

 

Лабораторная работа №2