杜海明 费新刚 晁代坤 刘艳红 王丹丹

(1.安阳钢铁股份有限公司； 2.湖北新冶钢有限公司)

安钢Gleeble 3800热/力模拟试验机的应用

杜海明1费新刚2晁代坤1刘艳红1王丹丹1

(1.安阳钢铁股份有限公司； 2.湖北新冶钢有限公司)

Gleeble3800型热模拟试验机是一套具有模拟金属材料的热加工、物理性能测试及过程模拟的热/力模拟分析系统。本文介绍了安钢引进的Gleeble 3800 热/力模拟试验机选配的2个测试单元的结构及功能，通过选配合适的测试单元，可进行不同的热模拟试验。同时结合安钢生产实际，介绍了热/力模拟试验机在新产品研发和工艺改进中的应用。

热模拟技术 热模拟试验机 模拟试验

0 前言

Gleeble 热/力模拟试验机是一种物理模拟试验装置，对材料和热加工工艺来说，物理模拟是利用小试样在试验装置上再现材料在制备或热加工过程中的受热或同时受热与受力的物理过程，充分而精确地暴露与揭示材料在热加工过程中的组织性能变化规律，为制定合理的加工工艺以及研制新材料提供理论指导和技术依据。目前，在冶金领域中得到广泛应用的是美国DSI(Dynamic Systems Inc.)科技联合体的Gleeble系列热/力模拟试验机和日本富士电波工机株式会社研制的Thermecmastor系列热/力模拟试验机[1-3]。在我国冶金领域，Gleeble系列热/力模拟试验机拥有量最多，应用也最广泛。其中，Gleeble 3800是热/力模拟试验机中功能最多，技术最先进的试验机，根据不同的试验要求，选择相应的单元组成测试系统，体现了Gleeble热/力模拟试验机的多功能性。笔者介绍了安钢引进的Gleeble 3800在实际生产中的模拟应用。

1 Gleeble 3800构成

安钢引进的Gleeble 3800热/力模拟试验机主要由控制柜、测试单元和液压动力单元3个主要部分组成，Gleeble 3800系统如图1所示。它是通过电阻加热方式，利用电液伺服阀驱动加力系统，整个系统采用Ⅲ型数字控制系统。此外，还配有真空泵系统、冷却循环水系统和空气压缩机等附属设备。其中测试单元分为通用系统和液压楔系统，这两个移动单元通过超级螺栓与主机单元的主轴紧固相联，它们根据不同的试验目的，可以分别和控制单元相配合使用。

图1 Gleeble 3800系统

Gleeble 3800热/力模拟试验机各部分连接框图如图2所示。测试单元的更换不会对试样的加热以及数据传递产生影响，实现热和力学系统变量信号的闭环控制，从而保证了温度、应力、应变以及应变速率等热加工工艺参数的精确控制。根据各系统的结构，选配相应的控制模块，能够完成不同的热模拟试验。

图2 Gleeble 3800热/力模拟试验机的主要组成部分及连接

2 Gleeble 3800热/力模拟试验机的应用

2.1 焊接热影响区(HAZ)模拟试验

焊接热循环主要参数是：加热速度、峰值温度、高温停留时间以及冷却速度，这些参数可以通过数学模型进行表达和计算。数学模型不但可以描述影响热循环基本参数各物理量的关系，而且也是建立焊接热模拟软件的理论基础。Gleeble 3800热/力模拟试验机的焊接热影响区(HAZ)编程软件中内嵌了5种数学模型，即实验数学模型-F(s, d)Table，Hannerz公式，Rosenthal模型，雷卡林模型(焊件二维导热、焊件三维导热)。通过焊接热影响区(HAZ)编程软件与Origin软件连接，可以预先绘制温度曲线。对加工的尺寸为11 mm×11 mm×71 mm的Q345qE试样选定加热速度、峰值温度、高温停留时间以及冷却速度等参数，根据实验数学模型-F(s, d)Table公式，模拟试验后绘制Q345qE单道次焊接热循环曲线如图3所示。为编制出更接近实际的试验程序，还可以将程序转化成编程更灵活的脚本语言文件(GSL)。对焊接热模拟后的试样做相应的力学性能试验，结合金相组织分析、硬度分析等手段，确定最佳的焊接工艺。

图3 Q345qE单道焊接热循环曲线

2.2 连铸工艺模拟试验

影响铸件质量的主要因素是合金的化学成分、铸型的材料与结构、冷却条件以及应变速率等。因此铸造物理模拟的主要任务是尽可能妥善地控制熔化与结晶，再现凝固结晶条件，研究金属的铸造特性和高温性能，优化合金成分，确定合理的铸造工艺。铸造模拟的主要参数是冷却速度、温度梯度以及冷却时的应力与应变。连铸过程中，带液芯的坯壳承受来自钢水的静压力、热应力、弯曲-矫直力、摩擦力等外力作用。如果这些外力综合作用超过了钢的高温临界强度和临界应变，铸坯就会产生开裂[4]。研究金属热塑性的更广泛的试验方法是热拉伸试验，热塑性拉伸试验时，高温力学性能的评定指标主要是强度极限和断面收缩率，热塑性曲线(R.A-T)及强度曲线(σb-T)是表征钢的高温力学性能的特征曲线，图4和图5为X70管线钢热塑性和强度曲线。从图4高温塑性变化曲线中可以发现三个低塑性区，研究连铸钢在不同温度区的塑性变化规律及其影响因素，对于制定合理的连铸工艺具有极其重要的指导意义。

图4 X70管线钢热塑性-断面收缩率曲线

图5 X70管线钢热强性曲线

2.3 板带退火试验

Gleeble 3800热/力模拟试验机带有板带退火系统，用来研究不同的热循环参数对材料组织和性能的影响规律。在Gleeble 3800热/力模拟试验机上进行板带连续退火试验时，冷却速度是控制的关键参数，配备的水(气)喷头装置可以使冷却介质均匀分布于试样表面，在冷却过程中形成较大的均温区。比较典型的板带退火工艺曲线如图6所示。对退火模拟后的试样做力学性能检测和金相组织观察，进而分析加热工艺与组织和性能的关系，从而确定最佳的热处理规范。

图6 板带退火工艺曲线

2.4 动态CCT试验

动态CCT图可以系统的显示出热变形参数及在线冷速对相变开始温度、相变进行速度和相变组织的影响情况，是优化钢种成分以及选择合适的热变形工艺的重要依据。用物理模拟的方法进行动态CCT曲线的测定，多采用圆柱体单向压缩试验，先将试样在1 200 ℃～1 250 ℃以上保温一段时间，使奥氏体均匀，然后降至某一温度(奥氏体温度或奥氏体+铁素体两相温度区)，按照预定轧制工艺进行压缩变形，然后以不同冷速进行冷却，用热/力模拟试验机上的附件径向传感器记录膨胀-温度曲线，用切线法确定出不同冷却速度试样的相变开始点温度及结束点温度及对应的时间，将各相变点相连，即构成所谓的动态CCT曲线图，在CCT试验中为了准确地判断组织类型，可采用金相分析和硬度分析方法对组织进行鉴别。采用加工的Φ6 mm×71 mm的AG100L圆环链盘条试样做不同冷速的冷却曲线，最终绘制的AG100L的CCT曲线如图7所示。

图7 AG100L形变后的CCT曲线

2.5 多道次连轧模拟试验

变形抗力是表征金属塑性加工性能的一个最基本量，变形抗力不仅表示材料本身的加工性能，也是设备选择和工艺制定的技术依据，因此，对于材料在压力加工时变形抗力的研究，具有重要意义。影响变形抗力的因素，除了材料本身的冶金因素外，还取决于变形温度、变形量及变形速度等。从理论上讲，可以用物理模拟和数值模拟的方法建立变形抗力(或流变应力)与各影响因素之间关系的物理模型和数学模型。目前在Gleeble 3800 热/力模拟试验机上进行轧制变形抗力的测定，主要是在液压楔系统上进行流变应力压缩试验和平面应变压缩试验。

控制液压楔系统的软件编程类似一组多机架轧机机组，该编程软件将从加热炉至控冷机组的一系列参数自动转换成实验控制参数来控制试验。根据试验的应变及应变速率，选择适当的采样频率，通过Origin数据处理软件，可以绘制出多道次变形应力-应变曲线，如图8所示。结合金相组织分析可研究轧制温度、变形量、变形速率、保温时间和轧制道次对材料组织和性能的影响。

图8 六道次变形应力-应变曲线

3 结论

随着热模拟技术水平的不断提高，热模拟设备的功能不断开发，模拟精度逐渐提高，热模拟试验机在焊接、锻压、铸造、热处理等加工领域，以及新材料的研制、工程部件与结构的热稳定性和安全可靠性的评定方面做出卓越贡献，取得了显著的经济效益和社会效益。Gleeble 3800 热/力模拟试验机在安钢的使用，为新产品研发和工艺的优化改进提供了方便，解决了很多的困难和难题，大大降低了研发成本，缩短了研发周期。

[1] 牛济泰.材料和热加工领域的物理模拟技术[M].北京：国防工业出版社，1993:15-33

[2] Chen Wayne. Gleeble System and Application [M]. USA: Gleeble System Training School, 1998.

[3] Fuji Dempa Kori Co, Ltd. Specification of Thermecmastor -Z High Temperature Deformation Simulation and Mechanical Testing Machine [M]. Japan: Tokyo, 1996.

[4] 蔡开科，党紫九.连铸钢高温力学性能.北京科技大学学报，1993:15-16.

APPLICATION OF GLEEBLE 3800 THERMAL SIMULATION TESTING MACHINE IN ANYANG STEEL

Du Haiming1Fei Xingang2Chao Daikun1Liu Yanhong1Wang Dandan1

(1.Anyang Iron and Steel Stock Co., Ltd； 2.Hubei Xinye Steel Co.,Ltd)

Gleeble 3800 thermal simulation testing machine is a thermal processing with analog metallic materials, physical properties testing and simulation of thermal/mechanical simulation analysis system. The structure and function of two optional testing units for Gleeble 3800 of Angang thermal simulated test machine are introduced. A series of thermal simulated test can be carried out by selecting the proper testing units. And also combined with the actual production of Anyang Steel, the application of thermal simulated test machine in new products development and the manufacturing processes optimization is discussed in detail.

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明，助理工程师，河南.安阳(455004)安阳钢铁股份有限公司技术中心；

2016—7—25