2.1　高溫拉伸試驗

高溫拉伸試驗是研究材料熱變形行為與熱塑性最常用的方法。通過高溫拉伸試驗，可獲得材料的高溫力學性能，如不同成分鋼種的塑性溫度區間，不同溫度下材料的屈服強度和抗拉強度或強度極限，以及其零強度與零塑性溫度，熱塑性與溫度、熱歷程、冷卻速率、應變速率等的關系。高溫拉伸試驗試樣安裝如 圖2-1所示。

典型的熱塑性拉伸試驗時，高溫力學性能的評定指標主要是斷面收縮率和抗拉強度。

斷面收縮率：以試樣拉伸前后的斷面收縮率Ra作為衡量其高溫熱塑性的指標，Ra的計算方法為：

　　        （2-1）

式中，Ra為斷面收縮率， %；D0為試樣原始直徑，mm；D1為試樣拉斷后直徑，mm。

抗拉強度：由每個試樣拉伸試驗曲線上讀出最大的拉力值進行計算得出，計算公式為：

　　        （2-2）

式中，σb為抗拉強度，MPa；F為拉伸過程中拉力的最大值，N；D0為試樣原始直徑，mm。

試驗溫度：通常將熔點Tm到600℃之間分為三個溫度區間進行研究，Ⅰ區：Tm～1200℃、Ⅱ區1200～900℃、Ⅲ區900～600℃。

試樣尺寸：Gleeble高溫拉伸試樣尺寸一般有直徑?10mm和?6mm兩種，長度為大于90mm的不定值，可根據實際需要改變。典型的Gleele 1500高溫拉伸試樣尺寸如圖2-2所示。

熱歷程曲線：通過設計和控制不同的熱歷程曲線，可以有效模擬測試不同熱加工態下材料的高溫性能，如圖2-3所示。

鈴木等人系統地研究了鋁鎮靜低碳鋼的高溫塑性變化曲線，發現了三個低塑性區，如圖2-4所示。

Ⅰ區（Tm～1200℃）：在高于1300℃時，由于晶界開始初熔導致塑性陡降，此溫度區間塑性的降落與應變速度關系不大。

Ⅱ區（1200～900℃）：此時鋼處于奧氏體狀態。由于結晶過程中硫、磷以及氧化物等雜質在奧氏體的晶間析出，提供了晶界空洞的形核源，而導致塑性下降。

Ⅲ區（900～600℃）：此時脆性是由于先共析體薄膜的形成，以及這種析出導致基體（晶內）強化和晶界的滑動，此時，脆性伴隨應變速度的提高而增加。

實例1：Sn對齒輪鋼熱塑性的影響［1］

Sn作為鋼中的殘余有害元素，會降低鋼的熱塑性而造成連鑄坯的表面裂紋，在軋鋼時還會造成軋材的表面裂紋。以下以Sn對齒輪鋼熱塑性的影響為例，介紹鋼的熱塑性研究方法。

①試驗材料與試驗方法

材料的化學成分見表2-1。將鋼樣加工成?10mm×120mm圓棒，如圖2-5所示，在Gleeble熱模擬機上進行高溫拉伸試驗。試驗工藝如圖2-6所示。

②試驗結果

熱塑性與熱強度如圖2-7和圖2-8所示。可見：

a.溫度大于1000℃，三條曲線比較接近，其熱塑性均較好。

b.溫度小于1000℃特別是在950～800℃之間，隨Sn含量增加，熱塑性明顯降低。

c.在相同溫度下，隨Sn含量增加，熱塑性明顯降低。

d.各試樣在所測溫度范圍內抗拉強度基本一致，說明Sn含量的不同對其高溫抗拉強度沒有明顯的影響。

③高溫拉伸斷口分析

圖2-9為950℃的試樣斷口形貌。試樣A、B的斷口為塑性斷裂，表面有許多大而深的塑坑以及韌窩；試樣C斷口形貌呈典型冰糖狀，屬沿晶脆性斷裂。說明試樣中Sn≥0.049%顯著降低其熱塑性而造成脆性斷裂；當Sn≤0.021%時，對20CrMnTi鋼的熱塑性影響較小。

④電子探針（EPMA）分析

電子探針的結果如表2-2和圖2-10所示，可見晶界區域Sn的平均含量明顯高于晶粒內部，表明Sn的分布出現晶界偏聚現象。

⑤結論

a.溫度在950～800℃之間，隨Sn含量增加，20CrMnTi齒輪鋼的熱塑性顯著降低。

b.當Sn≤0.021%時，對20CrMnTi鋼的熱塑性影響較小，可認為對該鋼種熱塑性產生明顯影響的臨界Sn含量為0.021%。

c.發現鋼樣的奧氏體晶界和基體的平均Sn含量分別為0.108%和0.045%，說明950℃下Sn在奧氏體晶界有明顯偏聚，因而降低了熱塑性。