热膨胀法测45号钢的相变临界温度

伍逸凡，常凯歌，冯雪红，郭永利，张 沛

(西安交通大学 物理学院 大学物理国家级实验教学示范中心,陕西 西安710049)

从广义上讲，构成物质的原子(或分子)的聚合状态(相状态)发生变化的过程均可以称为相变[1]. 相变的发生往往受到外界环境的激发，温度是最直观也是最容易控制的参量. 通过控制材料在不同温度下的相变，可以获得预期的组织和结构，充分发挥材料体系的潜能[2]. 在工程建设中会遇到不同材料的组合使用，这就必须根据不同材料的膨胀系数来考虑结构件之间可能产生的应力，由此确定各种结构件配合时所能够允许的公差[3]. 同样，在机械各组成零部件的热变形计算中，也常常因为采用了不同的热膨胀特征参量使得计算精度受到限制[4]. 因此，测定材料的相变临界温度有着极其重要的意义. 相变温度的测量方法有热分析法、电阻法、应用负载法[5]、热膨胀法、磁性法以及金相法等[6]，其中，电阻法及负载法可用于形状记忆合金相变温度的测量[5]，热膨胀法、磁性法、热分析法和金相法是研究固态相变时最常用的分析方法[7]. 磁性法只能检测钢的磁性转变温度，金相法操作繁琐，热分析法适用于潜热大和转变速率快的材料. 热膨胀法操作简便，可以实时监控相变过程，且相变温度的测定比较符合真实的相变. 因此，本文用热膨胀法测量材料的膨胀系数随温度的变化，以此来确定材料的相变临界温度.

1 实验原理

热膨胀是指样品在加热过程中长度发生变化. 其表示方法一般分为线膨胀率和线膨胀系数2类. 测定时以一定的升温速率加热试样到指定的测试温度，测定试样随温度变化的伸长量.

当金属加热或冷却时，将出现体积或长度的膨胀或收缩. 定义膨胀系数为

式中，α为平均线膨胀系数，单位为℃-1；L1和L2为试样的伸长量，单位为μm；T1和T2为试样的温度，单位为℃.

当温度均匀升高时，长度也连续变化. 达到相变温度，除正常热膨胀外，还将因相变出现长度或体积突变. 因此利用长度或体积突变反映出相变对应的温度. 奥氏体(γ)是面心立方结构，具有最密排的点阵结构，而铁素体(F)是体心立方结构，故奥氏体的密度比钢中铁素体、马氏体等相的密度大. 因此，钢被加热到奥氏体相区时，体积收缩，冷却时，奥氏体转变为铁素体和珠光体等组织时，体积膨胀，容易引起内应力和变形. 45号钢的平衡组织为铁素体和珠光体(P). 当45号钢被加热到一定温度，将发生逆共析反应，即

铁素体F+珠光体P—→奥氏体γ.

当温度升高至AC1时，珠光体开始向奥氏体转变，相变收缩小于温度升高导致的膨胀，总的效应依然是膨胀. 温度继续升高，即AC1～AC3之间将同时出现珠光体和铁素体向奥氏体转变，直至AC3点，铁素体全部转变成奥氏体的终止温度. 温度继续升高，膨胀曲线所示为奥氏体的体积膨胀.

2 实验装置和材料

2.1 实验装置

实验仪器为PCY-Ⅲ型全自动热膨胀仪，仪器由加载传感器装置、电炉、小车、基座、电器控制箱5部分组成. 实验装置如图1所示.

1)加载传感器装置中的测试杆一端顶着试样，一端连着数字千分表. 试样的另一端顶在固定的试样的管前挡板上，因而试样在此端的自由度被限制了，所以试样的膨胀将引起数字千分表位移. 另外，设有加载装置，加载值由弹簧确定.

2)试样装在试样管中固定不动，进出炉膛靠移动炉膛来实现，这样避免了试样受到振动. 电炉膛装在小车上，小车可在基座导轨上移动.

图1 PCY-Ⅲ型全自动热膨胀仪(湘仪仪器)

3)电气部分：电炉采用电阻炉. 采用温差电偶和温控仪测定炉温.

电炉升温后炉膛内的试样发生膨胀，顶在试样端部的测试杆移动与膨胀量相等的位移(如果不计系统的热变形量)，这一膨胀量由数字千分表精确测量. 为消除系统热变形量对测试结果的影响，在计算中需加相应的补偿值，得到试样的真实膨胀值. 将石英标样放入装置中，测量的膨胀值减去标样的膨胀值即为系统补偿值.

2.2 试样

试样为圆柱形45号钢，φ6×50 mm. 图2是45号钢在缓慢冷却后的微观形貌，也就是发生共析反应，由奥氏体转变为铁素体和珠光体. 图中黑色区域是珠光体，白色区域是铁素体，区域的边缘为晶界.

图2 45号钢的微观形貌图

3 实验结果及讨论

采用热膨胀法测试样. 控制升温速率，温度在室温～900 ℃. 低于600 ℃以10 ℃/min快速升温，600～900℃以3，5，10 ℃/min速率升温. 从600 ℃起测量试样的膨胀系数随温度变化. 因为试样膨胀系数曲线和试样伸长量曲线一致，本文采用试样伸长量随温度变化曲线.

测量数据为600～900 ℃每1 ℃对应的膨胀伸长量，数据较多，对数据做曲线拟合，如图3所示. 图4是图3所示曲线的微分曲线.

图3 试样伸长量随温度的变化(升温速率3 ℃/min)

图4 图3曲线的微分曲线

从图3和图4可以看出，45号钢起初为珠光体和铁素体发生热膨胀，然后在737 ℃时，体积膨胀速率骤降. 此时珠光体开始向奥氏体转变，此点即为AC1点. 827 ℃时，铁素体完全转变为奥氏体，体积膨胀速率等于奥氏体热膨胀速率，为定值. 此后的微分曲线为平行于x轴的直线，此点即为AC3点.

在室温下，45号钢的组织为铁素体(F)和珠光体(P). 在45号钢发生相变时，试样不仅没有膨胀，反而体积收缩，其中原因是奥氏体是面心立方结构，而铁素体是体心立方结构，珠光体是铁素体和渗碳体二者组成的混合物. 面心立方的致密度为0.74，体心立方的致密度为0.68，面心立方的排列更加紧密. 所以当铁素体向奥氏体转变时，体心立方结构向面心立方转变，体积会收缩. 由图3和图4可以看出，当温度从室温加热到737 ℃时，试样长度随着温度的升高而增加，这个过程中只有热膨胀效应. 当温度达到737 ℃之后，珠光体开始向奥氏体转变，产生相变收缩效应. 由于起初参与发生奥氏体转变的珠光体量少，而其他大量的珠光体和铁素体仍然在产生热膨胀，所以总体效应依然呈现热膨胀，只不过膨胀效应在减小. 从图4中看出，温度达到737 ℃之后，参与相变的珠光体迅速增加，逆共析反应速度显著增大. 当温度增加到745 ℃时，相变收缩效应与热膨胀效应持平，试样伸长量达到极大.

当温度增加到745 ℃后，逆共析反应速度继续增大，相变收缩效应强于热膨胀效应，试样开始收缩. 当逆共析反应发生到一定程度后，有大量的奥氏体产生热膨胀，相变收缩效应开始减缓，热膨胀效应开始增强. 从图3可以看出，当温度升高到808 ℃时，已经有一部分铁素体和珠光体转变为奥氏体，此时相变引起的体积收缩效应与奥氏体和铁素体的热膨胀效应之和相持平，试样伸长量最短. 随着温度的继续升高，试样长度重新开始随温度升高而增加，热膨胀效应开始占据主导作用，试样又开始伸长. 当温度增加到827 ℃时，逆共析反应结束，即铁素体向奥氏体转变结束，整个过程只剩下奥氏体的热膨胀效应，试样长度以固定的速率随温度升高而增加.

从图4还可以看出，奥氏体的热膨胀效应比铁素体和珠光体的显著. 这是因为，奥氏体的微观结构是面心立方结构，是最密排的晶体点阵，碳原子存在于八面体间隙中，所以线膨胀系数最大，比铁素体(F)和渗碳体(Fe3C)的平均线膨胀系数高，所以奥氏体钢还可用来做热膨胀灵敏的仪表元件.

升温速率在测量相变温度的过程中是重要影响因素. 不同升温速率下金属发生相变前的弛豫时间差别不大，但是升温速率差别很大，而弛豫时间和升温速率的乘积是弛豫过程中系统升高的温度，即过热[9].

从图5可以观察到，升温速率为3 ℃/min和5 ℃/min时，测得的AC1点温度分别为737 ℃和738 ℃，而升温速率为10 ℃/min时AC1点温度为745 ℃. 即升温速率越高，越容易产生过热. 但是3种不同的升温速率下，测得的AC3点温度大致都在827 ℃. 即升温速率对45号钢相变开始的温度影响大， 而对相变结束温度的影响小. 经分析认为，相变开始时参与发生相变的量所占比重大，系统需要克服的能量大；而相变结束时参与发生相变的量很少，接近于零，系统需要克服的能量很少，所以升温速率对其影响很小.

图5 不同升温速率的微分曲线

实验结果表明，45号钢的AC1点为737 ℃，AC3点为827 ℃，升温速率为3～5 ℃/min. 理论上45号钢的AC1为727 ℃，AC3为810 ℃[10]，相对偏差分别为1.4%和2.1%.

4 结束语

通过热膨胀法，借助材料各相的膨胀系数不同，而在发生相变时因相变收缩，膨胀系数发生突变的特点，判断材料发生相变时的温度，即材料的相变临界温度. 通过实验测得45号钢的AC1点为737 ℃，AC3点为827 ℃，与理论值基本吻合. 用热膨胀法测量相变温度的方法，比传统的微观组织观察法更便捷，更容易实现测量.