钢的相变点测定及膨胀法测量

钢的相变点测定包括平衡相变临界点A₁、A₃、A_cm等和非平衡相变点Bs、Ms等的测定。常用方法有金相法、热分析法、膨胀法和磁性法等。

9.2.1.1 金相法

金相法是古老而传统的方法，它是通过直接观察钢在加热到不同温度时组织是否发生相变来确定临界点的。以测定亚共析钢的Ac₁和Ac₃为例说明测定过程。取一组试片，先加热到1200℃进行高温退火，使成分均匀，降低偏析程度，并使晶粒长大，易于观察。根据试样成分，确定几个加热温度，温度间隔一般取5～10℃，缓慢加热（＜30℃/min）到规定温度，保温30～60min后取出淬火冷却，随后在300～400℃回火，使马氏体转变为回火托氏体，这样可增大铁素体与基体的衬度。金相观察应在试片的中部，一般以在晶界出现数量1%～2%马氏体（体积分数）的温度，作为Ac₁点的判据，并以残存数量1%～2%铁素体（体积分数）的温度，作为Ac₃的判据。如果没有达到这个判据，则表示温度过低或过高，需根据情况调整加热温度，再次试验，直至取得满意结果为止。

用金相法测临界点在生产中比较实用，也较准确，但手续烦琐，费工费时。

9.2.1.2 热分析法

热分析法是研究金属相变最基本、最常用的方法。其原理是发生相变时，常有明显的吸热或放热反应，记录试样温度变化情况，就可测定相变的临界点，甚至测定相变过程的热效应。

热分析法分普通热分析法和示差热分析法。普通热分析法装置如图9-13所示。把试样放在炉中缓慢加热（或冷却），记录其温度—时间曲线，结果如图9-14所示。当发生相变产生热效应时，可观察到温度平台或升温（或降温）速度的突变（偏斜），其相对应的温度就是相变临界点。

图9-13 普通热分析法装置示意图

图9-14 普通热分析曲线

a）纯金属 b）合金固溶体 c）固溶体加共晶 d）固溶体加包晶

t₀—相变临界点

图9-15 示差热分析装置示意图

图9-16 共析钢示差热分析曲线

示差热分析装置如图9-15所示。示差热电偶是由两副完全相同的热电偶以相同极相连接而构成，这样就得到了有两个热端的双热电偶，将两个热端分别插入试样和标样（两者之间用隔热材料分开）内，测定它们的温度差。标样在所测温度区间应无相变（测钢可用铜等）。当试样不发生相变时，Δt=0；当试样发生相变时，伴随发生的热效应改变了试样的升温（或降温）条件，Δt≠0，故Δt的变化反映了相变热效应的相对大小和热效应的性质——吸热或放热反应。为了准确测定相变临界点，在记录Δt的同时，还需记录温度—时间曲线。图9-16所示为共析钢示差热分析曲线，该曲线可准确测得Ac₁和Ar₁。示差热分析比普通热分析灵敏度高，因为没有发生相变时Δt为零，仅在发生相变时示差热偶才有信号转出，故可以选择高灵敏度的记录仪表。

虽然热分析给我们提供了关于相变过程的多方面信息，但热分析过程是一个能量转换和热量交换的过程，其试验记录依赖于多方面的因素，而且难于精确控制，这就给热分析试验及其结果分析带来了某些复杂性。表9-8列出了一些常见并应注意的问题。

热分析方法不仅在冶金，而且在化工、矿物、生物等领域也得到了广泛应用和进一步发展。从普通热分析到示差热分析（DTA），进而演变出各种记录方式，各种形式的探测部分，以至派生出专为定量热分析而设计的示差扫描量热计（DSC）。根据热分析曲线，不仅可以测定相变发生的温度，还可以根据热效应峰的面积、曲线的走向、峰在温度坐标上的分布等，进行相变的热力学过程和动力学过程的研究，以及混合物的组成分析。

表9-8 热分析法常见并应注意的问题

表9-9 钢中基本相的比体积和平均线胀系数

9.2.1.3 膨胀法

膨胀法设备简单，测量方便，是一般试验室最常用的方法。各个相的晶体结构不同，因而比体积不同，从而导致相变时试样发生明显的体积膨胀或收缩效应。钢中基本相的比体积关系是：马氏体＞铁素体＞奥氏体＞碳化物（但铬和钒的碳化物比体积大于奥氏体）。表9-9列出了钢中基本相的比体积和平均线胀系数。测量加热或冷却过程体积的异常变化，就可测得各相变点。此外，在测量相变点时，还可根据下式同时测得膨胀系数：

式中 L_t——试样在温度t时的长度；

Δt——温度区间量；

Δl——上述温度区间内的长度改变量。

1.膨胀量的测定 测定膨胀量所用的仪器称为膨胀仪。它的种类很多，按其放大原理可以概括为机械放大、光学放大及电测放大三种类型。近年来，一些较先进的膨胀仪，其加热和降温速度用自控仪表或者电子计算机连续控制，使测量结果更为可靠。

膨胀仪的结构通常包括三个主要部分，即试样容器、伸长量测量系统和加热冷却及测温装置。

简易机械式膨胀仪的测量部分如图9-17所示。中间的石英杆2用来传递试样1的伸长，周围的三根石英杆3用以支撑试样台。伸长量由千分表4读出。试样外面有炉子，用以改变试样的温度。温度值可用热电偶测量。这种膨胀仪结构简单，操作方便，但影响因素很多，测量精度较差。

图9-17 简易机械式膨胀测量部分示意图

1—试样 2—石英杆 3—石英杆（支架） 4—千分表

石英在加热和冷却时没有相变，且膨胀系数很小，约为钢铁材料的百分之五。从图9-17中可见，千分表测得的伸长量实际是试样的伸长和石英杆的伸长之和。有些膨胀仪可自动补偿石英杆的伸长。为避免试样在高温下氧化，有的膨胀仪还附有抽真空设备，使试样室保持一定的真空度，或者通以惰性气体等。

各种膨胀仪的伸长量和温度的测量系统有所不同。简易膨胀仪采用千分表和热电偶测得试样的伸长量和温度。光学示差膨胀仪是利用光学杠杆，放大试样伸长量。如国内用得较多的Leitz HTV型膨胀仪，可将伸长量放大200～800倍。它的温度测量是通过和试样尺寸相同的标准试样的伸长量测得。标样和试样在炉膛中位置靠近，加热和冷却条件相同。要求标样的伸长量和温度成正比，且具有较大的线胀系数，在所使用的温度范围内不发生相变。在测定非铁金属相变点时，采用纯铝或纯铜作标样。对钢铁材料，标样选用镍铬合金（镍质量分数为80%，铬质量分数为20%）。

利用非电量测法，可以将试样的长度变化转换成相应的电信号，再对电信号进行处理和记录。(www.xing528.com)

电容式膨胀仪是由试样膨胀引起电容器C₁的电容改变（图9-18a），从而改变了LC回路阻抗，使输出信号发生变化。输出信号再通过放大器输入到记录仪，便可绘出试样的膨胀曲线。

目前各种自动记录式膨胀仪中应用较多的是电感式膨胀仪。其放大倍数可达6000倍。当试样未加热时，铁心处于平衡位置，差动变压器输出为零。试样伸长时，通过石英杆使铁心上升，差动变压器的次线圈中的上部线圈电感增加，下部电感减小（图9-18b）。由于两个次线圈是反向串联的，所以产生了输出信号电压，它与试样伸长呈线性关系。将此信号经放大后输入X-Y记录仪的纵轴，温度信号输入横轴，便可得到试样的膨胀曲线。

图9-18 膨胀仪示意图

a）电容式 b）电感式

Formaster膨胀仪是电感式膨胀仪中较为先进的一种。它可以同时将温度、伸长量与时间的关系曲线绘制在X-Y记录仪上。试样采用真空高频加热，可使加热速度在500℃/s以下范围内变化。试样冷却可选用小电流加热、自然冷却和强力喷气冷却等方法。加热和冷却均可利用电子计算机进行程序控制。可以得到温度在室温以上的几乎是任意形状的加热和冷却曲线。

试样尺寸视不同膨胀仪各异。图9-19所示为HTV型膨胀仪的试样结构。截面小易使试样温度均匀，长度较长可提高伸长量测定时的灵敏度。卧式膨胀仪试样两端有两个凸缘，可减少水平放置时的摩擦阻力。试样中的小孔用于放置热电偶（也可不开小孔，将热电偶焊在或紧贴在试样上）。Formaster膨胀仪要求试样快冷，可采用薄壁空心短圆柱形试样。

图9-19 试样结构

2.临界点的测定 图9-20所示为亚共析钢缓慢加热、缓冷过程中的膨胀曲线。亚共析钢常温下的平衡组织为铁素体和珠光体，当缓慢加热到725℃（Ac₁）时，钢中珠光体转变为奥氏体，体积收缩；温度继续升高，钢中铁素体转变为奥氏体，体积继续收缩，直到铁素体全部转变为奥氏体，钢又以奥氏体膨胀特性伸长。冷却过程恰与加热过程相反，但由于相变滞后效应，冷却曲线位于加热曲线的下方。相变结束后，两曲线重合。

图9-20 亚共析钢的膨胀曲线

从膨胀曲线上确定钢的临界点有以下两种方法：

（1）切线法。取膨胀曲线上偏离正常纯热膨胀（或纯冷收缩）的开始位置作为Ac₁或Ar₃的温度，如图9-20中的a及c点。取再次恢复纯热膨胀（或纯冷收缩）的开始位置作为Ac₃或Ar₁温度，如图9-20中的b、d点。通常其偏离位置由所作切线得到，故称切线法。该法符合金属学原理，物理意义明确，但切点不易取准，判断相变温度易受观测者主观因素的影响。为了减少目测误差，必须使用高精度膨胀仪作出精细而清晰的曲线。

（2）极值法。取加热或冷却曲线上的四个极值位置，如图9-20中的a′、b′、c′和d′分别为Ac₁、Ac₃、Ar₃和Ar₁的温度。这种方法的优点是判断相变温度的位置十分明显，人为因素较小。因此，在研究各种因素对相变温度的影响时，用极值法更易比较和分析。缺点是得到的临界点温度和真实值有偏离。

钢的原始组织、加热及冷却速度、奥氏体化温度以及保温时间等对临界点都有影响。而钢中加入合金元素，则使共析转变温度和共析点的位置发生移动，对过冷奥氏体的转变影响更大。具体测定可参照YB/T 5127—1993进行。为了研究合金元素或工艺因素对临界点的影响，试验条件必须保持一致。通常应满足以下三个条件：

1）钢的原始组织应当相同，最好都采用退火组织，并具有相近的晶粒度。

2）采用相同的加热和冷却速度，一般不宜大于3℃/min。对高合金钢，冷却速度应小于2℃/min。

3）奥氏体化温度与保温时间应保持一致。

3.马氏体相变Ms点的测定 测定马氏体相变点的原理和测量其他临界点相同。不过，对多数钢种来说，测Ms点需要很高的冷却速度。所以仪器应具有淬冷机构和快速记录装置。通常用光学膨胀仪和电感式膨胀仪进行自动记录。

图9-21所示为亚共析钢的马氏体相变温度与转变量。加热到A点转变成奥氏体后，快速冷却到B点发生马氏体相变，开始膨胀。B点是膨胀曲线和冷却曲线的切点，即为Ms点。膨胀结束，恢复正常冷却曲线的D点即为马氏体转变结束点（Mf点）。如果要求定量测定马氏体转变量，就应考虑由于冷却引起的试样长度的减小和奥氏体转变为马氏体的膨胀效应两个方面。假定马氏体和奥氏体的线胀系数α相近，不发生相变时，膨胀曲线将大致沿A—B—C的轨迹冷却收缩，曲线BD上各点减去BC上对应的伸长量，即为马氏体相变时的体积效应。体积效应与相变量成正比，从而可求出相变量。假定线段DC表示100%马氏体，则DC/2时，对应的马氏体转变量为50%，标以M₅₀。通常马氏体转变具有不完全性，线段DC对应的是马氏体最大转变量，这时需要用F射线衍射法或金相法标定其转变量的百分数，据此再计算不同温度下马氏体的转变百分数。

9.2.1.4 磁性法

物质按磁化率χ的大小，大致可分为顺磁性（χ＞0，且很小，在10^-6～10^-3之间）、抗磁性（χ＜0，且10^-6＜|χ|＜10^-4）和铁磁性（χ很大，在10^-1～10⁵之间）三类物质。钢中奥氏体是顺磁性，铁素体和渗碳体相都是铁磁性，铁磁性的居里点分别是768℃和210℃。铁磁性相的饱和磁化强度M值很大，在磁场中对外表现出很强的磁性，而且M是结构不敏感参量，只决定于相的化学成分、晶体结构和相的数量。钢在奥氏体状态时为顺磁性相，当从高温奥氏体逐渐冷向珠光体、贝氏体、马氏体转变时，便出现铁磁性。测定铁磁性相饱和磁化强度M的变化，便可测定相变点和研究相变过程。

图9-21 亚共析钢的马氏体相变温度与转变量

磁性法测定相变点最常用的设备是热磁仪（也称阿库洛夫仪），如图9-22所示。

整个装置由三部分组成。一是电磁铁部分，用于产生磁场，磁场强度H应大于24×10⁴A/m，以保证使试样中出现的微量铁磁相磁化到饱和程度。二是加热炉、淬火槽与炉子升降机构部分，用于试样加热、等温处理与淬火处理。三是测量机构，包括夹持杆、热电偶与电量传感器（电容式或电感式）。试样夹持杆用非磁性材料，通常用耐热瓷管或石英管。

试样的尺寸为ϕ3mm×30mm，试样上通常点焊热电偶，用于测量试样的温度变化。测量时，将试样安放在磁极轴平面内，与磁场方向成φ₀角，φ₀一般小于10°。当试样中奥氏体开始转变出现铁磁相时，试样受到一个力矩的作用，使试样转Δφ，因偏转量与铁磁相的饱和磁化强度成正比，故由此可测出铁磁相的转变温度和转变量。

图9-23所示为磁性法测定Ms点曲线。测定时同时记录磁化强度和温度两条曲线。试样在奥氏体化状态时，磁化强度M为零。利用炉子升降机构把试样迅速转移到淬火槽中，则发生马氏体相变时，磁化强度开始上升，所对应的温度即为Ms点。

图9-22 热磁仪

a）结构 b）测量情况

1—炉子升降机构 2—电磁铁 3—样品 4—夹持杆

5—电量测定装置 6—热电偶 7—加热炉

图9-23 磁性法测定Ms点

磁性法只有在测量温度低于转变产物的居里点时才可应用。在高温转变时，它无法将顺磁性的渗碳体和奥氏体区分，所以不能测出过共析钢的先析渗碳体转变开始点。磁性法测定珠光体转变时，因等温温度接近居里点，转变产物的磁性减弱，温度波动对饱和磁化强度有影响，会降低定量测定时的精度。所以磁性法只能适用于测定中温转变和低温转变，高温转变时需采用其他方法（如膨胀法）。