CN111157568B - 一种简单快速测量连续冷却两相转变体积比例的方法 - Google Patents

一种简单快速测量连续冷却两相转变体积比例的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种简单快速测量连续冷却两相转变体积比例的方法，属于物理材料技术领域。所述方法先测得金属材料连续冷却两相转变过程的热膨胀量曲线；通过对此曲线进行杠杆法处理，获得相变体积分数对应温度变化的数据；对相变体积分数数据进行温度的数值微分，获得相变体积分数的微分数据，作出相变体积分数对应温度的微分曲线；通过在此微分曲线上作一条垂线和一条直线，将微分曲线与横坐标围成的封闭图形分为三个区域，通过三个区域的面积计算两相的体积比例，计算结果偏差约±6％。本发明能解决当相变温度区间发生部分重叠时各相体积分数的计算问题，具有操作过程更简单和计算结果误差更小的有益效果。

Description

一种简单快速测量连续冷却两相转变体积比例的方法
技术领域
本发明涉及物理材料的技术领域，尤其涉及一种简单快速测量连续冷却两相转变体积比例的方法。
背景技术
相体积比例是金属材料组织表征的重要内容，是分析和判断材料力学性能的重要依据。通常采用热模拟的方法来获得金属材料热过程中的相变数据，在计算相体积比例时，可采用的方法有金相法、杠杆法和扩展杠杆法。由于金相法和杠杆法在许多实际情况下均无法计算两相的体积比例(例如当两相转变温度区间发生重叠且组织形貌相似时)，而扩展杠杆法在理论上能部分解决金相法和杠杆法无法解决的相体积比例的计算问题，因而扩展杠杆法的应用对于金属材料相体积分数的计算尤为重要。
申请人团队之前提出了一种基于数值微分方法确定两相转变体积比的方法(专利一，参考文献1：黄继华,雷玄威.一种基于数值微分方法确定两相转变体积比的方法[P].专利号：ZL201510335105.7)，由此正式提出扩展杠杆法，部分解决了当时无法解决的相体积比例的计算问题。随后，申请了一种通过测量面积计算金属材料两相转变体积比例的方法(专利二，参考文献2：雷玄威,杨荣玻,黄双双,肖琳琳,丁佳俊.一种通过测量面积计算金属材料两相转变体积比例的方法[P].申请号：201910807070.0)，这种方法的测量原理与专利一有所有同，使操作过程更加简便，因而在一定程度上可减小人为操作误差，但测量结果偏差依然较大。之后，申请人在总结大量低合金高强钢相变动力学规律的基础上，有针对性的提出了一种测量低合金高强钢连续冷却两相转变体积比例的方法(专利三，参考文献3：雷玄威,杨荣玻,肖琳琳,丁佳俊.一种测量低合金高强钢连续冷却两相转变体积比例的方法[P].申请号：202010023163.7)，这种方法具有操作过程比专利一中的方法简洁以及计算误差比专利二中的方法小的协同有益效果。
申请人在分析了大量金属材料连续冷却相变动力学数据及研究了应用最广泛的相变动力学方程的特征后，进一步提出一种简单快速测量连续冷却两相转变体积比例的方法。该方法仍然弥补了金相法和杠杆法的不足，是扩展杠杆法的延伸，但适用范围要比专利一、二和三中方法的适用范围稍窄(专利一、二和三中方法均适用于两相发生部分相变温度区间重叠时的情况，而本方法适用于两相发生部分相变温度区间重叠但温度重叠区间大致止于或高于第二相相变进行40％时的温度)。该方法的特点是操作过程比专利一、二和三更加简单，降低了操作难度，提高了操作效率，计算结果偏差约±6％，计算偏差大约是专利一和二中方法的一半且比专利三中方法稍小。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术中测量金属材料连续冷却两相体积比例的方法，当相变温度区间发生部分重叠时各相体积分数的测量方法操作过程繁琐、计算误差较大。
本发明提供一种测量金属材料连续冷却两相转变体积比例的方法，通过对所得的热膨胀量曲线进行杠杆法处理，获得相变体积分数对应温度变化的数据；对所得相变体积分数对应温度变化的数据进行温度的数值微分，获得相变体积分数的微分数据，作出相变体积分数对应温度的微分曲线；通过在作出的微分曲线上作一条垂线和一条直线，将微分曲线与横坐标围成的封闭图形分为三个区域，通过三个区域的面积计算连续冷却两相转变体积比例。
进一步地，所述方法具体是按照以下步骤进行的：
S1、利用试验装置获取金属材料连续冷却两相转变过程中热膨胀量对应温度变化的试验数据，并绘制出热膨胀量对应温度变化的曲线；
S2、将S1的曲线两端的线性变化部分延长，进行杠杆法处理，得到总体的相变体积分数对应温度变化的数据，然后对此数据进行微分处理，并以温度为横坐标，微分后的数据为纵坐标，作出相变体积分数的微分曲线；
S3、S2获得的相变体积分数的微分曲线与横坐标围成一个封闭的图形，通过作一条垂线和直线，将此图形分为三个区域，通过三个区域的面积计算两相的体积比例。
进一步地，S1中进行数据采集的温度间隔为0.05～0.1℃，温度数据精度为0.01℃，材料热膨胀量数据精度为0.01～0.1μm。
进一步地，S2中的杠杆法处理的步骤为：热膨胀量对应温度变化的曲线分为3个部分，分别为相变前的近似直线部分D1(T)、相变过程中的曲线Dc(T)以及相变后的近似直线部分D2(T)。将相变前与相变后的热膨胀量曲线进行线性拟合，得到直线D1(T)和D2(T)的表达式；获得相变体积分数数据的公式为
Figure BDA0002371905180000031
Tf≤Ti≤Ts，其中Ti为热模拟试验装置记录的温度，Ts为总相变的开始温度，Tf为总相变的结束温度，Dc(Ti)为热模拟试验装置记录的在温度Ti时的热膨胀量。相变体积分数的微分曲线的数据获得方法为：
Figure BDA0002371905180000032
其中f(Ti+1)是温度为Ti+1时的相变体积分数值，Ti+1为Ti的下一个记录温度。
进一步地，S3中作垂线和直线的方法及计算两相比例的方式为：
S31、相变体积分数的微分曲线与横坐标围成一个封闭的图形表现为两个波叠加的形状，在曲线上确定并标出第二个波的波谷A点；
S32、通过A点作垂直于横坐标的垂线o，过A点作另一直线p，直线p位于垂线o的右侧，相变体积分数的微分曲线、横坐标及垂线o所围成的位于垂线o左侧的图形面积为S1，相变体积分数的微分曲线、横坐标、垂线o及直线p所围成的图形面积为S2，相变体积分数的微分曲线、横坐标及直线p所围成的位于垂线o右侧的图形面积为S3，直线p的位置满足关系式
Figure BDA0002371905180000041
S33、分别测量S1、S2和S3，先后转变两相的体积比例为S3：S1+S2)。
本发明通过测定金属材料两相转变过程中热膨胀量随温度变化的数据而获得的相变体积分数的数值微分曲线，通过将微分曲线与横坐标围成的封闭图形分为三个区域，根据三个区域的面积计算两相的体积比例；能解决当相变温度区间发生部分重叠时各相体积分数的计算问题，操作方法简洁，计算误差更小。
综上，本发明进一步丰富了扩展杠杆法的应用，适用于金属材料两相发生部分温度区间重叠时的情况，能减小现有测量方法的计算误差和操作难度，利于测量方法的大面积推广和使用。
附图说明
下面将结合本专利实施例中的附图，对本专利实施例中的技术方案进行进一步说明。
图1为本发明的金属材料在连续冷却条件下体积分数的数值微分曲线及作图规则的示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明要解决的技术问题是现有技术中测量金属材料连续冷却两相体积比例的方法，当相变温度区间发生部分重叠时各相体积分数的测量方法操作过程较繁琐、计算误差较大。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种测量金属材料连续冷却两相转变体积比例的方法，通过对所得的热膨胀量曲线进行杠杆法处理，获得相变体积分数对应温度变化的数据；对所得相变体积分数对应温度变化的数据进行温度的数值微分，获得相变体积分数的微分数据，作出相变体积分数对应温度的微分曲线；通过在作出的微分曲线上作一条垂线和一条直线，将微分曲线与横坐标围成的封闭图形分为三个区域，通过三个区域的面积计算连续冷却两相转变体积比例。
其中，所述方法具体是按照以下步骤进行的：
进一步地，所述方法具体是按照以下步骤进行的：
S1、利用试验装置获取金属材料连续冷却两相转变过程中热膨胀量对应温度变化的试验数据，并绘制出热膨胀量对应温度变化的曲线；
S2、将S1的曲线两端的线性变化部分延长，进行杠杆法处理，得到总体的相变体积分数对应温度变化的数据，然后对此数据进行微分处理，并以温度为横坐标，微分后的数据为纵坐标，作出相变体积分数的微分曲线；
S3、S2获得的相变体积分数的微分曲线与横坐标围成一个封闭的图形，通过作一条垂线和直线，将此图形分为三个区域，通过三个区域的面积计算两相的体积比例。
特别地，S1中进行数据采集的温度间隔为0.05～0.1℃，温度数据精度为0.01℃，材料热膨胀量数据精度为0.01～0.1μm。
特别地，S2中的杠杆法处理的步骤为：热膨胀量对应温度变化的曲线分为3个部分，分别为相变前的近似直线部分D1(T)、相变过程中的曲线Dc(T)以及相变后的近似直线部分D2(T)。将相变前与相变后的热膨胀量曲线进行线性拟合，得到直线D1(T)和D2(T)的表达式；获得相变体积分数数据的公式为
Figure BDA0002371905180000051
Tf≤Ti≤Ts，其中Ti为热模拟试验装置记录的温度，Ts为总相变的开始温度，Tf为总相变的结束温度，Dc(Ti)为热模拟试验装置记录的在温度Ti时的热膨胀量。相变体积分数的微分曲线的数据获得方法为：
Figure BDA0002371905180000052
其中f(Ti+1)是温度为Ti+1时的相变体积分数值，Ti+1为Ti的下一个记录温度。
特别地，S3中作垂线和直线的方法及计算两相比例的方式为：
S31、相变体积分数的微分曲线与横坐标围成一个封闭的图形表现为两个波叠加的形状，在曲线上确定并标出第二个波的波谷A点；
S32、通过A点作垂直于横坐标的垂线o，过A点作另一直线p，直线p位于垂线o的右侧，相变体积分数的微分曲线、横坐标及垂线o所围成的位于垂线o左侧的图形面积为S1，相变体积分数的微分曲线、横坐标、垂线o及直线p所围成的图形面积为S2，相变体积分数的微分曲线、横坐标及直线p所围成的位于垂线o右侧的图形面积为S3，直线p的位置满足关系式
Figure BDA0002371905180000061
S33、分别测量S1、S2和S3，先后转变两相的体积比例为S3：S1+S2)。
实施例一：
通过Gleeble测得某一金属材料在冷却速率为0.8℃/s的条件下的热膨胀量随温度变化的一系列数据，其中热膨胀量精度达到10-5mm，温度精度达到10-2℃，数据采集频率为1Hz。通过对数据进行相应整理，得到的体积分数(对应温度变化)的数值微分曲线如图1所示。图1中的曲线表现为两个波的叠加，第一个波和第二个波分别对应先后转变的两相。
第一步：在曲线上确定并标出第二个波的波谷A点；
第二步：通过A点作垂直于横坐标的垂线o，过A点作另一直线p，直线p位于垂线o的右侧，相变体积分数的微分曲线、横坐标及垂线o所围成的位于垂线o左侧的图形面积为S1，相变体积分数的微分曲线、横坐标、垂线o及直线p所围成的图形面积为S2，相变体积分数的微分曲线、横坐标及直线p所围成的位于垂线o右侧的图形面积为S3，直线p的位置满足关系式
Figure BDA0002371905180000062
第三步：分别测量S1、S2和S3，先后转变两相的体积比例为
Figure BDA0002371905180000063
综上可见，本发明通过测定金属材料在两相转变过程中热膨胀量随温度变化的数据而获得的相变体积分数的数值微分曲线，通过将微分曲线与横坐标围成的封闭图形分为三个区域，直接测量图中面积而获得两相体积比例的方法；能解决当相变温度区间发生部分重叠时各相体积分数的计算问题，操作方法简洁，计算误差更小。
综上，本发明进一步丰富了扩展杠杆法的应用，适用于金属材料两相发生部分温度区间重叠时的情况，能减小现有测量方法的计算误差和操作难度，利于测量方法的大面积推广和使用。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰(如将
Figure BDA0002371905180000071
的比例限定在0.34～0.46范围内等)，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种简单快速测量连续冷却两相转变体积比例的方法，其特征在于，测得金属材料连续冷却两相转变过程的热膨胀量曲线；通过对所得的热膨胀量曲线进行杠杆法处理，获得相变体积分数对应温度变化的数据；对所得相变体积分数对应温度变化的数据进行温度的数值微分，获得相变体积分数的微分数据，作出相变体积分数对应温度的微分曲线；通过在作出的微分曲线上作一条垂线和一条直线，将微分曲线与横坐标围成的封闭图形分为三个区域，通过三个区域的面积计算连续冷却两相转变体积比例；
所述方法具体是按照以下步骤进行的：
S1、利用试验装置获取金属材料连续冷却两相转变过程中热膨胀量对应温度变化的试验数据，并绘制出热膨胀量对应温度变化的曲线；
S2、将S1的曲线两端的线性变化部分延长，进行杠杆法处理，得到总体的相变体积分数对应温度变化的数据，然后对此数据进行微分处理，并以温度为横坐标，微分后的数据为纵坐标，作出相变体积分数的微分曲线；
S3、S2获得的相变体积分数的微分曲线与横坐标围成一个封闭的图形，通过作一条垂线和直线，将此图形分为三个区域，通过三个区域的面积计算两相的体积比例；
S2中的杠杆法处理的步骤为：热膨胀量对应温度变化的曲线分为3个部分，分别为相变前的近似直线部分D1(T)、相变过程中的曲线Dc(T)以及相变后的近似直线部分D2(T)。将相变前与相变后的热膨胀量曲线进行线性拟合，得到直线D1(T)和D2(T)的表达式；获得相变体积分数数据的公式为
Figure FDA0003591871960000011
其中Ti为热模拟试验装置记录的温度，Ts为总相变的开始温度，Tf为总相变的结束温度，Dc(Ti)为热模拟试验装置记录的在温度Ti时的热膨胀量。相变体积分数的微分曲线的数据获得方法为：
Figure FDA0003591871960000012
其中f(Ti+1)是温度为Ti+1时的转变体积分数值，Ti+1为Ti的下一个记录温度；
S3中作垂线和直线的方法及计算两相比例的方式为：
S31、相变体积分数的微分曲线与横坐标围成一个封闭的图形表现为两个波叠加的形状，在曲线上确定并标出第二个波的波谷A点；
S32、通过A点作垂直于横坐标的垂线o，过A点作另一直线p，直线p位于垂线o的右侧，相变体积分数的微分曲线、横坐标及垂线o所围成的位于垂线o左侧的图形面积为S1，相变体积分数的微分曲线、横坐标、垂线o及直线p所围成的图形面积为S2，相变体积分数的微分曲线、横坐标及直线p所围成的位于垂线o右侧的图形面积为S3，直线p的位置满足关系式
Figure FDA0003591871960000021
S33、分别测量S1、S2和S3，先后转变两相的体积比例为S3:(S1+S2)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S1中进行数据采集的温度间隔为0.05～0.1℃，温度数据精度约0.01℃，材料热膨胀量数据精度为0.01～0.1μm。
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