專利名稱：膨脹法測量鋼鐵材料中析出相溶解、析出溫度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬材料檢驗技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種膨脹法測量鋼鐵材料中析出相溶解、析出溫度的方法，適用于微合金及合金鋼中析出相的溶解、析出溫度的測量。
背景技術(shù)：
在鋼中少量增加合金元素，通過采用合適的工藝獲得超細(xì)組織，可使鋼鐵材料的使用性能大幅度提高。主要微合金元素Nb，Ti, V等均通過形成碳氮化物實現(xiàn)細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化的作用。因此，這些微合金元素的碳氮化物在鋼中的析出、溶解溫度的測量是析出相控制的關(guān)鍵。目前，鋼中析出相的主要研究方法包括物理化學(xué)相分析法，電阻測量法，電鏡法，機(jī)械(應(yīng)力、應(yīng)變測量)方法，熱力學(xué)模擬計算法，量熱法；其中機(jī)械法還包括微蠕變法，間斷壓縮法和熱扭轉(zhuǎn)法，應(yīng)力馳豫法。物理化學(xué)相分析法是通過電解的方法將鋼中析出相提取出來，然后利用XRD或者TEM確定析出相的種類，再利用ICP直讀光譜對各種元素定量，最后根據(jù)析出相的種類確定各種析出相的質(zhì)量。這種方法主要是對鋼中已有析出相進(jìn)行定量和定性分析，沒辦法研究析出過程。更不能直接給出析出、溶解溫度。
電阻測量法是利用析出過程導(dǎo)致樣品電阻的變化進(jìn)行析出相的研究。該方法理論上可以給出析出、溶解溫度，但是電阻的精確測量比較困難，尤其是在高溫下，接觸電阻的影響很大。電鏡法一般是結(jié)合物理化學(xué)相分析或者萃取復(fù)型方法對鋼中析出相進(jìn)行定性分析以及研究析出相的形態(tài)、分布等。也不能直接給出析出、溶解溫度。機(jī)械(應(yīng)力、應(yīng)變測量)方法是目前應(yīng)用最廣泛的方法。(I)其中微蠕變法的基本
原理是由于蠕變速率對析出開始很敏感，對應(yīng)于蠕變應(yīng)變-對數(shù)時間曲線表現(xiàn)為斜率
明顯下降并在析出完成后斜率又重新開始增大，因而可利用曲線上的平臺的左端點和右端點來確定析出開始時間(Ps)和析出結(jié)束時間(Pf)。(2)應(yīng)力馳豫法，該方法的特點是利用析出開始時，析出相顆粒對位錯運動的限制，在應(yīng)力——對數(shù)時間曲線上會出現(xiàn)突變點，使應(yīng)力隨保持時間延長而下降的趨勢受阻，由此可測得析出的開始時間Ps，當(dāng)析出結(jié)束時，應(yīng)力——時間對數(shù)曲線恢復(fù)到無沉淀發(fā)生時的趨勢，產(chǎn)生第二個轉(zhuǎn)折點，對應(yīng)終止時間Pf。總之，機(jī)械法是利用析出過程對應(yīng)力、應(yīng)變的影響來研究析出過程的方法，一般都需要對試樣進(jìn)行預(yù)變形。熱力學(xué)模擬計算是根據(jù)熱力學(xué)經(jīng)驗公式推導(dǎo)析出相的析出、溶解溫度，但是該結(jié)
果一般與真實結(jié)果有一定差距。量熱法(發(fā)明專利，申請?zhí)?01110281361. 4)是利用析出相析出、溶解過程中吸、放熱量的變化測量析出相的溶解、析出溫度。與本方法利用的原理不同
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種膨脹法測量鋼鐵材料中析出相溶解、析出溫度的方法，檢測鋼鐵材料中析出相析出、溶解溫度。該方法可以準(zhǔn)確測量鋼鐵材料析出相在升溫或降溫過程中溶解、析出的溫度，進(jìn)而為材料加工工藝的控制提供參考數(shù)據(jù)。該測量方法簡便、測試的溫度精度高。本發(fā)明所采用的測試原理是利用析出、溶解過程中伴隨的體積變化，利用膨脹儀測試升溫及降溫過程中膨脹量隨溫度的變化，再對膨脹量對溫度進(jìn)行一次微分，根據(jù)一次微分曲線的變化進(jìn)行析出溫度、溶解溫度的測量。具體操作過程包括以下步驟(I)取樣取預(yù)測試樣品小試樣，試樣滿足膨脹儀測試要求；一般試樣形狀為直徑3 — 5mm的圓棒,長度25 ± 2mm。試樣表面及端面光滑,無氧化鐵皮等雜質(zhì)。
(2)膨脹系數(shù)測量并繪制曲線第一步開機(jī)及程序設(shè)定；依次打開電源開關(guān)、恒溫水域、爐體加熱電源、儀器測量單元和控制單元、電腦主機(jī)及顯示器。打開氣瓶，調(diào)節(jié)減壓閥使出氣口壓力為
O.02、. 03MPa。測試前儀器至少預(yù)熱I小時。依次設(shè)定初始溫度2(T50°C、終止溫度80(Tl650°C、動態(tài)升溫速率0. 01 50°C /分、采樣速率:0. 02 1200點/°C、恒溫時間:0 1小時、降溫速率0. ΟΓδΟΓ /分、采樣速率0. 02 1200點/°C、結(jié)束溫度2(T200°C，吹掃氣氬氣，氣體流量5(Tl00ml/min。測試的溫度范圍可以根據(jù)需要選擇測量升溫、降溫或升降溫全過程。在測試過程中升、降溫速率應(yīng)該介于O. Γ5°0 /分。第二步基線測試根據(jù)設(shè)定好的溫度程序，測量Al2O3標(biāo)準(zhǔn)樣品的長度變化曲線。裝好標(biāo)準(zhǔn)樣品后，都需要對爐體抽真空。具體過程首先，關(guān)閉爐體出氣口，打開機(jī)械泵，抽爐體真空I飛分鐘，然后打開進(jìn)氣口，向爐體沖氬氣，至氣路與爐體氣壓相同，關(guān)閉進(jìn)氣口。再重復(fù)抽真空，沖氬氣過程3次以上，盡量將爐體內(nèi)的氧氣降至最少，關(guān)閉機(jī)械泵。保持爐體出氣口一直關(guān)閉。第三步樣品測試加入待測樣品，選擇與基線測試完全相同的程序測量。加入樣品后，樣品長度隨溫度變化的數(shù)據(jù)；裝好待測樣品后，都需要對爐體抽真空。抽真空具體過程同第二步，基線測量過程的抽真空方法。第四部數(shù)據(jù)處理用樣品測量的數(shù)據(jù)扣除基線測量的數(shù)據(jù)后，獲得樣品長度變化率(即dL/U)隨溫度的變化曲線。然后，計算該曲線對溫度的一次微分曲線。(3)數(shù)據(jù)分析根據(jù)鐵碳相圖，分析確定一次微分曲線中的相變溫度以及析出相的析出、溶解溫度。(4)驗證實驗通常，一些常見析出相的溶解、析出溫度可根據(jù)測試結(jié)果以及文獻(xiàn)資料判斷是何種析出相的溶解、析出溫度。如果不能確定，尚需要配合進(jìn)行試驗，再結(jié)合透射電鏡分析確定反應(yīng)類型。具體做法是，可采用熱模擬試驗機(jī)，同時盡量采用析出實驗相同的升降溫工藝，將預(yù)測試樣品加熱到峰值出現(xiàn)前5 10°C溫度，然后快速淬火到室溫，利用萃取復(fù)型技術(shù)將其制成透射電鏡樣品，觀察確定熱處理后樣品中所有析出相的種類。再將預(yù)測試樣品加熱到峰值出現(xiàn)以后5 1(TC溫度，然后快速淬火到室溫，利用萃取復(fù)型技術(shù)將其制成透射電鏡樣品，觀察確定熱處理后樣品中所有析出相的種類。將兩樣品結(jié)果對比分析，確定哪種析出相出現(xiàn)或消失，那么該溫度就是該析出相的溶解或析出溫度。


圖I為應(yīng)用實例I的膨脹量一溫度曲線及其一次微分結(jié)果。圖2為應(yīng)用實例I的620°C淬火樣品中VC析出相的TEM形貌圖。圖3為應(yīng)用實例I的620°C淬火樣品中VC析出相的能譜圖。圖4為應(yīng)用實例I的705°C淬火樣品中(Ti，V) C析出相的TEM形貌圖。圖5為應(yīng)用實例I的705°C淬火樣品中(Ti，V) C析出相的能譜圖。圖6為應(yīng)用實例2的膨脹量一溫度曲線及其一次微分結(jié)果。圖7為應(yīng)用實例2的1200°C淬火樣品中析出相的TEM形貌圖。圖8為應(yīng)用實例2的1200°C淬火樣品中析出相的能譜圖。
圖9為應(yīng)用實例2的1150°C淬火樣品中析出相的TEM形貌圖。圖10為應(yīng)用實例2的1150°C淬火樣品中析出相的能譜圖。圖11為應(yīng)用實例2的1150°C熱處理樣品中某一類析出相TEM形貌12為圖11中析出相的成份分布圖。圖13為應(yīng)用實例2的756°C淬火樣品中析出相的TEM形貌圖。圖14為應(yīng)用實例2的756°C淬火樣品中析出相的能譜圖。圖15為應(yīng)用實例2的730°C淬火樣品中析出相的TEM形貌圖。圖16為應(yīng)用實例2的730°C淬火樣品中析出相的能譜圖。
具體實施例方式實施例I VC溶解溫度的測量取樣取某加V的鋼，將其加工成Φ4πιπιΧ25πιπι的圓棒。鋼種成份如下表所示
飛 ^^UJ P S V N-
014 0.3 L2 O.OiO 0005 ' 0J)5 0.003用酒精溶液超聲清洗2分鐘，等樣品干燥后待用。(2)膨脹系數(shù)測量并繪制曲線溫度測量范圍30 1000°C ;升、降溫速率均為5°C /分鐘。氬氣保護(hù)氣氛。升溫過程中溫度一一膨脹量(dL/U)變化曲線及其一次微分結(jié)果如圖I所示。其中實線為膨脹量一溫度曲線，虛線為其一次微分結(jié)果。各轉(zhuǎn)變點的溫度已經(jīng)標(biāo)于圖I中。(3)數(shù)據(jù)分析從圖I中一次微分曲線可以看到升溫過程中626 698°C有一個微弱的體積變化過程，該反應(yīng)過程導(dǎo)致膨脹系數(shù)減小。724 762°C根據(jù)鐵碳相圖分析，該溫度發(fā)生珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)變反應(yīng)，762 887°C發(fā)生鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變反應(yīng)。根據(jù)相關(guān)資料以及鋼種化學(xué)成份，可以推測升溫過程中626 698°C發(fā)生的反應(yīng)過程為VC的快速溶解過程，VC的溶解導(dǎo)致膨脹曲線上出現(xiàn)拐點。(4)驗證試樣取同成份樣品，分別加工成Φ8*10πιπι樣品兩個，采用Gleeble試驗機(jī)進(jìn)行熱模擬實驗，一個采用5°C /分鐘的速度加熱到620°C然后迅速水淬到室溫。一個采用5°C /分鐘的速度加熱到705°C，然后迅速水淬到室溫。利用萃取復(fù)型技術(shù)將上述兩個樣品分別制成透射電鏡樣，觀察確定熱處理后樣品中所有析出相的種類。圖2給出620°C淬火樣品中析出相的形態(tài)，圖3給出該圖中析出相的能譜圖。圖4給出705°C淬火樣品中析出相的形態(tài)，圖5給出該圖中析出相的能譜圖。由圖2、3可見，在620°C下，樣品中有大量的VC析出相，而圖4、5中只有較少的(Ti，V)C復(fù)合型析出相。由此，驗證步驟3的推測結(jié)果626 698°C發(fā)生的微弱的體積變化過程為VC的溶解過程。實施例2 TiC析出溫度測量(I)取樣取某加Ti的鋼，將其加工成Φ4πιπιΧ25πιπι的圓棒。鋼種成份如下表所示
權(quán)利要求
1.一種膨脹法測量鋼鐵材料中析出相溶解、析出溫度的方法，其特征在于，應(yīng)用熱膨脹儀測試樣品膨脹量隨溫度的變化，再計算其一次微分曲線確定析出相的溶解、析出溫度；具體包括以下步驟 (1)取樣取預(yù)測試樣品小試樣，試樣形狀為直徑3— 5mm的圓棒,長度23 27_ ;試樣表面及端面光滑，無氧化鐵皮； (2)膨脹系數(shù)測量并繪制曲線 第一步開機(jī)及程序設(shè)定；依次打開電源開關(guān)、恒溫水域、爐體加熱電源、儀器測量單元和控制單元、電腦主機(jī)及顯示器；打開氣瓶，調(diào)節(jié)減壓閥使出氣口壓力為O. 02 O.03MPa;測試前儀器至少預(yù)熱I小時；依次設(shè)定初始溫度2(T50°C、終止溫度80(Tl650°C、動態(tài)升溫速率0. 01 50°C /分、采樣速率:0. 02 1200點/°C、恒溫時間:0 1小時、降溫速率0. ΟΓδΟΓ /分、采樣速率0. 02 1200點/°C、結(jié)束溫度2(T200°C，吹掃氣氬氣，氣體流量5(Tl00ml/min ;測試的溫度范圍根據(jù)需要選擇測量升溫、降溫或升降溫全過程; 第二步基線測試根據(jù)設(shè)定好的溫度程序，測量Al2O3標(biāo)準(zhǔn)樣品的長度變化曲線； 第三步樣品測試加入待測樣品，選擇與基線測試完全相同的程序測量；加入樣品后，樣品長度隨溫度變化的數(shù)據(jù)； 第四部數(shù)據(jù)處理用樣品測量的數(shù)據(jù)扣除基線測量的數(shù)據(jù)后，獲得樣品長度變化率dL/L0隨溫度的變化曲線；然后，計算該曲線對溫度的一次微分曲線； (3)數(shù)據(jù)分析根據(jù)鐵碳相圖，分析確定相變溫度以及析出相的析出、溶解溫度； (4)驗證實驗常見析出相的溶解、析出溫度根據(jù)測試結(jié)果以及文獻(xiàn)資料判斷是何種析出相的溶解、析出溫度；當(dāng)不能確定，尚需要配合進(jìn)行試驗，再結(jié)合透射電鏡分析確定反應(yīng)類型；具體做法是，采用熱模擬試驗機(jī)，同時采用析出實驗相同的升降溫工藝，將預(yù)測試樣品加熱到峰值出現(xiàn)前5 10°C溫度，然后快速淬火到室溫，利用萃取復(fù)型技術(shù)將其制成透射電鏡樣品，觀察確定熱處理后樣品中所有析出相的種類；再將預(yù)測試樣品加熱到峰值出現(xiàn)以后5 10°C溫度，然后快速淬火到室溫，利用萃取復(fù)型技術(shù)將其制成透射電鏡樣品，觀察確定熱處理后樣品中所有析出相的種類；將兩樣品結(jié)果對比分析，確定哪種析出相消失，那么該溫度就是該析出相的溶解或析出溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，程序設(shè)定過程中，溫度區(qū)間的升、降溫速率 為O. I 5°C /分。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，膨脹系數(shù)測量并繪制曲線過程中第二步和第三步測試的過程中，裝好標(biāo)準(zhǔn)樣品和待測樣品后，都需要對爐體抽真空；具體過程首先，關(guān)閉爐體出氣口，打開機(jī)械泵，抽爐體真空1飛分鐘，然后打開進(jìn)氣口，向爐體沖氬氣，至氣路與爐體氣壓相同，關(guān)閉進(jìn)氣口 ；再重復(fù)抽真空，沖氬氣過程3次以上，將爐體內(nèi)的氧氣降至最少，關(guān)閉機(jī)械泵；保持爐體出氣口一直關(guān)閉。
全文摘要
一種膨脹法測量鋼鐵材料中析出相溶解、析出溫度的方法，屬于金屬材料檢測技術(shù)領(lǐng)域。所采用的技術(shù)方案是利用析出、溶解過程中伴隨的體積變化，利用膨脹儀測試升溫、降溫過程中膨脹量隨溫度的變化，再計算其一次微分曲線確定析出相的溶解、析出溫度。優(yōu)點在于，可以準(zhǔn)確測量析出相在升溫或降溫過程中溶解、析出的溫度，進(jìn)而對材料加工工藝的控制提供參考依據(jù)。測量方法簡便、測試的溫度精度高。
文檔編號G01N25/16GK102721719SQ201210233299
公開日2012年10月10日 申請日期2012年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月5日
發(fā)明者嚴(yán)春蓮, 史學(xué)星, 孟揚, 蔡寧, 鞠新華 申請人:首鋼總公司