（材料加工工程专业论文）热连轧船体用钢e36热变形行为研究.pdf

摘要 通过热连轧方式生产中厚板是顺应钢铁材料生产工艺发展规律、适应市场发展需要的 一项积极尝试，本文基于此目的进行了相关的研究和探索。 轧制过程中的轧制压下分配、温度控制、变形规律、组织演化等决定了钢材最终的力 学性能。研究轧制过程中的流动应力行为和再结晶行为变化是控制钢材成品质量和性能的 关键内容之一，本文以实验室热模拟实验为基础，通过相应的结果分析建立相关的数学模 型，预测产品的在轧制过程中的热变形行为和组织演化规律，为实际生产提供依据。 本文主要结合e 3 6 船板的生产实际，通过实验室综合模拟实验，研究了其在热连轧生 产方式下的热变形行为，在实验基础上建立了流动应力模型；同时研究了热变形过程中的 再结晶行为规律，结合生产实际，对影响再结晶行为的变形温度、变形速率、轧制间隙时 间等因素进行了分析研究，为在热连轧生产线上生产此类产品提供依据。 关键字：流动应力：再结晶；数学模型 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i ti saa c t i v ew a yt op r o d u c em e d i u mp l a t ei nh o tc o n t i n u o u sr o l l i n gw h i c hi sc o m p l i e dw i t h s t e e lm a t e r i a l sp r o d u c t i o nt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tr e g u l a r i t y , a d a p tt ot h em a r k e td e v e l o p m e n t n e e d sa n dt h et e x ti sb a s e do nt h i so b j e c t i v et od ot h er e s e a r c ha n de x p l o r a t i o n t h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o n , t e m p e r a t u r ec o n t r o l ，d e f o r m a t i o nr e g u l a r , o r g a n i z a t i o ne v o l u t i o n a n do t h e rf a c t o r sd e c i d et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs t e e le v e n t u a l l y s t u d yf l o ws t r e s sb e h a v i o r a n dr e c r y s t a l l i z a t i o nb e h a v i o rc h a n g ei nt h er o l l i n gp r o c e s si sk e yc o n t e n ti nc o n t r o l l i n gt h e f i r f i s h e dp r o d u c tq u a l i t ya n dp e r f o r m a n c e t h et e x ti sb a s e do nt h et h e r m a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e t ， b ym e a n so fr e s u l t sa n a l y s i st ob u i l dm a t h e m a t i c a lm o d e l , p r e t e x tt h e r m a ld e f o r m a t i o nb e h a v i o r a n do r g a n i z a t i o n a le v o l u t i o no ft h e p r o d u c ti nt h er o l l i n gp r o c e s sa n ds u p p l yb a s i sf o r p r o d u c t i o n c o m b i n e d 谢n lt h e a c t u a lp r o d u c t i o no fe 3 6 ，t h r o u g h i n gc o m p r e h e n s i v es i m u l a t i o n e x p e r i m e n tr e s e a r c hi nt h el a b o r a t o r y , d ot h es t u d yo f t h e mi nt h eh o tc o n t i n u o u sa n db u i l df l o w s t r e s sm o d e lo nt h eb a s i so fe x p e r i m e n t s t u d yr e e r y s t a l l i z a t i o nb e h a v i o rr e g u l a rc o n n e c t e d 、聃廿l t h ep r o d u c t i o np r a c t i c e , a n a l y s i sf a c t o r st os o f t e n i n gb e h a v i o rl i k ed e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e , d e f o r m a t i o nr a t e ，t i m es p a ni nt h er o l l i n gp r o c e s s ，t op r o v i d eb a s i st op r o d u c t i o nl i n ef o r p r o d u c i n gs u c hp r o d u c t k e y w o r d ：f l o ws t r e s s ；r e e r y s t a u i z a t i o n ；m a t h e m a t i cm o d e l 第一章文献综述 1 1 课题来源及研究意义 随着国民经济的发展，桥梁建设、船舶制造等行业的钢材需求，特别是中厚板需求 量不断上升。由此带来的是国内相关生产线的不断增加、产能的急剧扩大，进而引起激烈 的同质化竞争，造成了需求旺盛、交易量大但总体效益不断下降的不良现象。在市场需求 继续保持良性增长的基础上，为改变当前不利局面，国内一些钢铁企业在中厚板生产方式 的突破方面进行了多方面的积极探索，其中用热连轧线生产中厚板是最具前瞻性和现实意 义的发展方向之一。 通过热连轧线生产中厚板产品是对传统中厚板生产方式的重大突破，在保证产品质量 的前提下，基于热连轧机多机架连续轧制系统，液压a g c 系统，冷却控制系统，合适的卷 取装置等，可以显著提高其生产效率，进而提高其综合效益，提升该类产品的市场竞争力。 但是热连轧线轧机与传统中厚板轧机存在着明显差别，热连轧线轧制速度快、间隙时间小， 轧制过程组织演变复杂，板型控制难度大，这些特点增加了用该生产线生产中厚板的难度， 也是热连轧一直未能完全替代中厚板生产线的主要原因、为保证热连轧线生产中厚板工艺 的顺利实现，提高该生产方式的成材率和成品综合质量。有必要通过充分的理论研究和轧 制过程模拟实验，分析和预测轧制过程中的热变形行为和组织演变规律，以确定合理的控 制参数，为实际生产工艺控制提供依据。 本文在以热连轧生产实际为基础，通过单道次和双道次压缩实验，研究了轧制过程中 的流动应力变化规律和再结晶行为规律，建立了包含较全面影响因子的预测模型，为中厚 板过程中的生产节奏控制、温度控制、速度控制提供必要的依据。 1 2 船板e 3 6 的现状分析 1 2 1 船板的成分及性能指标 船板用钢分为一般强度钢和高强度钢两类，一般强度钢分为：a 、b 、d 、e 四个质量等 级，高强度钢分为三个强度级别，四个质量等级：a 3 2 、d 3 2 、e 3 2 、f 3 2 ，a 3 6 、d 3 6 、e 3 6 、 f 3 6 ，m 0 、d 4 0 、e 4 0 、f 4 0 。 e 3 6 属于高强度钢中等强度级别，国标要求化学成分( 其中a l s 为最小值，其他元素为 最大值) 及组织性能如下： 表1 1e 3 6 化学成分( ) 微合金船板钢e 3 6 须具备较高的强度，低温冲击性能和焊接性能【1 1 。具体要求为屈服 强度不小于3 5 5 m p a , 抗拉强度在4 9 0 6 3 0 m p a 之间，断后伸长率不小于2 1 ，在成品厚度 小于5 0 m m 时，纵向、横向冲击功分别为3 4 j 和2 4 j ；成品厚度5 0 7 0 m m 时纵、横向冲击 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 功为4 l j 和2 7 j ，当成品厚度大于7 0 m m 时，纵横向冲击功分别为5 0 j 和3 4 j 。成品采用控 制轧制状态或热轧态交货。 1 2 2 船板e 3 6 的工艺现状及问题 随着工艺装备水平的不断提高和市场竞争的日益激烈，传统的控制轧制+ 正火的生产 工艺加重了企业的成本，不利于经济效益的提升。当前，通过严格控制钢中化学成分，合 理设定每道次压下量及轧制速度，控冷时采用上下集管层流水均匀冷却，即控轧控冷、去 除正火的工艺成为主流工艺方案。各厂家通过控轧控冷和微合金化技术生产的e 3 6 成品已 通过中国、日本、韩国、英国等多家船级社的实践工厂认可【1 3 】采用微合金化、提高钢 的纯净度，以及优化控轧控冷工艺成为当前设计研究e 3 6 的主要方案【4 l 。目前普遍采用的 是两阶段控制轧制，即采用再结晶区控制轧制和未再结晶区控制轧制对e 3 6 进行生产。此 方式下理想状态是再结晶区累计变形量在7 0 以上，未再结晶区5 0 以上。但出现的问 题是在轧制5 0 m m 以上的船板时，产品的强度和冲击性能往往不能满足要求。对于这样 的问题，国内的文献中提出的是采用较低的加热温度( 1 2 0 0 1 2 4 0 ) ，均热温度 ( 1 1 9 0 1 2 3 0 c ) ，加热时间( 3 5 4 o h ) 和终冷温度( 6 5 0 - 6 0 0 c ) 来控制产品的最终组织 使之成为贝氏体【5 1 ，同时配合正火处理( 9 1 0 _ _ 2 0 c ) ，适当增加微合金含量来改善钢板 的强度和韧性【6 】，该生产工艺研究也成为很多钢铁企业的研究重点。 对于高强度钢生产中较常出现的质量不够稳定，应力集中，性能偏差大等问题，通常 采用的是通过单双道次压缩实验，在不同的变形条件下分析实验钢的变形抗力与各变形参 数的关系以及动态再结晶和静态再结晶行为，分析变形量、变形速度、变形温度、轧制间 隙时间等参数和再结晶及组织的演变之间的规律，调整轧制过程中各参数以提高产品综合 性能【7 埘。 1 2 3 船板钢生产方式及改进 e 3 6 高强度船板一般由中厚板生产线生产，中厚板车间的布置形式通常有两种形式， 即单机架和双机架布置。 从原料到成品均在一架轧机上完成的轧制方式称为单机架轧制。这种生产线短，投 资小，但生产节奏非常慢，并且粗轧、精轧阶段的压下量、轧制间隙时间分配得不好，造 成产品尺寸精度不高，质量稍差，目前世界上采用这种生产方式的主要是一些宽厚板厂家， 并且很多厂家都是在第一期建设中设一台轧机，对另外一台轧机的位置进行预留；双机架 是目前各厂家普遍采用的轧制线，它把粗轧和精轧分别分配在两个机架上独立完成，它的 产量高，尺寸精度、板型以及产品的表面质量都比较好。由于市场的需求，目前对厚板的 尺寸精度要求也越来越高，采用双机架轧制方式受到越来越多的厂家的青睐；并且某些时 候，对尺寸精度要求不高时，粗轧机还可以独立进行生产，非常灵活，当然双机架比单机 架在投资成本上会有所增加。通常的双机架轧制，在粗轧阶段采用的是两辊轧机或四辊轧 机，原来的单机架时采用的三辊劳特式轧机现在使用的越来越少。一般来说，采用两机架 辊身相同的轧机，但有些厂家采用粗轧机辊身稍大于精轧机辊身长度，这样的设置有助于 武这拄技太堂亟堂僮i 金童筮垒亟 生产长板坯的展宽使用【9 - 1 0 1 。 。 中厚板生产过程中有一些固有缺陷：如轧机规模受到多种因素的限制，轧机力度、自 动控制系统，冷床、剪切等设备与市场需求存在一定差距；此外，中厚板采用往复轧制， 速度慢，道次间隙时间长，这些因素都在一定程度上限制了中厚板产品的发展，其中轧制 规模成为阻碍中厚板产品量的突破的最重要原因之一。 用热连轧生产方式生产中厚板产品，国外很少有报道，国内也仅在2 0 0 8 年初有人提 出过这样的想法。目前热连轧生产的宽带钢已经达到2 5 r a m 的厚度，这也意味着有很大 一部分常用的中厚钢板可以在热连轧生产线上实现。实现2 5 m m 以上厚度的中厚板在热 连轧轧机上实现轧制是否有可能，是目前关注的问题所在，自涟钢2 2 5 0 生产线开始投产， 用热连轧的生产方式生产中厚板产品成为一些院校的老师和学生的探索重点，本文旨在研 究分析轧制过程中的流动应力和再结晶行为。通过热连轧生产方式生产中厚板产品，粗轧 阶段承担较多的工作，精轧阶段作业率较低，但总体产量和质量精度方面会高于传统轧制 方式。 1 3 物理模拟技术的发展 物理模拟究其字面上的解释就是通过实验室物理实验模拟真实物理过程的方法。 它的发展是与物理模拟装置的不断完善密切联系在一起的。美国是世界上最早在材 料和热加工领域采用物理模拟技术的国家。在第二次世界大战中，纽约州的伦赛乐 工学院的n i p p e s h e s 教授和s a v a g e 博士利用电阻加热法，成功再现了需求的焊接再循环 实验，并且温度控制在2 0 范围内，世界上第一台模拟实验机诞生了，以后被命名为 “g l e e b l e 一在这之后，他们又经过9 年的努力，研制了g l e e b l e - 5 0 0 型热模拟实验机，此 装置不仅可以模拟热循环，还可以模拟应力一应变循环，应用范围也从焊接领域发展到锻 造、轧制、铸造以及热处理、挤压、凝固等。随着计算机控制技术的发展以及测量系统和 机械装置的进步，各种型号如g l e e b l e = 1 0 0 0 ，g l e e b l e - 1 5 0 0 ，g l e e b l e - 2 0 0 0 等装置陆续登陆 市场，模拟精度和技术的应用水平也得到了很大提耐1 1 】。 我国从6 0 年代初开始研制热模拟装置，最早的一批研究单位有哈尔滨工业大学，天 津大学以及钢铁研究总院。其中哈尔滨工业大学通过将原先的接触焊机改装，模拟热循环 和热应变循环，该设备一直延用到1 9 8 3 年。天津大学也同样通过改装研制了可以记录热 循环曲线的八线示波器。沈阳金属研究所在吸收了前苏联等国家的热模拟实验机优点的同 时，积极创新，在6 0 年代末制造出国内第一台较为先进的热模拟装置。我国制造的第一 台功能较为强大、各项性指标均能达到实验要求的实验机是东北大学设计制造的 m m s 2 0 0 热力模拟实验机，该实验机推出后，得到了全国用户的认可。 金属塑性加工的模拟方法有物理模拟和数值模拟，数值模拟是用方程式来描述基本 参数的变化关系，获得对过程的定量认识。物理模拟是集材料学、传热学，以及力学、应 变场、温度场于一体的高技术综合模拟，它能反映出金属加工中复杂的关系，塑性变形同 温度变化、相变以及再结晶之间复杂规律，能揭示工艺过程的本质，准确的找到临界判断 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 依据，同时也是校验数值模拟的有效手段。 物理模拟有宏观和微观之分，本文所做的实验是针对微观组织方面的模拟实验，属于 探讨微观塑性变形和组织性能变化规律的微观研究。 1 4 控制轧制和控制冷却的发展历史 通过金属的加热制度、变形制度以及温度制度的综合控制，使热塑性变形和固态相变 相结合，获得较细小的晶粒组织，获得钢材最优的综合力学性能的一种轧制工艺，称之为 控制轧制。它主要是针对低碳微合金钢设计的，但目前在中高碳钢中也取得了很好的效果。 通过热轧条件如加热温度、轧制道次、轧制速度、压下量的最优化，人为使奥氏体状态的 相变过程有微细铁素体组织的调整，提高钢的强度、韧性等综合性能【1 3 d 4 】。 控制冷却主要是通过控制钢材轧后的冷却速度来改善钢材组织性能的一种方法。也就 是用高于空冷的速度使奥氏体从a f 3 以上温度降至相变温度区域，使铁素体晶粒进一步细 化。这是由于热轧变形的作用，使变形的奥氏体向铁素体的转变温度提高，铁素体晶粒容 易长大，对力学性能产生一定的影响。通过控制冷却工艺，细化铁素体晶粒，减小珠光体 片层的间距，同时阻止碳化物在高温下析出而达到提高析出强化的作用【i 孓1 7 】控制轧制和 控制冷却两种工艺相结合，两种强化效果相叠加，可进一步得到强韧性和力学性能的效果。 “控制轧制最初产生于第二次世界大战，荷兰、比利时等一些没有热处理设备的钢 厂为了提高钢的强度、韧性，采用了“低温大压下一的手段，即终轧温度控制在9 0 0 c 以 下，道次压下率控制在2 0 3 0 ，取得了良好的效果。随后美国和苏联的一些国家先后开展 了钢材的热处理工艺和钢材组织性能的关系，这些工作都为控制轧制和控制冷却的研究奠 定了良好的实践基础。6 0 年代初，英国斯文顿研究所定量研究钢中铁素体和珠光体的微观 组织和性能的关系，建立了霍尔佩奇关系式，表述了晶粒细化的重要性。此后，英国钢铁 协会进行了一系列通过降低碳含量提高钢材塑性和韧性的研究；通过添加n b 、v 、t i 获得 高强度钢的研究；利用n b 对奥氏体再结晶过程的抑制作用来研究细化奥氏体晶粒的各种 途径【1 8 - 2 0 】。在“低温大压下一思想下，人们致力于降低终轧温度，通过低的卷曲温度，消 除或减小板坯头、中、尾部的强度差。依据钢的连续冷却曲线，选择合适的冷却速度和卷 监温度，以便得到合适的带钢组织和性能。 2 0 世纪6 0 年代初，美国定性对奥氏体再结晶后发生的动力学变化作出了解说，即轧 制温度越低，轧后奥氏体再结晶晶粒越细小，这在一定程度上更合理的解释了控制轧制的 思想精髓。也就在6 0 年代初，我国进行控制轧制和控制冷却方面的研究，且取得了一定 的成绩。但随后由于一些历史原因这方面的工作被搁置了1 0 年，1 9 7 8 年开始，控制轧制 生产工艺作为一项重要的方向性课题重新回到研究室，特别是在国家的第六、第七个五年 计划中，被作为重点攻关项目被国家科技部和冶金部提了出来，各个高等院校、研究所以 及工厂都纷纷组织大量科技人员投入到控制轧制和控制冷却的研究中，研究内容包括变形 过程中奥氏体的再结晶、相变机制、碳氮化物的析出，微量元素的作用，强韧化措施等， 控轧控冷工艺一度成为热点，在新产品的开发研制中，也起到了巨大的作用。至此，我国 武这叠拉太堂亟堂僮论室箍5 更 的控轧控冷技术也达到了极高的水平，甚至接近国际标准【2 1 啦】。 根据塑性形变、再结晶和相变条件，控制轧制分为以下几个阶段：在奥氏体再结晶温 度以上，通过再结晶和变形交替进行来细化奥氏体晶粒，称为奥氏体再结晶区控制轧制。此 加工工艺最终的奥氏体晶粒2 0 - 4 0 u r n ，相变后铁素体2 0 u m 左右，由于铁素体尺寸的限制， 最终钢板综合性能改善不突出；在奥氏体未再结晶区控制轧制( 温度范围1 0 0 多度) 是在 奥氏体再结晶开始温度到a t 3 以上进行轧制，这个温度范围窄，只有添加了铌钒钛等微合 金元素，由于他们对再结晶其抑制作用，扩展了奥氏体再结晶区的钢种才更适合在此方式 下进行轧制。一般是采取两阶段控制轧制时的第二阶段，通过低温大变形，也可以高温小 变形，保证总变形量3 0 5 0 ，轧件厚度在成品厚度1 5 2 倍之间即可满足进入奥氏体未再 结晶区轧制条件；两相区控制轧制是a r 3 以下奥氏体和铁素体两相区的温度范围内进行轧 制时，此方法的优点是强度和低温韧性提高，劣势是材料的各向异性大，常温冲击韧性降 低，且变形温度低，变形抗力大，只有少数特殊要求的轧材才采用；最后是铁素体区控制 轧制，此方法适合碳含量在0 0 4 以下的超低碳钢和铝镇静钢，并且轧件进入精轧前，必 须完成奥氏体向铁素体的转变，使精轧温度完全在铁素体区范围内完成。轧后组织是粗大 的铁素体，硬度低、屈服强度，抗拉强度均较低低，但塑性非常好。 1 5 热轧过程中的物理冶金过程及数学模型的演变发展 当连铸坯进入加热炉中，奥氏体晶粒不断长大，出炉后，在轧制过程中，随着轧制变 形量的增大，位错密度不断升高，发生加工硬化；而变形是在高温下进行的，变形过程中 产生的位错通过攀移和交滑移被抵消一部分，或者重新进行排列，当重新排列达到一定程 度，将会形成比较清晰的亚晶组织，这种位错数量和结构的变化称为动态回复，在变形过 程中，位错的增殖速度和变形量无关，而其消失速度却与位错密度的绝对值有关，随着变 形量的增大，位错密度增大，位错消失的速度也不断增大，加工硬化逐渐减弱，但总的来 讲，在这个过程中加工硬化超过动态软化，原来的等轴晶被拉长了【2 3 1 。 在第一阶段由于动态软化抵消不了加工硬化过程，随着变形量的增加，当金属内部 即便到一定程度时，变形的奥氏体晶粒将发生重组，产生新的晶粒的过程称为动态再结晶； 这时拉长的晶粒逐渐被新的等轴晶粒所代替，随着应变的进一步增加，动态再结晶的速度 加快，直到达到完全再结晶。由于热加工过程中的加工硬化是在任何阶段都不能完全消除 的，由此造成了奥氏体组织结构的不稳定。在轧制道次的间隙时间内或者加工后的奥氏体 缓冷区，奥氏体继续发生变化以期达到稳定的组织状态的过程称之为静态回复和静态再结 晶，在轧制间隙时间内再结晶完成，则继续发生晶粒长大，如果再结晶不能完成，则产生 部分再结晶，同时也造成部分应变保留到下一道次，每一道次和间隙奥氏体组织都发生这 样的变化，同时对下一道次产生影响。 由于研究方向、技术目的、研究方法以及针对产品不同，热轧过程的物理冶金数学模 型很多，几乎每个研究小组都有自己的模型，因此选择参考模型时，要综合考虑多方面的 因素，不能乱套用公式，造成研究结果偏离实际。大体的研究方向有热力学、动力学、基 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 于实验数据在已有参考模型的基础上做多元线性回归、拟合，开发计算机程序进行模拟； 针对轧制过程各阶段奥氏体晶粒变化分析奥氏体组织的状态变化过程。热轧过程中的物理 冶金现象由图1 1 作简要说明。 晶粒长大 图1 1 轧制过程中奥氏体组织变化 1 5 1 热轧过程中的流动应力 在塑性加工流动应力被用来描述材料的特性，无论是求解塑性加工中施加的力还是 求解变形区中的应力场或速度场，都要计算材料的流动应力。 在热加工过程中，通常用口一占曲线来反映材料的流动应力。流动应力主要由以下因素 控制，包括加工硬化过程、回复和再结晶软化过程。具体的影响因素有变形温度、变形程 度、变形速度，当然材料本身的化学成分和结构也是不容忽视的。首先材料本身的化学成 分和结构从根本上决定了流动应力的大小；变形温度对流动应力来说是个比较敏感的影响 条件，随着变形温度的升高，流动应力呈下降的趋势；变形程度增加，流动应力也会相应 增加；同时，变形速率对流动应力也会有很大的影响，一般在单道次实验中，随着变形速 率的增加，流动应力也会增加，但在双道次实验中，在达到静态再结晶条件时随着变形速 率的增加，流动应力会降低。 对于流动应力的研究，大致经历了以下几个阶段： 在2 0 至4 0 年代，人们普遍采用的流动应力模型是仃= 厂( 揣，n ，但由于当时的实验条 件的限制，特别是实验速度过低，计算出的轧制压力比实际的结果偏低很多。 4 0 年达后期至5 0 年代，流动应力的主要模型形式为仃= 厂( x ，t ，；) ，考虑了应变速率 对流动应力的影响，并且有了专门用于实验的高速实验机，这时的流动应力计算值的精度 有了非常大的提高f 2 4 1 。 5 0 年代以后的研究，主要集中在变形程度对流动应力的影响上，流动应力模型也变成 了o r ：厂( x ，t ，；，g ) ，但对于化学成分对流动应力的影响，还不具备一整套系统的模型， 往往是就各个钢种分别制定模型2 5 1 。 盛这叠技太堂亟堂僮i 金室箍2 页 此后，人们对这一时期的工作作了总结，其中有代表性的是： 1 9 5 7 年，美国p m 库克针对1 2 个钢种在塑性仪上测定得出的结果，应力应变曲线出 现了峰值应力以后的下降段； 1 9 5 9 年，前苏年a a 金尼克针对1 5 种钢发表的流动应力模型【1 7 1 ； 1 9 5 5 年到1 9 6 6 年期间，日本方面在这方面作了很多工作，总结出了美板佳助和志田 茂公式。 我国在1 9 6 3 年以后，对于流动应力模型的研究工作开展的也比较好，一些学术文献 包括周继华等发表的流动应力模型，由北钢学报、钢铁、金属学报期刊进行出版； 张作梅等人通过国外设备进行研究得出的3 种钢的流动应力模型，这些文献均在金属学 报上发表；后来周继华等总结多年的实践经验，出版了金属塑性变形阻力一书，其 中有1 0 0 多种钢种的模型，这对后来的研究工作起到了很好的指导作用。武汉科技大学的 赵家蓉和程晓茹老师在这方面也作了很多研究工作，总结出了流动应力模型f 2 6 1 。 目前，测定流动应力普遍使用的是热模拟实验机，测定单道次、双道次以及多道次下 的流动应力应变数据，寻找到适合拟合数据的o r f 仃一f 模型。 以下为一些比较有代表性的高温流动应力模型： a n d e r s o n 方程： 实验钢种：c m n 钢，低碳铝镇静钢 实验条件：变形速率4 肚0 0 1s 1 变形温度1 1 2 3 1 3 7 3 k 方程： z = e e x p ( q 珂r t ) = a s i n ( a a ) 4 g = a e x p ( - q 一r 乃s i i l ( 口盯) 4 式中，r 、v 、a 分别为气体常数， q 矿为变形激活能。 公式( 1 1 ) 与体积和材料有关的常数； r w e v a n s 方程： 实验材料：含碳量分别为0 0 4 4 ，0 1 2 2 的两种钢 实验条件：应变速率4 0 _ - o 0 0 1 s 。1 变形温度11 2 3 - - 1 3 7 3 k 方狡占p = 0e x p ( 鲁) 鳓= 等+ 1 2 5 p d h o d g s o n 方程： 公式( 1 2 ) 实验材料：n b - t i 低合金钢 实验条件：( 单道次) 1 2 5 0 保温5 m i n 至1 1 5 0 ，e = 0 3 ，取不同实验值 笙璺蔓一 武汉科技大学硕士学位论文 一一： ： ：= ：= 二： ( 双道次) 1 2 5 0 保温5 m i n 至1 0 0 0 c ，e = 0 3 ，模拟五道次变形 方程：吒= 詈s i ( ( 钢板) 公式( 1 3 ) 式中，口= l x l 0 - 8 ，a = 5 x 1 0 1 2 ，p = 5 ，n - - 0 2 吒= + ( 一0 0 ) 1 一e x p ( 一饵) r ( 带钢) = 刍( 1 1 1 _ 导堋 吼= 刍( 1 n 4 品俐) 其中仃= 4 1 6 x 1 0 p a ，q = 3 5 0 0 0 0 j m o l ，a = - 2 8 ，r - - - 4 3 8 ，口n = 6 0 6 1 0 - 7 p a ， a = - 0 0 2 ，m ：o 4 ，c ；+ q l n z 经过人们不断的研究和总结，现在普遍使用的公式： z c n e r - h o l l o m o n 与变形温度和应变速率在等温变形条件下的关系式如下醐： z = 8 e x p ( q d r 乃 式中，t 取绝对温度k 同时通过关系式【1 2 _ 1 3 1 z = a e x l 玎b o r , ) 式中，a 、b 均为常数 通过公式( 1 8 ) 和公式( 1 9 ) 建立如下关系式： g e x p ( q d r d = a e x p ( b o r ) 整理后得到峰值应力公式： 咋= 丢h 4 熹一去h 彳 公式( 1 4 ) 公式( 1 5 ) 公式( 1 6 ) 然后在应变速率和变形温度一定时，分别对i t , l l l s 求偏导，得到： 幺删器己 怵 ， 1 a ( 仃。) 一= = 2 一 召a ( 1 n 毒) r 公式( 1 8 ) 通过以上的数据，分别建立峰值应力，峰值应变，临界应变以及问题应变与z 的关系式， 同时通过两段式应力公式( 1 9 ) 和数据回归出c , c 1 ，得到应力模型： r 号。t 毒e x p c l 一号，r f s 一iq 勺 f s j 【i 一也一小啦旁 ， 1 5 2 轧制过程中动态软化和动态再结晶模型 1 ) 热轧形变中的动态软化 热轧是在钢的奥氏体区进行的，在较高的轧制温度下，奥氏体的变形同时伴随着回复 和再结晶，由于这两种过程是在轧制变形过程中产生的，称之为动态回复和动态再结晶。 这两个过程造成组织软化，它们受变形温度、变形量和变形速率等各种因素的影响，而热 加工过程中另一重要的过程是加工硬化，这三者交互影响的过程决定了各种形状不同的流 动应力应变曲线。 图1 2 为典型的热加工图。在开始变形量比较小的时候，随着变形量的增加，流动应 力也呈增加趋势，直到达到最大值( 占，口p ) ；在峰值之后，随着变形量的增加流动应力 逐渐减小；当变形量继续增加至( g 。，仃。) ，此时流动应力在某一固定数值仃。附近保持 恒定，( g 。，盯。) 点标志着动态再结晶的完成。 流 动 应 力 c r 错 加 夏应燹暑 图1 2 热加工示意图 在0 到s 。过程为加工硬化过程，在这一过程中，流动应力随着变形量的增加而不断增 加，位错密度不断增高，但在高温下，位错也通过交滑移和攀移运动而被抵消一部分，随 着加工变形量的增大，加工硬化速度减弱，但总体上加工硬化超过动态软化。 在s 。到占。阶段为部分再结晶区域，随着变形量的增加，金属内部畸变达到一定程度， 变形的奥氏体产生新晶粒，奥氏体晶界由等轴状的动态再结晶晶粒组成。 变形量超过占。之后，奥氏体处于完全动态再结晶状态，此时水平状态的流动应力曲线 表示此阶段再结晶软化和加工硬化达到了动态平衡，当流动应力曲线间断式呈波峰波谷状 态是奥氏体发生周期性动态再结晶，在此过程中，加工硬化和动态软化依次占据主导作用。 在研究动态再结晶过程中一个很重要的工作就是确定临界变形量，因为临界变形量是 第l o 页武汉科技大学硕士学位论文 动态再结晶发生的一个标志点，当实际的变形量超过这个值时，动态再结晶才有可能发生。 在热轧过程中，由于变形温度、间隙时间等因素的影响，静态再结晶和亚动态再结晶会被 抑制，由此导致的应变累积达到动态再结晶的临界应变，从而发生动态再结晶。在实验中， 临界应变一般取峰值应变的0 8 倍。具体的公式如下【2 8 。2 9 】： z = s e x p ( 导t ) 勺= 彳掰z 1 8 c = c p 式中，z 为速率温度补偿因子( z e n e r - h o l l o m o n ) ； 占p 第一次应力峰值 d o 为奥氏体原始晶粒尺寸 g 。为动态再结晶临界应变 q 为动态再结晶激活能 公式( 1 1 0 ) 公式( 1 1 1 ) 公式( 1 1 2 ) r 为气体常数，通常取8 3 1 j t o o l c 为比例常数通常取0 8 ，普遍范围为o 6 _ o 8 5 a ，n ，m 均为常数 对于临界应变的确定，有的人持不同看法，有些人认为化学成分对再结晶临界应变的 影响更大，特别是含铌钢【3 0 1 。当 0 0 3 ， 公式( 1 1 3 ) 、( 1 1 4 ) 两式的计算结果趋于相同。 f 争= 0 5 7 7 a ( n b ) + l 1 9 烈舫) 2 一 导= 0 9 1 3 2 9 叫扬) + 2 5 双硒) 2 q 公式( 1 1 3 ) 公式( 1 1 4 ) fz = y l ( a ) = 以矿 ( c r = 0 1a e = o 5 宰岛木( 1 一五) 1 i l 五 将z 参数代入公式( 3 7 ) 一( 3 9 ) 式，得出峰值应力、 峰值应变及 公式( 3 7 ) 公式( 3 8 ) 公式( 3 9 ) 公式( 3 1 0 ) 公式( 3 1 1 ) 稳态应变与变形速 喜v，耄 率、温度之间的关系式如下： t r p = 14 6 2 5 3 ( 1 nb + 百4 1 2 8 卜4 4 7 4 4 6 8 = o o s 5 6 ( h a k + 百4 1 2 8 ) 一1 5 4 7 l q = l 1 5 2 6 1 ( i n b + 百4 1 2 8 ) 一3 4 0 7 6 5 3 公式( 3 1 2 ) 公式( 3 1 3 ) 公式( 3 1 4 ) 将公式( 3 1 2 ) ( 3 1 4 ) 代入公式( 3 11 ) ，结合实测1 1 0 0 时的应力应变数据，回归 出c 值为0 3 8 5 ，c i 为2 8 0 3 1 。回归曲线如图3 7 。 图3 7 - a 实验钢的c 的回归求解 得出两阶段应力应变模型为： ；：【- 竽- - e x p ( 1 一j 】o 粥一= i 一一厂。 a ，嚣， b i 宅- 叁 b i b 甚 c 童一争一禹 图3 7 b 实验钢的c l 的回归求解 s ，。 一+ ( t r p - o , ) e x p 2 8 0 3 l ( p - 睾一旁 矧3 朋， 应力应变模型是基于a 5 数据建立的，选取除a 5 以外数据( 其中a 3 ，a 6 只采用公式 ( 3 1 5 ) 前半部分占s 巳公式) 与验证模型。 图3 8 - aa 1 实测值与预测值对比曲线 图3 8 - ba 2 实测值与预测值对比曲线 第2 8 页武汉科技大学硕士学位论文 图3 8 - ca 3 实测值与预测值对比曲线图3 8 _ da 4 的实测值与预测值对比曲线 1 瓣 ，拍 o 薹柏 _ 的 荟7 0 豸 翰 拍 图3 8 - ea 6 实测值与预测值对比曲线图3 8 - fa 7 实测值与预测值对比曲线 图3 铲ga 8 实测值与预测值对比曲线图3 8 - ha 9 实测值与预测值对比曲线 d 验证结果分析 实验模拟是从变形的开始段到发生完全再结晶的稳态段。整体上来说模型的拟合效 果较好，实验误差较小。但由于应力模型中涉及到峰值应力、稳态应力，而这些数值又和 应变速率、变形温度有关，而实验采用的是基于同一温度和应变速率下的激活能，所以难 免产生一些误差；同时实验在假定所有试样均发生完全再结晶的基础上进行的，对再结晶 情况不充分的试样，误差会稍大些；实验精度、选点等人为因素也造成了定的实验误差。 武这叠技太堂亟堂僮i 金塞筮2 窆亟 3 3 2 动态再结晶行为分析 a 组试样单道次压缩实验中应力应变曲线如图3 9 。 图3 9a 组试样的应力应变曲线 1 ) 动态再结晶体积分数的计算 a 动态再结晶百分数通过应力应变曲线确定，计算方法如下f 4 3 】： = 嚣( 乞锕 占。) p 对公式( 3 1 8 ) 进行变换取对数得： h 【志蚺别等 公式( 3 1 8 ) 公式( 3 1 9 ) 。1 毒 。1 2 1 0 - 0 - e - 0 8 _ 0 0 - o 20 00 - 20 4 0 8 l n 似一j ，b 图3 1 4h a ( 一岬- x d ) o 6 9 3 ) 与l n ( p 一乞) s 口) 关系曲线 通过回归，分别得到a 7 ，a 8 ，a 9 所对应的斜率为2 0 5 3 ，2 0 7 2 和2 0 2 1 ，取其平均值 为2 0 4 8 7 ，近似文献中给出的2 。动态再结晶过程中软化比模型为： 蜀= 卜e x p - 0 6 9 3 ( s - c c ) 2 舢7 】。 s ， 5 ) 动态再结晶体积分数模型验证 选取曲线中有明显动态再结晶行为的a 1 ，a 4 应力应变数据对所建模型进行验证。 真应褒 图3 1 5 ( 1 0 5 0 1 2 ，1 $ - i ) 动态再结晶体积分数实测值和验证值关系曲线 真应变 图3 1 6 ( 1 1 0 0 ，l $ - 1 ) 动态再结晶体积分数实测值和验证值关系曲线 第3 4 页武汉科技大学硕士学位论文 由图3 1 5 和3 1 6 可知，模型整体上验证效果较好，误差较小。在实验的开始阶段和 结束部分误差较大，这可能是由于在实验的开始和结束阶段时温度等条件不稳定造成的； 实测值总体上显示低于验证值，这可能是微合金元素对再结晶的抑制作用造成的。 3 3 3 静态再结晶行为分析 对于静态再结晶行为，采用双道次压缩实验模拟应力应变变化，实验示意图如图3 1 7 。 e 篝 图3 1 7 双道次实验示意图 1 ) 不同变形温度和轧制间隙时间时的应力应变曲线 a 不同轧制间隙时间下的应力应变曲线 勺 彦 黄 篆 图3 1 8b 1 , b 2 , b 3 真应力，应变曲线 图3 1 9 b 4 , b s , b 6 真应力应变曲线 图3 2 0b t , b s ，b 9 真应力应变曲线 从以上图中可看出，在相同变形温度下，随着轧制间隙时间延长，试样变形抗力下降， 即软化作用在轧制过程中起的作用越来越大；随着变形温度的升高，变形抗力下降愈大。 武这叠技太堂亟堂僮i 金室箍3 5 亟 b 不同变形温度时应力应变曲线 图3 2 1b i , b 4 , b 7 真应力应变曲线图3 2 2b 2 , b 5 ，瑚应力应变曲线 图3 2 31 3 3 ，b 6 ，b 9 应力应交曲线 在相同的轧制间隙时间下，随着变形温度升高，流动应力大幅下降，表明变形温度对 于软化过程的影响非常大；在以上3 幅图中看到随着* l n 间隙时间从o 5 s 到5 s ，流动应力 下降。 2 ) 静态再结晶软化比计算方法 a 静态再结晶软化比模型选取 对于静态再结晶体积分数的计算主要有金相检验法和“补偿法，由于金相检验的工 作量太大，通常采用“补偿法 【4 5 】来计算再结晶体积分数，而“补偿法一由于仪器设备的 精度和要求不同，又有0 2 补偿和2 补偿，0 2 的补偿的缺点是存在“噪音 方面的影 响，2 补偿会造成实验结果偏离屈服应力太大，综合考虑，文中采用0 2 补偿法。 在静态再结晶体积分数的计算中，采用的体积软化比公式： 五= ( q 一一吒，) “q 一一q ，) 式中，仃。一为第一道次卸载点对应的真应力 口。为第一道次的屈服点应力 仃2 。为第二道次的屈服点应力 公式( 3 2 0 ) 第3 6 页武汉科技大学硕士学位论文 簧 雀 端 囊擞麓 、图3 2 4 双道次实验示意图 b 双道次实验中关键点数值 表3 1 2 静态再结晶关键点数值 3 ) 变形温度和轧制间隙时间对静态再结晶的影响 静态再结晶的驱动力是材料所具备的储存能，影响储存能的关键因素除了材料本身就 是变形量、变形温度和变形速率。在本实验中由于两道次的变形量和变形速率已经给定， 这里主要研究变形温度和轧制间隙时间两因素，对上述数据按变形温度相同和轧制间隙时 间相同分两组，分别找出它们的变化规律。 图3 2 5 变形温度对再结晶分数的影响 “$ l 图3 2 6 轧制间隙时间对再结晶分数的影响 盛送叠技太堂亟堂僮i 金窒箍三z 亟 从软化率曲线可以看到，静态再结晶软化率在任何情况下均大于零；随着变形温度的 降低，再结晶难以进行；在相同温度下，随着保温时间的延长，软化率大体出现递增的趋 势：轧制变形温度9 5 0 c 时，软化率处于1 5 2 0 ，可以认为在9 5 0 。c 为再结晶的开始温度 4 6 - 4 7 】，材料进入再结晶区，随着轧制间隙时间的延长，最终的软化率为3 5 ，再结晶率不 足2 0 ，此温度不足以发生完全再结晶。在1 0 5 0 c ，轧制间隙时间为5 s 时软化率达到近 9 0 ，认为其完成了再结晶。 4 ) 9 5 0 时奥氏体晶粒变化 选取9 5 0 下试样淬火保留高温奥氏体组织，进一步验证再结晶变化规律。 图3 2 7 - a 间隙时间为0 5 s 时的奥氏体晶粒图3 2 7 - b 间隙时间为2 s 时的奥氏体晶粒 图3 2 7 - e 间隙时间为5 s 时的奥氏体晶粒 图3 2 7 a 只在晶粒晶界处发生了很少一部分再结晶，随着轧制间隙时间的延长，在图 3 2 7 - b ，4 1 9 c 中，再结晶进一步发生，但总的由于变形温度不高，只发生了部分再结晶。 在常规的c m n 钢中，在其他条件满足的情况下，温度高于8 5 0 ，甚至在8 0 0 左右，即 可发生完全静态再结晶【4 9 】，本实验中试样在9 5 0 时只发生部分再结晶行为，主要是由于 钢中铌钛元素的碳氮化物的颗粒析出，延迟了再结晶动力学过程的发生，含铌钛钢在变形 后，经过一定的保温时间，铌钛的碳氮化物颗粒开始析出，变形程度越高，析出的程度也 越快，细小的析出相质点的钉轧作用，使晶界难以移动，从而推迟再结晶的发生。 5 ) 再结晶软化比模型建立 x s = 1 - e x p 一c 木( 考门 公式( 3 2 1 ) 第3 8 页武汉科技大学硕士学位论文 对公式( 3 2 1 ) 进行变换，两边取对数： l i l l i l 妥：l n c + n i n t ( c 值通常取0 6 9 3 ) 1 一x st 0 5 呻p ；d e x p ( ) 5 = 4 占p 矿酱) 式中，k ；p , q ，s ，a 1 为气体常数，其他参数如上 公式( 3