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CN115200492B - 一种测定齿轮钢渗层马氏体相变动力学参数的方法 - Google Patents

一种测定齿轮钢渗层马氏体相变动力学参数的方法 Download PDF

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CN115200492B CN202210796995.1A CN202210796995A CN115200492B CN 115200492 B CN115200492 B CN 115200492B CN 202210796995 A CN202210796995 A CN 202210796995A CN 115200492 B CN115200492 B CN 115200492B
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Abstract

本发明公开了一种测定齿轮钢渗层马氏体相变动力学参数的方法，涉及钢铁行业热处理，解决钢渗碳淬火工件预测准确性和精度欠缺的问题，包括熔炼试样，采用热模拟实验机测定试样在不同冷速下膨胀量‑温度曲线，并进行组织含量检测，确定马氏体转变临界冷速，绘制连续冷却过程的CCT曲线；计算获得5组不同含碳量试样的奥氏体热膨胀系数、马氏体热膨胀系数、相变膨胀系数、Ms点和动力学方程系数α；基于实验结果对Ms点随含碳量和冷却的变化进行拟合，获得马氏体转变温度随含碳量和冷却的变化关系；将获得的相变动力学参数进行齿轮零件的渗碳淬火模拟；本发明提升了钢渗碳淬火模拟计算的准确性和精度，从而指导齿轮零件热处理变形控制。

Description

一种测定齿轮钢渗层马氏体相变动力学参数的方法
技术领域
本发明涉及钢铁行业热处理技术领域，更具体的是涉及一种测定齿轮钢渗层马氏体相变动力学参数的方法。
背景技术
目前热处理数值模拟领域，渗碳后工件渗层组织性能和整体变形规律的研究分析精度有待提高，而对预测准确性和精度起着决定作用的材料参数，存在部分数据欠缺和准确度不够的问题；在热处理仿真中变形预测的准确性很大程度上取决于相变应变的计算，而相变应变的计算与相变量和相膨胀系数有关；在渗碳热处理中，渗层组织的碳分布决定着淬火相变过程，因此实现准确的预测相变后的组织和变形，需要对不同碳含量试样经不同冷却速度冷却的马氏体相变动力学参数进行准确测定；对于相变量的计算主要通过K-M方程来定义，K-M方程求解时不仅需要Ms点，还需要相变动力学方程系数α；对于Ms获取的途径较多，最常见通过JMatPro性能软件计算，也有学者根据Ms经验公式来获得，但这些方法存在明显的可靠性和数据有效性问题，并且对于渗碳淬火过程而言，渗层碳含量分布不均，淬火过程中受厚度影响不同位置的冷却速率不同，这对Ms点的数值都会产生影响，Ms点计算偏差会在渗碳淬火模拟过程中被放大；因此，获得渗层不同碳含量的Ms点是提高变形预测的准确性的前提。此外，同样相变动力学方程系数α的计算也不容忽视，当前多数学者把α取为0.011这是不够严谨的，α不仅受合金元素的影响还与碳含量、冷却速度有关，因此，通过熔炼与渗碳同成分具有代表性的合金，开展这些合金的马氏体相变动力参数的实验测定，对提高渗碳淬火模拟的准确性具有重要的意义。
相变前后两种组织比容不一样，产生的体积变化对变形计算也有很大影响；马氏体转变过程的体积膨胀由相膨胀系数决定，并且温度对相膨胀系数的影响远大于成分的影响；目前关于相变膨胀系数的报道和资料很少，同样不能通过JMatPro计算，同时通过查阅文献发现，不同学者所使用的参数的数据相差可达一倍以上；在大多数情况下，相变过程组织体积差异导致的变形通常会被忽略；对于特定成分的材料和薄壁零件，相变对变形的贡献很大，不能被忽略；而目前，经过渗碳处理的相变膨胀系数的实验数据较为欠缺，是无法实现渗碳淬火过程的准确预测的主要原因之一。
发明内容
本发明的目的在于：为了解决渗碳后工件预测准确性和精度欠缺的技术问题，本发明提供一种测定齿轮钢渗层马氏体相变动力学参数的方法。
本发明采用的技术方案如下：一种测定齿轮钢渗层马氏体相变动力学参数的方法，包括以下步骤：
S1、采用真空电弧炉熔炼与齿轮钢其它元素含量相同，碳含量分别为0.2％、0.4％、0.6％、0.8％、1.0％的5组试样，将熔炼后的材料制成圆棒试样，并在一端加工出圆形槽，便于夹具夹持；
S2、用夹具夹住试样，并将热电偶焊接在试样中间，把试样放入Gleeble3500热模拟实验机内，将膨胀仪卡住标准试样中心的加热部位，测量均温区径向变形量，设置加热温度并经奥氏体化后以不同的冷速冷却，仪器将自动记录不同冷速下的温度、膨胀量数据，得到温度-膨胀量曲线；
S3、将膨胀曲线处理成温度-膨胀率曲线，采用切线法确定5组试样的Ms点，奥氏体膨胀系数αA、马氏体热膨胀系数αM、相膨胀系数
S4、采用X射线衍射法对热膨胀试样马氏体和奥氏体含量进行测定，根据K-M模型，获得马氏体转变动力学系数α；
S5、测定步骤S2中试样中间位置维氏硬度，并采用金相显微镜观察组织形貌，结合步骤S2中Ms点确定马氏体临界冷速，并绘制CCT曲线；
S6、将步骤S3中计算的Ms点和马氏体相变动力学参数α分别在坐标轴中进行描点，以碳含量为横坐标，Ms和α分别为纵坐标，分别使用线性拟合出齿轮钢渗层马氏体相变温度与含碳量和冷速之间的关系；
S7、建立材料模型，将步骤S3得到马氏体相变动力学参数和CCT曲线及材料的杨氏模量、泊松比和密度等参数作为材料模型参数，并建立齿轮有限元模型，模拟渗碳淬火过程齿轮的碳浓度、组织、变形分布；
S8、测量齿轮变形并取样检测，包括硬度、组织含量。
步骤S1所述真空电弧炉熔炼的具体步骤包括：真空熔炼前对熔料清洁去污，清洗坩埚和两极后干燥，通入冷却水，打开机械泵预热后抽至低真空度；打开分子阀，分级多次抽气，随后通入氩气洗气3次；熔炼过程，摇动手轮控制电极，启动高频电源进行引弧操作，利用电弧熔炼熔料。
在步骤S1中，每组不同碳含量下的试样准备8个，共计40个试样，分别在Gleeble3500热模拟实验机上加热温度到Ac3/Ac1以上50℃，加热速度1℃/s，保温时间600s，保证充分奥氏体化，用于不同冷速下膨胀曲线的测定。
在步骤S2中，奥氏体化后以17.2℃/s、8.6℃/s、4.3℃/s、1.72℃/s、0.86℃/s、0.28℃/s、0.14℃/s、0.06℃/s的冷却速度进行冷却，同时记录试样中心径向膨胀量-温度曲线。
将步骤S2测完的试样进行镶嵌、打磨、抛光，并采用4％的硝酸酒精溶液腐蚀，在金相显微镜下观察组织形貌，并在维氏硬度计上进行硬度表征；在步骤S3中，在膨胀曲线上以双切线法作出交点确定Ms点；作出与膨胀曲线上端的切线，由上式知即为奥氏体热膨胀系数αA；作出膨胀曲线下端切线，即为马氏体热膨胀系数αM，此时切线与纵轴的交点可认为0℃时马氏体完全转变，即奥氏体转变为马氏体引起的体积变化率，截距即为0℃的马氏体相膨胀系数
由此可得到任一温度T下奥氏体转变成马氏体相膨胀系数
在步骤S3中，结合步骤S2绘制0.2％C、0.4％C、0.6％C、0.8％C、1.0％C含碳量试样的连续冷却过程CCT曲线。
在步骤S4中，测定马氏体和奥氏体含量的方法为，将5组共40个试样取样切割，打磨，抛光后采用XRD对试样进行物相鉴定，并通过Jade 9.0提取衍射线强度，对马氏体和奥氏体含量进行计算。
步骤7所述建立材料模型，具体步骤如下：
S71、使用有限元模拟软件建立渗碳淬火过程的齿轮模型和材料模型，并对建立的材料模型定义马氏体和奥氏体的泊松比、热膨胀系数、相膨胀系数、杨氏模量、密度，奥氏体化温度及Ms点和α，并以步骤S1中获得冷却过程的膨胀曲线的数据定义材料热应变、相变应变和相变过程的组织和应变行为，并定义材料为各向同性的几何材料；
S72、采用前处理软件对齿轮进行网格划分，将几何模型转化成有限元模型，并将网格导入仿真模拟软件中建立边界条件，将齿轮平放，在齿轮的底面作为受力面，同时垂直于地面加载重力，同时定义工况为930℃渗碳、800℃淬火；
S73、结合S71的材料模型和S72的有限元模型进行仿真分析，得到碳分布、组织分布、变形分布云图，使用测量工具对齿轮的特征部位进行测量，并计算出椭圆度、锥度、缩涨的变形数据。
步骤7所述建立材料模型，基于Thermal Prophet热处理专业软件，所用热物性参数以温度-碳含量-组织性能参数的函数形式输入。
在步骤S72中，网格划分采用Hypermesh软件，划分的方法包括自由网格划分、自适应网格划分、特征结构偏移、渗层网格分段控制、网格映射。
步骤8所述测量齿轮变形采用三维坐标扫描、数显游标卡尺，硬度测试采用维氏硬度计，组织含量测定采用XRD射线衍射分析结合Jade软件计算。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
针对需要进行渗碳淬火处理的金属材料，本方法不仅能测定与渗层同成分材料的马氏体相变动力学参数Ms点和动力学方程系数α，还能获得奥氏体化温度、热膨胀系数、奥氏体热膨胀系数、马氏体热膨胀系数、相变膨胀系数，丰富了20Cr2Ni4A材料数据库，提升了20Cr2Ni4A钢渗碳淬火模拟计算的准确性和精度，从而指导齿轮零件热处理变形控制。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明膨胀试样结构图；
图2分别是(a)20Cr2Ni4A、(b)40Cr2Ni4A、(c)60Cr2Ni4A、(d)80Cr2Ni4A、(e)100Cr2Ni4A双切线切线示意图及ΔL/L0-T曲线；
图3是20Cr2Ni4A测得的CCT曲线图；
图4是Ms拟合曲线图；
图5是α拟合曲线图；
图6是齿轮有限元网格图；
图7是齿轮渗碳淬火变形云图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1-7所示，本实施例提供一种测定齿轮钢渗层马氏体相变动力学参数的方法，具体步骤如下：
S1、将齿轮钢和碳一起熔炼成不同碳含量的试样，并加工成热膨胀测试标准试样，具体步骤如下：
S11、准备熔料，清洗后干燥，开炉前对各个系统进行检查，检查完毕后，清洗坩埚和两电极，干燥后开总闸，通入冷却水；
S12、打开机械泵，预热30min，保证设备稳定，预热后，开始抽真空；
S13、到达5×10-1Pa时关闭机械泵阀门，打开分子泵进行多次多级抽真空；
S14、抽至真空后通入氩气，进行2-3次洗气，再次抽至真空，充入氩气；
S15、将熔料放至坩埚上，转动手轮移动电极并与坩埚电极对齐，开高频电源，转动手轮进行电极接触引弧，引弧完成后分离电极，保持适当距离；
S16、转动手轮，以电弧熔炼熔料，多次移动电弧，防止过烧；熔炼时利用机械臂翻样，保证熔炼均匀；
S17、熔炼完成待样品冷却后，采用DF-100型光电直读光谱仪对熔炼后的试样材料进行检测，成分如下：
表1 XXCr2Ni4A钢的元素组成(wt％)
C Si Mn Cr Ni Mo Nb Al V
20Cr 0.1753 0.31291 0.51996 1.45815 3.30683 0.00177 0.00225 0.02156 0.05256
40Cr 0.3767 0.33724 0.50817 1.38136 3.4362 0.00114 0.0023 0.02514 0.01117
60Cr 0.56785 0.34571 0.51489 1.37053 3.4306 0.00133 0.00285 0.0266 0.00937
80Cr 0.76558 0.3633 0.51361 1.34669 3.42124 0.00161 0.0035 0.02555 0.00653
100Cr 1.01801 0.36287 0.52142 1.34395 3.40101 0.00139 0.00336 0.03236 0.00536
S2、将5组含碳量试样各8个放入Gleeble 3500热模拟机上进行热膨胀实验，具体步骤如下：
S21、将0.2％C、0.4％C、0.6％C、0.8％C、1.0％C的5组样品制成φ3mm×10mm圆柱试样，将热电偶点焊在试样中间，并用铜夹具夹住试样两端，将其放入试样机内，通过卡具和滑块将铜夹具固定住；
S22、将径向膨胀仪卡住热电偶所在的截面上，测量试样均温区的径向变形量；对被测定试样通以电流，以试样本身的电阻加热；在Gleeble热模拟机上加热到880℃，保温600s，保温后分别以不同冷速(17.2℃/s、8.6℃/s、4.3℃/s、1.72℃/s、0.86℃/s、0.28℃/s、0.14℃/s、0.06℃/s)冷却至室温，用自动记录仪记录冷却过程试样膨胀量随温度的变化(Δd-T)曲线；
S3、根据热膨胀曲线获得马氏体相变温度Ms、奥氏体热膨胀系数、马氏体热膨胀系数、马氏体相膨胀系数，并绘制CCT曲线，具体步骤如下：
热膨胀系数物理意义为温度每升高或降低1K，试样单位长度的变化量，可由以下公式计算：
式中，α为热膨胀系数，d为热处理后直径，d0为热处理前直径，△T为温度增量，△d为直径增量。
S31、将膨胀曲线除以原始直径处理成膨胀率(Δd/d0-T)曲线，在膨胀率曲线上以双切线法作出交点确定相变Ms；作出与膨胀率曲线上端的切线，由上式知即为奥氏体热膨胀系数αA；作出膨胀率曲线下端切线，即为马氏体热膨胀系数αM，此时切线与纵轴的交点可认为0℃时马氏体完全转变，即奥氏体转变为马氏体引起的体积变化率，截距即为0℃的马氏体相膨胀系数
由此可得到任一温度T下奥氏体转变成马氏体相膨胀系数
S32、通过作膨胀率曲线双切线可得到以下的相变参数：
表2 XXCr2Ni4A膨胀实验计算结果
S33、将不同冷却过程的试样镶嵌、打磨、抛光、4％硝酸酒精溶液腐蚀，采用金相显微镜和扫描电镜观察组织形貌，并确定马氏体转变临界冷速；结合膨胀率曲线绘制0.2％C、0.4％C、0.6％C、0.8％C、1.0％C连续冷却过程CCT曲线；
S4、将步骤S3中计算的Ms和相变动力学参数α分别在坐标轴中进行描点，以温度为横坐标，Ms和α分别为纵坐标，分别使用线性拟合出Ms和α随碳含量的变化关系如下：
Ms＝419-360C
α＝0.02841-0.00613C
S5、建立渗碳淬火过程的有限元模型和数值计算的步骤如下：
S51、使用有限元模拟软件建立渗碳淬火过程的齿轮模型和材料模型，并对建立的材料模型定义马氏体和奥氏体的泊松比、热膨胀系数、相膨胀系数、杨氏模量、密度，奥氏体化温度及相变Ms和相变动力学方程系数，并以步骤S1中获得冷却过程的膨胀曲线的数据定义材料热应变、相变应变和相变过程的组织和应变行为，并定义材料各向同性的几何材料；
S52、采用前处理软件对齿轮进行网格划分，划分的方法包括自由网格划分、自适应网格划分、特征结构偏移、渗层网格分段控制、网格映射，为提升模拟计算的精度，网格类型选用全六面体的形式；同时保证计算收敛，根据GB/T33582-2017《机械产品结构有限元分析通用规则》检查网格质量；
将网格导入仿真模拟软件中建立边界条件，将齿轮平放，在齿轮的底面作为受力面，同时垂直于地面加载重力，同时定义工况为930℃渗碳、880℃淬火；
S53、结合S51的材料模型和S52的有限元模型进行仿真分析，得到碳分布、组织分布、变形分布云图，使用测量工具对轮齿的特征部位进行测量，并计算出椭圆度、缩涨等技术要求指标；
材料模型建立基于Thermal Prophet热处理专业软件，数据定义采用温度-碳含量-组织性能参数的函数形式；
对上述有限元模型进行分析，得出组织、变形分布云图，如图所示，采用路径曲线(pathplotting)和距离测量工具(distance)对轮齿组织和变形进行数据提取，计算结果如表3；
测定渗碳淬火后齿轮的变形，采用三维扫描，测定齿轮椭圆度、缩涨；对齿轮取样，镶嵌、打磨、抛光、腐蚀后进行金相显微观察，同时制样采用XRD进行物相鉴定，并通过Jade9.0提取衍射线强度，对马氏体和奥氏体含量进行计算。检测结果如表3：
表3齿轮实验结果
实验结果与模拟值高度吻合，证明了齿轮钢渗层马氏体相变动力学参数测定的准确性。

Claims (10)

1.一种测定齿轮钢渗层马氏体相变动力学参数的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采用真空电弧炉熔炼与齿轮钢其它元素含量相同，碳含量分别为0.2％、0.4％、0.6％、0.8％、1.0％的5组试样，将熔炼后的材料制成圆棒试样，并在一端加工出圆形槽，便于夹具夹持；
S2、用夹具夹住试样，并将热电偶焊接在试样中间，把试样放入Gleeble 3500热模拟实验机内，将膨胀仪卡住标准试样中心的加热部位，测量均温区径向变形量，设置加热温度并经奥氏体化后以不同的冷速冷却，仪器将自动记录不同冷速下的温度、膨胀量数据，得到温度-膨胀量曲线；
S3、将膨胀曲线处理成温度-膨胀率曲线，采用切线法确定5组试样的Ms点，奥氏体膨胀系数αA、马氏体热膨胀系数αM、相膨胀系数；
S4、采用X射线衍射法对热膨胀试样马氏体和奥氏体含量进行测定，根据K-M模型，获得马氏体转变动力学系数α；
S5、测定步骤S2中试样中间位置维氏硬度，并采用金相显微镜观察组织形貌，结合步骤S2中Ms点确定马氏体临界冷速，并绘制CCT曲线；
S6、将步骤S3中计算的Ms点和马氏体相变动力学参数α分别在坐标轴中进行描点，以碳含量为横坐标，Ms和α分别为纵坐标，分别使用线性拟合出齿轮钢渗层马氏体相变温度与含碳量和冷速之间的关系；
S7、建立材料模型，将步骤S3得到马氏体相变动力学参数和CCT曲线及材料的杨氏模量、泊松比和密度参数作为材料模型参数，并建立齿轮有限元模型，模拟渗碳淬火过程齿轮的碳浓度、组织、变形分布；
S8、测量齿轮变形并取样检测，包括硬度、组织含量。
2.根据权利要求1所述的一种测定齿轮钢渗层马氏体相变动力学参数的方法，其特征在于，步骤S1所述真空电弧炉熔炼的具体步骤包括：真空熔炼前对熔料清洁去污，清洗坩埚和两极后干燥，通入冷却水，打开机械泵预热后抽至低真空度；打开分子阀，分级多次抽气，随后通入氩气洗气3次；熔炼过程，摇动手轮控制电极，启动高频电源进行引弧操作，利用电弧熔炼熔料。
3.根据权利要求1所述的一种测定齿轮钢渗层马氏体相变动力学参数的方法，其特征在于，在步骤S1中，每组不同碳含量下的试样准备8个，分别在Gleeble3500热模拟实验机上加热温度到Ac3/Ac1以上50℃，加热速度1℃/s，保温时间600s，保证充分奥氏体化。
4.根据权利要求1所述的一种测定齿轮钢渗层马氏体相变动力学参数的方法，其特征在于，在步骤S2中，奥氏体化后以17.2℃/s、8.6℃/s、4.3℃/s、1.72℃/s、0.86℃/s、0.28℃/s、0.14℃/s、0.06℃/s进行冷却，同时记录试样中心径向膨胀量-温度曲线。
5.根据权利要求1所述的一种测定齿轮钢渗层马氏体相变动力学参数的方法，其特征在于，将步骤S2测完的试样进行镶嵌、打磨、抛光，并采用4％的硝酸酒精溶液腐蚀，在金相显微镜下观察组织形貌，并在维氏硬度计上进行硬度表征；在步骤S3中，在膨胀曲线上以双切线法作出交点确定Ms点；作出与膨胀曲线上端的切线，由上式知即为奥氏体热膨胀系数αA；作出膨胀曲线下端切线，即为马氏体热膨胀系数αM，此时切线与纵轴的交点可认为0℃时马氏体完全转变，即奥氏体转变为马氏体引起的体积变化率，截距即为0℃的马氏体相膨胀系数
由此得到任一温度T下奥氏体转变成马氏体相膨胀系数
在步骤S3中，结合步骤S2绘制0.2％C、0.4％C、0.6％C、0.8％C、1.0％C含碳量试样的连续冷却过程CCT曲线。
6.根据权利要求1所述的一种测定齿轮钢渗层马氏体相变动力学参数的方法，其特征在于，在步骤S4中，测定马氏体和奥氏体含量的方法为，将5组共40个试样取样切割，打磨，抛光后采用XRD对试样进行物相鉴定，并通过Jade 9.0提取衍射线强度，对马氏体和奥氏体含量进行计算。
7.根据权利要求1所述的一种测定齿轮钢渗层马氏体相变动力学参数的方法，其特征在于，步骤7所述建立材料模型，具体步骤如下：
S71、使用有限元模拟软件建立渗碳淬火过程的齿轮模型和材料模型，并对建立的材料模型定义马氏体和奥氏体的泊松比、热膨胀系数、相膨胀系数、杨氏模量、密度，奥氏体化温度及Ms点和α，并以步骤S1中获得冷却过程的膨胀曲线的数据定义材料热应变、相变应变和相变过程的组织和应变行为，并定义材料为各向同性的几何材料；
S72、采用前处理软件对齿轮进行网格划分，将几何模型转化成有限元模型，并将网格导入仿真模拟软件中建立边界条件，将齿轮平放，在齿轮的底面作为受力面，同时垂直于地面加载重力，同时定义工况为930℃渗碳、800℃淬火；
S73、结合S71的材料模型和S72的有限元模型进行仿真分析，得到碳含量、组织分布、变形分布云图，使用测量工具对齿轮的特征部位进行测量，并计算出椭圆度、锥度、缩涨的变形数据。
8.根据权利要求1所述的一种测定齿轮钢渗层马氏体相变动力学参数的方法，其特征在于，步骤8所述测量齿轮变形采用三维坐标扫描、数显游标卡尺，硬度测试采用维氏硬度计，组织含量测定采用XRD射线衍射分析，结合Jade软件计算。
9.根据权利要求1所述的一种测定齿轮钢渗层马氏体相变动力学参数的方法，其特征在于，步骤7所述建立材料模型，基于Thermal Prophet热处理专业软件，所用热物性参数以温度-碳含量-组织性能参数的函数形式输入。
10.根据权利要求7所述的一种测定齿轮钢渗层马氏体相变动力学参数的方法，其特征在于，在步骤S72中，网格划分采用Hypermesh软件，划分的方法包括自由网格划分、自适应网格划分、特征结构偏移、渗层网格分段控制、网格映射。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116611204B (zh) * 2023-03-23 2023-10-20 哈尔滨工业大学 一种模拟含纳米孔洞的钢组织中马氏体相变的分子动力学建模方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101871899A (zh) * 2010-06-22 2010-10-27 天津钢铁集团有限公司 钢铁材料控冷cct曲线测定方法
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1469503A (fr) * 1965-10-15 1967-02-17 Fuji Electronic Ind Co Procédé et appareil pour la mesure des différentes caractéristiques de transformation des matériaux métalliques
CN111222280B (zh) * 2020-01-17 2023-10-20 中国科学院金属研究所 一种高合金超高强度钢焊接升温过程中相份数的计算方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101871899A (zh) * 2010-06-22 2010-10-27 天津钢铁集团有限公司 钢铁材料控冷cct曲线测定方法
CN111189873A (zh) * 2020-01-14 2020-05-22 昆明理工大学 一种测定低碳低合金钢cct曲线的方法

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