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专利名称：一种比较金属材料间隙原子含量的方法
技术领域：
本发明属于物理测试方法领域，涉及一种定性比较金属材料特别是钢材间隙原子含量大小的测试方法。
背景技术：
在金属材料的科学研究与生产实践中，经常会通过改变间隙原子的含量来达到控制材料性能的目的。例如，为了冲压家庭日常使用的不锈钢盆和锅等深冲容器，需要使不锈钢板具有优良的深冲性能，在冲制过程中不能发生开裂等失效行为。这需要在钢板的生产过程中严格控制碳氮含量、夹杂物级别和数量以及材料的显微组织等。其中作为间隙原子的碳氮含量对钢板的深冲性能具有显著影响，通过降低碳氮总量至某临界水平可显著提高钢板的深冲性能。再如，包含汽车板在内的低碳钢薄板在进行冲压加工时易由于局部的突然屈服而产生不均勻变形，形成吕德斯带现象，在钢板表面留下条带状的褶皱。这一般来说是不允许的，它会严重影响工件的表面质量。对于承受高压冲击载荷的薄壁容器，吕德斯带的存在更会导致其在使用过程中发生开裂，造成严重事故。经研究，吕德斯带现象的存在与低碳钢存在的屈服现象有密切联系，而屈服现象的出现又是由于钢中的碳氮间隙原子形成的“柯氏气团”造成的。因此，通过控制碳氮间隙原子即可控制吕德斯带现象的产生。 又如，不锈钢中的碳氮间隙原子与基体中的Cr元素具有较高的化学亲和力，易于在晶界位置以化合物的形式析出而造成晶界附近贫Cr，使材料在使用过程中发生晶间腐蚀而过早失效。现在普遍采用在冶炼过程中添加稳定化元素，如Ti、Nb等，来严格控制碳氮间隙原子的含量，保证材料具有足够的抗晶间腐蚀性能。然而，材料性能的影响因素众多。如果材料的性能不满足性能要求，如何衡量间隙原子在其中所产生影响的相对大小？当碳氮等元素含量发生变化时，如何描述和表征此类元素以间隙原子形式存在的部分对材料性能的影响？目前，尚没有成型的测试方法。普遍采用的电解萃取等方法，是把以化合物形式存在的部分分离出来并确定其相对含量，从而推算出以间隙原子固溶在基体中的相对含量。综合来看，这些方法操作复杂，费时费力，试验周期长，而且也不能由此得到间隙原子对材料力学性能的影响。因此亟需开发出一种方法，能够简便地给出材料基体中间隙原子的力学行为响应信息，依此来评价间隙原子对材料性能的影响。

发明内容
为了克服现有定性比较金属材料间隙原子含量大小的测试方法的上述不足，本发明提供一种简便的定性比较金属材料间隙原子含量大小的测试方法。本发明的理论基础是在多晶体金属材料中存在大量的位错线。以碳、氮为代表的间隙原子在晶粒内并不是均勻分布的，它们倾向于聚集在位错线的周围而形成“柯氏气团”，以此来降低晶格畸变能，使整个系统更稳定。当金属材料发生塑性变形时，部分位错将发生运动；而当金属材料发生弹性变形时，仅仅发生原子间距或排列角度的变化，位错并不发生运动。在突然加载且总载荷超过了材料的屈服强度的情况下，有两种可能(1)应力值超过了“柯氏气团”对位错线的拖曳作用，位错线摆脱了“柯氏气团”的束缚，发生快速自由运动，材料表现为塑性行为；( 应力值未超过“柯氏气团”对位错线的拖曳作用，位错线不能摆脱“柯氏气团”的束缚，材料表现为弹性行为。当位错发生快速自由运动时，给定应力增加值下的瞬时应变增加值将远大于位错线不能摆脱“柯氏气团”束缚情况下的弹性应变增加值。因此，突然加载所引起的应变响应会很好地反映位错运动的信息。而“柯氏气团”对位错线拖曳作用的大小与气团浓度密切相关，亦即间隙原子的含量越高，“柯氏气团”浓度就越高，对位错线拖曳作用就越大。 于是，突然加载所引起的应变响应即可间接反映间隙原子含量的高低。本发明的技术方案是根据所关心的材料力学性能所在温区，选择常温力学试验机或高温热模拟仪。分别将参照材料和试验材料加工成试验仪器所要求规格的样品，然后按照下述步骤依次进行I分别选择外形和尺寸相同的Q组参照材料试样和试验材料试样，其中第H组参照材料试样为I3h参根，第H组试验材料试样为试根，为了排除偶然性，一般选择Q彡5，5，Pai^ 5。II选其中一组为H = 1作为第一组，参照材料试样和试验材料试样分别做拉伸试验，分别确定每根参照材料试样和试验材料试样在试验温度下各自的屈服强度和抗拉强度，然后取参照材料试样的屈服强度算术平均值R·和抗拉强度算术平均值，取试验材料试样的屈服强度算术平均值民《和抗拉强度算术平均值RmW。一般试验温度为25 1000°C。III对剩余的Q-I组参照材料试样和试验材料试样中的每一组参照材料试样和试验材料试样，将同一组(设为第H组)内的每根参照材料试样施加相同的预拉力，所产生的应力σΗ_大小为Re·的90 95% ；对同一组内设为第H组内的每根试验材料试样施加相同的预拉力&试，所产生的应力σ 大小为Reii的90 95% ；其中2彡H彡Q ；IV对步骤III中每一组内的参照材料试样和试验材料试样进行突然加载，第H组内的每根参照材料试样施加相同的预拉力h进行突然加载，产生(自然产生)突变真应力 Δ σΗ，Δ 0[1与σΗ参之和超过Re参，但低于艮参；确定第H组内每根参照材料突然加载!^h参试验时产生的对应真应变，求出第H组参照材料的真应变算术平均值Δ ε Η# ；对步骤III中第H组内的每根试验材料试样施加相同的预拉力!^h进行突然加载，产生突变真应力△ σΗ， Δ 0[1与Qim之和超过Reii，但低于Rma ；确定第H组内每根试验材料试样突然加载!^m试验时产生的对应真应变，求出该组试验材料试样的真应变算术平均值△上述各步骤中的Δσ2<Δσ3<...<Δσ Q，各步骤的试验温度相同。V 从实验时的 Δ σ 2、Δ σ 3· · · Δ σ Q、Δ ε 2参、Δ ε 3参· · · Δ ε Q参、Δ ε 2试、Δ ε 3 Δ ε 中，选出四组分别代入下式
权利要求
1.一种比较金属材料间隙原子含量的方法，它包括下述依次的步骤I分别选择外形和尺寸相同的Q组参照材料试样和试验材料试样，其中第H组参照材料试样为I3h参根，第H组试验材料试样为试根，Q彡3，1彡H彡Q，3，Paii^ 3 ；II选其中一组为H = 1作为第一组，参照材料试样和试验材料试样分别做拉伸试验，分别确定每根参照材料试样和试验材料试样在试验温度下各自的屈服强度和抗拉强度，然后取参照材料试样的屈服强度算术平均值民_和抗拉强度算术平均值Rm_，取试验材料试样的屈服强度算术平均值民《和抗拉强度算术平均值Rma ；III对剩余的Q-I组参照材料试样和试验材料试样中的每一组参照材料试样和试验材料试样，将同一组内的每根参照材料试样施加相同的预拉力所产生的应力大小为 Re参的90 95%;对同一组内设为第H组内的每根试验材料试样施加相同的预拉力!^hw，所产生的应力σ Hy；大小为Reii的90 95% ；其中2彡H彡Q ；IV对步骤III中每一组内的参照材料试样和试验材料试样进行突然加载，第H组内的每根参照材料试样施加相同的预拉力&进行突然加载，产生突变真应力Δ σΗ，Δ 0[1与σΗ 之和超过民_，但低于Rm·；确定第H组内每根参照材料突然加载试验时产生的对应真应变，求出第H组参照材料的真应变算术平均值Δ εΗ ；对步骤III中第H组内的每根试验材料试样施加相同的预拉力I7h进行突然加载，产生突变真应力Δ σΗ，Δ 0[1与Qim之和超过民《，但低于Rma ；确定第H组内每根试验材料试样突然加载!^im试验时产生的对应真应变，求出该组试验材料试样的真应变算术平均值△上述各步骤中的Δσ2<Δσ3<... < Δ σ Q，各步骤的试验温度相同；
2.—种比较金属材料间隙原子含量的方法，它包括下述依次的步骤I分别选择外形和尺寸相同的Q组参照材料试样和试验材料试样，其中第H组参照材料试样为I3h参根，第H组试验材料试样为试根，Q彡3，1彡H彡Q，3，Paii^ 3 ；II选其中一组为H = 1作为第一组，参照材料试样和试验材料试样分别做拉伸试验，分别确定每根参照材料试样和试验材料试样在试验温度下各自的屈服强度和抗拉强度，然后取参照材料试样的屈服强度算术平均值民_和抗拉强度算术平均值Rm_，取试验材料试样的屈服强度算术平均值民《和抗拉强度算术平均值Rma ；III对剩余的Q-I组参照材料试样和试验材料试样中的每一组参照材料试样和试验材料试样，将同一组内的每根参照材料试样施加相同的预拉力所产生的应力大小为 Re参的90 95%;对同一组内设为第H组内的每根试验材料试样施加相同的预拉力!^hw，所产生的应力σ Hy；大小为Reii的90 95% ；其中2彡H彡Q ；IV对步骤III中每一组内的参照材料试样和试验材料试样进行突然加载，第H组内的每根参照材料试样施加相同的预拉力&进行突然加载，产生突变真应力Δ σΗ，Δ 0[1与σΗ 之和超过民_，但低于Rm·；确定第H组内每根参照材料突然加载试验时产生的对应真应变，求出第H组参照材料的真应变算术平均值Δ εΗ ；对步骤III中第H组内的每根试验材料试样施加相同的预拉力I7h进行突然加载，产生突变真应力Δ σΗ，Δ 0[1与Qim之和超过民《，但低于Rma ；确定第H组内每根试验材料试样突然加载!^im试验时产生的对应真应变，求出该组试验材料试样的真应变算术平均值△上述各步骤中的Δσ2<Δσ3<... < Δ σ Q，各步骤的试验温度相同； V 对于实验时的 Δ σ 2、Δ σ 3. . . Δ σ Q> Δ ε 2 参、Δ ε 3 参· · · Δ ε Q 参、Δ ε 2 试、Δ ε 3 试...Δ ε Q试，以突变真应力Δ ο 2、Δ o3. .. Δ σ Q为横坐标，对应的真应变Δ ε 2参、Δ ε 3 Δ ε 为纵坐标，以圆滑曲线连接成一条曲线；以突变真应力Δ σ2、Δ σ3... Δ 0(3为横坐标，对应的真应变Δ ε 2W、Δ ε . . Δ ε 为纵坐标，以圆滑曲线连接成另一条曲线； 两条曲线中，偏离初始段直线的起始点横坐标较小者间隙原子含量较少；偏离初始段直线的起始点横坐标较大者间隙原子含量较多；若两条曲线偏离初始段直线的起始点横坐标大致相等，则可将试验材料中的间隙原子含量与参照材料中的视为大致相等。
全文摘要
本发明涉及一种比较金属材料间隙原子含量的方法，其步骤为I. 分别选择Q组参照材料试样和试验材料试样；II. 选一组参照材料试样和试验材料试样分别做拉伸试验，确定它们的屈服强度和抗拉强度并取它们的屈服强度算术平均值和抗拉强度算术平均值；III. 对剩余的Q-1组参照材料试样和试验材料试样，每根参照材料试样施加相同的预拉力FH参；每根试验材料试样施加相同的预拉力FH试；IV. 对步骤III中每一组内的参照材料试样和试验材料试样进行突然加载；求出参照材料的真应变算术平均值和试验材料试样的真应变算术平均值；V. 从实验时的各数值，定性地判断材料间隙原子含量的高低。本比较金属材料间隙原子含量的方法操作简便。
文档编号G01N3/08GK102466588SQ20101053708
公开日2012年5月23日 申请日期2010年11月7日 优先权日2010年11月7日
发明者董盼 申请人:山西太钢不锈钢股份有限公司