专利名称：膨胀法测量钢铁材料中析出相溶解、析出温度的方法
技术领域：
本发明涉及金属材料检验技术领域，尤其涉及一种膨胀法测量钢铁材料中析出相溶解、析出温度的方法，适用于微合金及合金钢中析出相的溶解、析出温度的测量。
背景技术：
在钢中少量增加合金元素，通过采用合适的工艺获得超细组织，可使钢铁材料的使用性能大幅度提高。主要微合金元素Nb，Ti, V等均通过形成碳氮化物实现细化晶粒和沉淀强化的作用。因此，这些微合金元素的碳氮化物在钢中的析出、溶解温度的测量是析出相控制的关键。目前，钢中析出相的主要研究方法包括物理化学相分析法，电阻测量法，电镜法，机械(应力、应变测量)方法，热力学模拟计算法，量热法；其中机械法还包括微蠕变法，间断压缩法和热扭转法，应力驰豫法。物理化学相分析法是通过电解的方法将钢中析出相提取出来，然后利用XRD或者TEM确定析出相的种类，再利用ICP直读光谱对各种元素定量，最后根据析出相的种类确定各种析出相的质量。这种方法主要是对钢中已有析出相进行定量和定性分析，没办法研究析出过程。更不能直接给出析出、溶解温度。
电阻测量法是利用析出过程导致样品电阻的变化进行析出相的研究。该方法理论上可以给出析出、溶解温度，但是电阻的精确测量比较困难，尤其是在高温下，接触电阻的影响很大。电镜法一般是结合物理化学相分析或者萃取复型方法对钢中析出相进行定性分析以及研究析出相的形态、分布等。也不能直接给出析出、溶解温度。机械(应力、应变测量)方法是目前应用最广泛的方法。(I)其中微蠕变法的基本
原理是由于蠕变速率对析出开始很敏感，对应于蠕变应变-对数时间曲线表现为斜率
明显下降并在析出完成后斜率又重新开始增大，因而可利用曲线上的平台的左端点和右端点来确定析出开始时间(Ps)和析出结束时间(Pf)。(2)应力驰豫法，该方法的特点是利用析出开始时，析出相颗粒对位错运动的限制，在应力——对数时间曲线上会出现突变点，使应力随保持时间延长而下降的趋势受阻，由此可测得析出的开始时间Ps，当析出结束时，应力——时间对数曲线恢复到无沉淀发生时的趋势，产生第二个转折点，对应终止时间Pf。总之，机械法是利用析出过程对应力、应变的影响来研究析出过程的方法，一般都需要对试样进行预变形。热力学模拟计算是根据热力学经验公式推导析出相的析出、溶解温度，但是该结
果一般与真实结果有一定差距。量热法(发明专利，申请号201110281361. 4)是利用析出相析出、溶解过程中吸、放热量的变化测量析出相的溶解、析出温度。与本方法利用的原理不同
发明内容
本发明的目的在于提供一种膨胀法测量钢铁材料中析出相溶解、析出温度的方法，检测钢铁材料中析出相析出、溶解温度。该方法可以准确测量钢铁材料析出相在升温或降温过程中溶解、析出的温度，进而为材料加工工艺的控制提供参考数据。该测量方法简便、测试的温度精度高。本发明所采用的测试原理是利用析出、溶解过程中伴随的体积变化，利用膨胀仪测试升温及降温过程中膨胀量随温度的变化，再对膨胀量对温度进行一次微分，根据一次微分曲线的变化进行析出温度、溶解温度的测量。具体操作过程包括以下步骤(I)取样取预测试样品小试样，试样满足膨胀仪测试要求；一般试样形状为直径3 — 5mm的圆棒,长度25 ± 2mm。试样表面及端面光滑,无氧化铁皮等杂质。
(2)膨胀系数测量并绘制曲线第一步开机及程序设定；依次打开电源开关、恒温水域、炉体加热电源、仪器测量单元和控制单元、电脑主机及显示器。打开气瓶，调节减压阀使出气口压力为
O.02、. 03MPa。测试前仪器至少预热I小时。依次设定初始温度2(T50°C、终止温度80(Tl650°C、动态升温速率0. 01 50°C /分、采样速率:0. 02 1200点/°C、恒温时间:0 1小时、降温速率0. ΟΓδΟΓ /分、采样速率0. 02 1200点/°C、结束温度2(T200°C，吹扫气氩气，气体流量5(Tl00ml/min。测试的温度范围可以根据需要选择测量升温、降温或升降温全过程。在测试过程中升、降温速率应该介于O. Γ5°0 /分。第二步基线测试根据设定好的温度程序，测量Al2O3标准样品的长度变化曲线。装好标准样品后，都需要对炉体抽真空。具体过程首先，关闭炉体出气口，打开机械泵，抽炉体真空I飞分钟，然后打开进气口，向炉体冲氩气，至气路与炉体气压相同，关闭进气口。再重复抽真空，冲氩气过程3次以上，尽量将炉体内的氧气降至最少，关闭机械泵。保持炉体出气口一直关闭。第三步样品测试加入待测样品，选择与基线测试完全相同的程序测量。加入样品后，样品长度随温度变化的数据；装好待测样品后，都需要对炉体抽真空。抽真空具体过程同第二步，基线测量过程的抽真空方法。第四部数据处理用样品测量的数据扣除基线测量的数据后，获得样品长度变化率(即dL/U)随温度的变化曲线。然后，计算该曲线对温度的一次微分曲线。(3)数据分析根据铁碳相图，分析确定一次微分曲线中的相变温度以及析出相的析出、溶解温度。(4)验证实验通常，一些常见析出相的溶解、析出温度可根据测试结果以及文献资料判断是何种析出相的溶解、析出温度。如果不能确定，尚需要配合进行试验，再结合透射电镜分析确定反应类型。具体做法是，可采用热模拟试验机，同时尽量采用析出实验相同的升降温工艺，将预测试样品加热到峰值出现前5 10°C温度，然后快速淬火到室温，利用萃取复型技术将其制成透射电镜样品，观察确定热处理后样品中所有析出相的种类。再将预测试样品加热到峰值出现以后5 1(TC温度，然后快速淬火到室温，利用萃取复型技术将其制成透射电镜样品，观察确定热处理后样品中所有析出相的种类。将两样品结果对比分析，确定哪种析出相出现或消失，那么该温度就是该析出相的溶解或析出温度。


图I为应用实例I的膨胀量一温度曲线及其一次微分结果。图2为应用实例I的620°C淬火样品中VC析出相的TEM形貌图。图3为应用实例I的620°C淬火样品中VC析出相的能谱图。图4为应用实例I的705°C淬火样品中(Ti，V) C析出相的TEM形貌图。图5为应用实例I的705°C淬火样品中(Ti，V) C析出相的能谱图。图6为应用实例2的膨胀量一温度曲线及其一次微分结果。图7为应用实例2的1200°C淬火样品中析出相的TEM形貌图。图8为应用实例2的1200°C淬火样品中析出相的能谱图。
图9为应用实例2的1150°C淬火样品中析出相的TEM形貌图。图10为应用实例2的1150°C淬火样品中析出相的能谱图。图11为应用实例2的1150°C热处理样品中某一类析出相TEM形貌12为图11中析出相的成份分布图。图13为应用实例2的756°C淬火样品中析出相的TEM形貌图。图14为应用实例2的756°C淬火样品中析出相的能谱图。图15为应用实例2的730°C淬火样品中析出相的TEM形貌图。图16为应用实例2的730°C淬火样品中析出相的能谱图。
具体实施例方式实施例I VC溶解温度的测量取样取某加V的钢，将其加工成Φ4πιπιΧ25πιπι的圆棒。钢种成份如下表所示
飞 ^^UJ P S V N-
014 0.3 L2 O.OiO 0005 ' 0J)5 0.003用酒精溶液超声清洗2分钟，等样品干燥后待用。(2)膨胀系数测量并绘制曲线温度测量范围30 1000°C ;升、降温速率均为5°C /分钟。氩气保护气氛。升温过程中温度一一膨胀量(dL/U)变化曲线及其一次微分结果如图I所示。其中实线为膨胀量一温度曲线，虚线为其一次微分结果。各转变点的温度已经标于图I中。(3)数据分析从图I中一次微分曲线可以看到升温过程中626 698°C有一个微弱的体积变化过程，该反应过程导致膨胀系数减小。724 762°C根据铁碳相图分析，该温度发生珠光体向奥氏体的转变反应，762 887°C发生铁素体向奥氏体的转变反应。根据相关资料以及钢种化学成份，可以推测升温过程中626 698°C发生的反应过程为VC的快速溶解过程，VC的溶解导致膨胀曲线上出现拐点。(4)验证试样取同成份样品，分别加工成Φ8*10πιπι样品两个，采用Gleeble试验机进行热模拟实验，一个采用5°C /分钟的速度加热到620°C然后迅速水淬到室温。一个采用5°C /分钟的速度加热到705°C，然后迅速水淬到室温。利用萃取复型技术将上述两个样品分别制成透射电镜样，观察确定热处理后样品中所有析出相的种类。图2给出620°C淬火样品中析出相的形态，图3给出该图中析出相的能谱图。图4给出705°C淬火样品中析出相的形态，图5给出该图中析出相的能谱图。由图2、3可见，在620°C下，样品中有大量的VC析出相，而图4、5中只有较少的(Ti，V)C复合型析出相。由此，验证步骤3的推测结果626 698°C发生的微弱的体积变化过程为VC的溶解过程。实施例2 TiC析出温度测量(I)取样取某加Ti的钢，将其加工成Φ4πιπιΧ25πιπι的圆棒。钢种成份如下表所示
权利要求
1.一种膨胀法测量钢铁材料中析出相溶解、析出温度的方法，其特征在于，应用热膨胀仪测试样品膨胀量随温度的变化，再计算其一次微分曲线确定析出相的溶解、析出温度；具体包括以下步骤 (1)取样取预测试样品小试样，试样形状为直径3— 5mm的圆棒,长度23 27_ ;试样表面及端面光滑，无氧化铁皮； (2)膨胀系数测量并绘制曲线 第一步开机及程序设定；依次打开电源开关、恒温水域、炉体加热电源、仪器测量单元和控制单元、电脑主机及显示器；打开气瓶，调节减压阀使出气口压力为O. 02 O.03MPa;测试前仪器至少预热I小时；依次设定初始温度2(T50°C、终止温度80(Tl650°C、动态升温速率0. 01 50°C /分、采样速率:0. 02 1200点/°C、恒温时间:0 1小时、降温速率0. ΟΓδΟΓ /分、采样速率0. 02 1200点/°C、结束温度2(T200°C，吹扫气氩气，气体流量5(Tl00ml/min ;测试的温度范围根据需要选择测量升温、降温或升降温全过程; 第二步基线测试根据设定好的温度程序，测量Al2O3标准样品的长度变化曲线； 第三步样品测试加入待测样品，选择与基线测试完全相同的程序测量；加入样品后，样品长度随温度变化的数据； 第四部数据处理用样品测量的数据扣除基线测量的数据后，获得样品长度变化率dL/L0随温度的变化曲线；然后，计算该曲线对温度的一次微分曲线； (3)数据分析根据铁碳相图，分析确定相变温度以及析出相的析出、溶解温度； (4)验证实验常见析出相的溶解、析出温度根据测试结果以及文献资料判断是何种析出相的溶解、析出温度；当不能确定，尚需要配合进行试验，再结合透射电镜分析确定反应类型；具体做法是，采用热模拟试验机，同时采用析出实验相同的升降温工艺，将预测试样品加热到峰值出现前5 10°C温度，然后快速淬火到室温，利用萃取复型技术将其制成透射电镜样品，观察确定热处理后样品中所有析出相的种类；再将预测试样品加热到峰值出现以后5 10°C温度，然后快速淬火到室温，利用萃取复型技术将其制成透射电镜样品，观察确定热处理后样品中所有析出相的种类；将两样品结果对比分析，确定哪种析出相消失，那么该温度就是该析出相的溶解或析出温度。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，程序设定过程中，温度区间的升、降温速率 为O. I 5°C /分。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，膨胀系数测量并绘制曲线过程中第二步和第三步测试的过程中，装好标准样品和待测样品后，都需要对炉体抽真空；具体过程首先，关闭炉体出气口，打开机械泵，抽炉体真空1飞分钟，然后打开进气口，向炉体冲氩气，至气路与炉体气压相同，关闭进气口 ；再重复抽真空，冲氩气过程3次以上，将炉体内的氧气降至最少，关闭机械泵；保持炉体出气口一直关闭。
全文摘要
一种膨胀法测量钢铁材料中析出相溶解、析出温度的方法，属于金属材料检测技术领域。所采用的技术方案是利用析出、溶解过程中伴随的体积变化，利用膨胀仪测试升温、降温过程中膨胀量随温度的变化，再计算其一次微分曲线确定析出相的溶解、析出温度。优点在于，可以准确测量析出相在升温或降温过程中溶解、析出的温度，进而对材料加工工艺的控制提供参考依据。测量方法简便、测试的温度精度高。
文档编号G01N25/16GK102721719SQ201210233299
公开日2012年10月10日 申请日期2012年7月5日 优先权日2012年7月5日
发明者严春莲, 史学星, 孟扬, 蔡宁, 鞠新华 申请人:首钢总公司