一種低碳鋼熱變形機(jī)制的研究

何群才　趙科（本鋼技術(shù)中心，遼寧本溪 117000）

一種低碳鋼熱變形機(jī)制的研究

何群才趙科
（本鋼技術(shù)中心，遼寧本溪 117000）

本文利用熱模擬試驗(yàn)機(jī)對本鋼緊流程（CSP）生產(chǎn)的一種低碳鋼高溫變形行為進(jìn)行了研究，通過單向壓縮實(shí)驗(yàn)測定了應(yīng)力～應(yīng)變曲線，確定了不同變形溫度、變形速率、變形程度與變形抗力的關(guān)系，建立了金屬塑性變形抗力的數(shù)學(xué)模型。利用origin軟件對模型進(jìn)行了多元非線性曲線擬合，證明該模型具有良好的精度，可為軋制工藝、力能參數(shù)的確定提供理論依據(jù)。

熱模擬 再結(jié)晶 變形抗力 數(shù)學(xué)模型

隨著現(xiàn)代工業(yè)的連續(xù)化，自動化不斷進(jìn)步，用戶對板材的尺寸精度要求越來越高，而在板帶軋制生產(chǎn)中，高精度的軋制力計(jì)算是獲得高精度尺寸帶鋼的核心問題，而軋制力取決于鋼的變形抗力和軋制規(guī)程［1］。金屬塑性變形抗力是指金屬阻止發(fā)生塑性變形的能力，其數(shù)值等于使其發(fā)生塑性變形時(shí)所施加的外力。金屬塑性變形抗力是軋制工藝和設(shè)備力能參數(shù)設(shè)計(jì)的最基本參數(shù)之一，研究變形抗力的變化過程，可以從宏觀的角度進(jìn)一步了解材料在變形過程中微觀組織和性能的變化，研究塑性變形的機(jī)理［2］。影響變形抗力的因素很多，包括材料的化學(xué)成分，還有變形過程中的溫度，應(yīng)變速率、應(yīng)變量等因素，在高溫變形的過程中，金屬的微觀組織可以產(chǎn)生動態(tài)回復(fù)、再結(jié)晶，靜態(tài)回復(fù)、再結(jié)晶等復(fù)雜的變化過程，本文對本鋼緊湊流程（CSP）生產(chǎn)鋼種進(jìn)行模擬嘗試，因其冶金過程同傳統(tǒng)流程相比存在著較大差別，所以對于其軋制過程中變形抗力的研究對于工業(yè)化生產(chǎn)的板型控制及組織演變具有重要的理論意義。

1　實(shí)驗(yàn)條件

表1　實(shí)驗(yàn)所用鋼的化學(xué)成分

1.1實(shí)驗(yàn)方法

試樣采用緊流程生產(chǎn)的一種低碳鋼鑄坯，鑄坯經(jīng)過高溫落水處理，使其室溫組織為鑄態(tài)組織。直接從鋼錠上截取鋼棒，不經(jīng)過任何變形處理，加工成Φ8mm×15mm的圓柱形。試驗(yàn)在Gleeble2000熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用單向壓縮方式測得各種工藝條件下的應(yīng)力～應(yīng)變曲線。為了保證試驗(yàn)精度，在試驗(yàn)過程中采用MoS2及鉭片作為潤滑劑。試驗(yàn)過程中主要控制參數(shù)為應(yīng)變量、變形溫度和變形速率。

1.2鋼的化學(xué)成分（如表1）

1.3實(shí)驗(yàn)工藝

試樣以100℃/s快速升溫到1250℃，保溫30s，隨后以10℃/s冷速冷卻至1150℃，保溫兩分鐘，而后以5℃/s的冷速冷卻到變形溫度，保溫10s進(jìn)行單道次壓縮變形。變形條件為：變形量為70%（真應(yīng)變1.204）；應(yīng)變速率為：0.1/s～20/s；變形溫度為：850～1100℃。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在不同的條件下，利用Gleeble熱模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單道次壓縮試驗(yàn)，得到真應(yīng)力~應(yīng)變曲線，在origin軟件中，找出對應(yīng)條件下想對應(yīng)的應(yīng)力值。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析形變溫度、形變量和形變速率對變形抗力的影響。

2.1溫度與變形抗力的關(guān)系

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果的應(yīng)力應(yīng)變曲線（圖1）中可以看出，變形溫度對變形抗力的影響較為顯著，變形溫度隨著溫度的升高而減小，這符合一般低碳鋼變形抗力和變形溫度的關(guān)系。這是因?yàn)殡S著變形溫度的增加，原子的熱振動振幅增大，從而使金屬原子間的結(jié)合力大大減小，滑移面的運(yùn)動阻力降低，有利于滑移系的開動，這樣，新的滑移系統(tǒng)和交滑移不斷的形成和開動，有利于金屬的發(fā)生彈性變形和塑性變形，因此金屬的變形抗力隨溫度的升高而降低。另外，隨著溫度的不復(fù)和再

……

……

結(jié)晶現(xiàn)象，引起金屬軟化，使變形抗力降低。

2.2變形速率與變形抗力的關(guān)系

變形速率與變形抗力之間的關(guān)系較為復(fù)雜，其中主要包括兩個(gè)方面，第一是變形速率高，這樣就不利于金屬發(fā)生動態(tài)在結(jié)晶，由圖1可以看出，變形速率為10和20的未發(fā)生動態(tài)在結(jié)晶，變形抗力隨著變形速率的升高而升高。第二是應(yīng)變速率高，產(chǎn)生大量的變形熱量，有利于發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，因此，變形速率對變形抗力的影響要考慮這兩個(gè)方面。由圖中可以看出，在溫度為1050℃，變形速率1/s，應(yīng)變量大于0.4時(shí)（圖1a），在動態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶的作用下，變形抗力開始增加減緩。

2.3變形程度余變形抗力的關(guān)系

變形程度對變形抗力的關(guān)系，可以從應(yīng)力～應(yīng)變曲線上直觀的看出，見圖1，在不發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶的情況下，同一的變形速率和變形溫度，隨著變形程度的增加變形抗力越來越大，。在850℃變形溫度和20/s的變形速率條件下，變形抗力增加尤其明顯，符合其他鋼種的一般規(guī)律。從圖上還可以看出，當(dāng)應(yīng)變量大于0.2時(shí)，隨變形程度的增大，變形抗力的增加變得緩和，在低應(yīng)變速率0.1/s溫度1100℃的時(shí)候，變形抗力隨著變形程度的增加而保持不變，這是因?yàn)殡S變形程度的進(jìn)一步增加，金屬的內(nèi)部缺陷增多，從而促進(jìn)了動態(tài)回復(fù)與再結(jié)晶，導(dǎo)致金屬出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。

2.4變形抗力數(shù)學(xué)模型

通過上述對變形抗力影響因素的分析，并參考有關(guān)文獻(xiàn)，對金屬塑性變形抗力數(shù)學(xué)模型進(jìn)行比較及精度的分析，最后確定金屬塑性變形抗力數(shù)學(xué)模型為［2］：

對上式進(jìn)行可用最小二乘法多元線性回歸分析，利用origin軟件進(jìn)行各項(xiàng)分析，分別求得lna，b，c，d的期望值為ln。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)力～應(yīng)變曲線可以看出，在高的變形溫度，低的應(yīng)變速率下，容易發(fā)生動態(tài)回復(fù)與再結(jié)晶，減緩了加工硬化，變形抗力隨變形程度增加到0.3之后變得緩和；當(dāng)變形速率較大，動態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶不容易發(fā)生，變形抗力隨變形程度的增加而一致增加。因此，本試驗(yàn)在建立變形抗力數(shù)學(xué)模型時(shí)采用高應(yīng)變速率進(jìn)行回歸。變形速率為1/s，10/s，20/s時(shí)，求得：

3　結(jié)語

（1）通過熱模擬試驗(yàn)機(jī)，模擬出不同條件下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，分析了應(yīng)變速率、應(yīng)變量和溫度對變形抗力的影響關(guān)系。

（2）通過熱模擬試驗(yàn)和數(shù)值分析，建立了實(shí)驗(yàn)用鋼的變形抗力數(shù)學(xué)模型，為軋制該鋼的力能參數(shù)計(jì)算提供依據(jù)。

［1］周紀(jì)華，管克智.金屬塑性變形阻力.機(jī)械工業(yè)出版社，1989.

［2］李曼云，孫本榮.鋼的控制軋制和控制冷卻技術(shù)手冊.冶金工業(yè)出版社，1990.