2.1　高温拉伸试验

高温拉伸试验是研究材料热变形行为与热塑性最常用的方法。通过高温拉伸试验，可获得材料的高温力学性能，如不同成分钢种的塑性温度区间，不同温度下材料的屈服强度和抗拉强度或强度极限，以及其零强度与零塑性温度，热塑性与温度、热历程、冷却速率、应变速率等的关系。高温拉伸试验试样安装如 图2-1所示。

典型的热塑性拉伸试验时，高温力学性能的评定指标主要是断面收缩率和抗拉强度。

断面收缩率：以试样拉伸前后的断面收缩率Ra作为衡量其高温热塑性的指标，Ra的计算方法为：

　　        （2-1）

式中，Ra为断面收缩率， %；D0为试样原始直径，mm；D1为试样拉断后直径，mm。

抗拉强度：由每个试样拉伸试验曲线上读出最大的拉力值进行计算得出，计算公式为：

　　        （2-2）

式中，σb为抗拉强度，MPa；F为拉伸过程中拉力的最大值，N；D0为试样原始直径，mm。

试验温度：通常将熔点Tm到600℃之间分为三个温度区间进行研究，Ⅰ区：Tm～1200℃、Ⅱ区1200～900℃、Ⅲ区900～600℃。

试样尺寸：Gleeble高温拉伸试样尺寸一般有直径ϕ10mm和ϕ6mm两种，长度为大于90mm的不定值，可根据实际需要改变。典型的Gleele 1500高温拉伸试样尺寸如图2-2所示。

热历程曲线：通过设计和控制不同的热历程曲线，可以有效模拟测试不同热加工态下材料的高温性能，如图2-3所示。

铃木等人系统地研究了铝镇静低碳钢的高温塑性变化曲线，发现了三个低塑性区，如图2-4所示。

Ⅰ区（Tm～1200℃）：在高于1300℃时，由于晶界开始初熔导致塑性陡降，此温度区间塑性的降落与应变速度关系不大。

Ⅱ区（1200～900℃）：此时钢处于奥氏体状态。由于结晶过程中硫、磷以及氧化物等杂质在奥氏体的晶间析出，提供了晶界空洞的形核源，而导致塑性下降。

Ⅲ区（900～600℃）：此时脆性是由于先共析体薄膜的形成，以及这种析出导致基体（晶内）强化和晶界的滑动，此时，脆性伴随应变速度的提高而增加。

实例1：Sn对齿轮钢热塑性的影响［1］

Sn作为钢中的残余有害元素，会降低钢的热塑性而造成连铸坯的表面裂纹，在轧钢时还会造成轧材的表面裂纹。以下以Sn对齿轮钢热塑性的影响为例，介绍钢的热塑性研究方法。

①试验材料与试验方法

材料的化学成分见表2-1。将钢样加工成ϕ10mm×120mm圆棒，如图2-5所示，在Gleeble热模拟机上进行高温拉伸试验。试验工艺如图2-6所示。

②试验结果

热塑性与热强度如图2-7和图2-8所示。可见：

a.温度大于1000℃，三条曲线比较接近，其热塑性均较好。

b.温度小于1000℃特别是在950～800℃之间，随Sn含量增加，热塑性明显降低。

c.在相同温度下，随Sn含量增加，热塑性明显降低。

d.各试样在所测温度范围内抗拉强度基本一致，说明Sn含量的不同对其高温抗拉强度没有明显的影响。

③高温拉伸断口分析

图2-9为950℃的试样断口形貌。试样A、B的断口为塑性断裂，表面有许多大而深的塑坑以及韧窝；试样C断口形貌呈典型冰糖状，属沿晶脆性断裂。说明试样中Sn≥0.049%显著降低其热塑性而造成脆性断裂；当Sn≤0.021%时，对20CrMnTi钢的热塑性影响较小。

④电子探针（EPMA）分析

电子探针的结果如表2-2和图2-10所示，可见晶界区域Sn的平均含量明显高于晶粒内部，表明Sn的分布出现晶界偏聚现象。

⑤结论

a.温度在950～800℃之间，随Sn含量增加，20CrMnTi齿轮钢的热塑性显著降低。

b.当Sn≤0.021%时，对20CrMnTi钢的热塑性影响较小，可认为对该钢种热塑性产生明显影响的临界Sn含量为0.021%。

c.发现钢样的奥氏体晶界和基体的平均Sn含量分别为0.108%和0.045%，说明950℃下Sn在奥氏体晶界有明显偏聚，因而降低了热塑性。