Gleeble 3500在無縫鋼管設(shè)計開發(fā)和生產(chǎn)過程中的應(yīng)用

陳 燕，張哲平，劉江成

（天津鋼管制造有限公司，天津 300301）

Gleeble熱模擬試驗技術(shù)，屬于物理模擬技術(shù)的范疇［1］。在利用Gleeble熱模擬試驗機對熱加工過程進行模擬時，主要的影響因素有：化學成分、原始狀態(tài)、應(yīng)變、應(yīng)變速率、溫度、升溫/降溫速度。通過對這些基本參數(shù)的測定和規(guī)律性研究，可實現(xiàn)經(jīng)過少量試驗找出鋼組織和性能的演化規(guī)律，可節(jié)省大量人力、物力和財力，大幅縮短新材料的開發(fā)周期。天津鋼管制造有限公司（簡稱天津鋼管）引進的Gleeble 3500熱模擬試驗機主要有控制柜、拉伸壓縮單元、扭轉(zhuǎn)單元和液壓系統(tǒng)組成。此外，還配有真空泵系統(tǒng)、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、空氣壓縮機和穩(wěn)壓電源等附屬設(shè)備。根據(jù)不同的試驗?zāi)康?，可以切換相應(yīng)的控制單元?，F(xiàn)主要介紹Gleeble熱模擬試驗技術(shù)在無縫鋼管研究開發(fā)方面的一些典型應(yīng)用。

1 Gleeble 3500的典型應(yīng)用

無縫鋼管生產(chǎn)的主要工藝流程為：鋼坯冶煉—連鑄—穿孔—熱連軋—熱處理，針對高溫條件下的熱—機械變形過程，Gleeble 3500試驗機可以實現(xiàn)對連鑄、穿孔、熱軋等工序工藝參數(shù)的模擬試驗，從而確定最佳生產(chǎn)方案。Gleeble 3500通過高溫拉伸試驗?zāi)M無縫鋼管生產(chǎn)過程中的連鑄、穿孔過程，來研究材料在以上過程中的高溫塑性和高溫力學性能；通過高溫壓縮試驗來模擬無縫鋼管生產(chǎn)過程中的軋制過程，來研究軋制過程中的變形抗力、加工硬化、動態(tài)回復(fù)與再結(jié)晶過程，也可以研究軋制過程，通過研究軋制過程不同道次的壓縮分配比來指導(dǎo)現(xiàn)場控軋工藝；通過高溫扭轉(zhuǎn)試驗來模擬無縫鋼管生產(chǎn)過程中的穿孔過程，研究高溫熱塑性和大應(yīng)變的模擬；通過動態(tài)CCT（連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變）試驗來研究軋后控制冷卻過程，從而為生產(chǎn)工藝的優(yōu)化提供參考；通過焊接熱循環(huán)來模擬無縫鋼管環(huán)焊縫熱影響區(qū)的組織和性能變化。通過以上幾種高溫試驗，可以采集的變量有溫度、力、位移、應(yīng)力、應(yīng)變、動力角、扭矩、轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速等，最多能同時采集8個變量。所有的試驗數(shù)據(jù)經(jīng)采集后以O(shè)rigin格式存儲于計算機，Origin軟件有強大的數(shù)據(jù)處理功能，操作者可分析各變量之間的關(guān)系，如應(yīng)力—應(yīng)變曲線，塑性、應(yīng)力等與溫度、時間之間的關(guān)系等，從而得到合適的工藝參數(shù)。現(xiàn)將對Gleeble 3500在不同生產(chǎn)工序中的應(yīng)用進行介紹。

1.1 連鑄過程

對于連鑄過程，Gleeble 3500通過高溫拉伸試驗評價材料的熱塑性。

鋼在連鑄過程中受到機械應(yīng)力和熱應(yīng)力的作用，有可能在其低塑性區(qū)間產(chǎn)生裂紋缺陷，連鑄階段的質(zhì)量問題將嚴重影響后續(xù)的生產(chǎn)過程，尤其是裂紋產(chǎn)生將對后續(xù)的軋制工藝與產(chǎn)品質(zhì)量帶來不利的影響，連鑄坯裂紋主要分為內(nèi)部裂紋和表面裂紋兩種。內(nèi)部裂紋產(chǎn)生主要發(fā)生在鑄坯內(nèi)部的液—固相并存區(qū)間，脆性薄膜在拉應(yīng)力作用下被拉開裂，當粗大的柱狀晶表面有較多雜質(zhì)時，更易產(chǎn)生晶間微裂。表面裂紋是由于已凝固的坯殼在冷卻過程中，受收縮不均、溫度不均、坯殼鼓肚和相變等影響，致使坯殼受到外裂和熱負荷間歇式突變而產(chǎn)生開裂［2］。因此需要高溫拉伸試驗對鋼連鑄過程中的熱塑性進行評估，找出脆性傾向較大的溫度范圍，避免鑄坯在此區(qū)間進行拉矯受力而產(chǎn)生裂紋，這對于合理控制鑄坯溫度、優(yōu)化二次冷卻工藝、減少裂紋缺陷具有重要意義。

斷面收縮率是衡量材料塑性變形能力的性能指標，該值愈大說明材料的塑性愈好。

參照實際生產(chǎn)，選用管線鋼種，變形溫度選為750℃至峰值溫度之間，拉伸變形速率選擇0.001 s-1，每隔50℃測一個試樣。峰值溫度的選擇按日本學者的研究，用零強度溫度減去50℃作為峰值溫度［3］。所有溫度點的試驗結(jié)束后，繪制溫度與斷面收縮率的關(guān)系曲線，然后根據(jù)實際數(shù)據(jù)，用插值法確定補測其他溫度點，這樣即可得到完整無遺漏的塑性與溫度關(guān)系和管線鋼的斷面收縮率與溫度的關(guān)系曲線，由此可見塑性隨溫度變化有幾個低塑性峰值，不同成分的鋼有不同的低塑性溫度區(qū)間。

評價某試驗鋼連鑄過程的熱塑性指標時，熱模擬試樣為Φ10 mm圓棒拉伸試樣。模擬連鑄工藝，試驗方案如圖1所示，連鑄過程溫度-斷面收縮率曲線如圖2所示。

圖1 連鑄過程模擬工藝試驗方案

圖2 連鑄過程溫度-斷面收縮率曲線（應(yīng)變速率0.001 s-1）

由圖2可以看出，從1 250℃至750℃溫度，斷面收縮率整體呈下降趨勢，具體為：從1 250℃至925℃，斷面收縮率基本保持在85%以上；從925℃至750℃，斷面收縮率開始迅速下降，在750℃時斷面收縮率為62%。結(jié)合應(yīng)力和塑性，建議連鑄過程中，通過調(diào)整鑄坯溫度、控制二次冷卻工藝，保證鋼的拉矯溫度高于925℃。

1.2 穿孔過程

1.2.1 高溫拉伸試驗評價熱塑性、變形抗力

穿孔時鋼管旋轉(zhuǎn)前進，且速度非常快，應(yīng)變速率約為0.1 s-1，那么熱塑性差的鋼種在穿孔過程中會出現(xiàn)變形抗力大，變形不深透，穿孔過程中內(nèi)表層和外表層的金屬變形嚴重，在外表層與中間層的過渡區(qū)和內(nèi)表層與中間層的過渡區(qū)產(chǎn)生區(qū)域間的剪切應(yīng)力，尤其是在軋輥轉(zhuǎn)速較高的情況下，易產(chǎn)生分層或者離層缺陷［4-7］；因此，有必要通過拉伸試驗?zāi)M穿孔過程中的熱塑性。而一些高合金鋼在穿孔過程中易產(chǎn)生較大的變形抗力，對于頂頭的損壞非常大，造成頂頭更換頻率高，增加了生產(chǎn)成本。因此在穿孔過程中主要研究鋼種的熱塑性和高合金鋼的變形抗力，為穿孔過程工藝參數(shù)的制定提供數(shù)據(jù)參考。以模擬高Cr合金鋼在穿孔過程中的熱塑性為例，將試樣加熱到1 230℃保溫3 min，然后分別冷卻到900，950，1 000，1 050，1 100，1 150，1 200℃或再加熱至1 250，1 300℃保溫30 s，然后以0.1 s-1的應(yīng)變速率拉斷試樣，最后測得最大變形抗力。拉伸后得到的最大應(yīng)力隨溫度變化曲線如圖3所示?？梢钥闯觯S著變形溫度的升高，最大變形抗力逐漸降低。該分析結(jié)果可為現(xiàn)場的工藝參數(shù)設(shè)定提供指導(dǎo)。

圖3 拉伸后得到的最大應(yīng)力隨溫度變化曲線（應(yīng)變速率0.1 s-1）

1.2.2 高溫扭轉(zhuǎn)試驗評價熱塑性

熱扭轉(zhuǎn)試驗也是模擬金屬材料塑性變形的一種方法，可以準確模擬旋轉(zhuǎn)穿孔過程的熱塑性。相比之下，熱扭轉(zhuǎn)試驗的主要優(yōu)勢是［8］：①大應(yīng)變量試驗，可通過增加扭轉(zhuǎn)圈數(shù)加載大的應(yīng)變量，最大可達±90圈；②大應(yīng)變速率試驗，可通過增加扭轉(zhuǎn)速度獲得大的應(yīng)變速率，轉(zhuǎn)速范圍0～1 500 r/min；③扭轉(zhuǎn)過程中不易發(fā)生塑性失穩(wěn)。而熱拉伸變形試驗變形到一定程度時會產(chǎn)生頸縮現(xiàn)象，會加劇材料的變形不均勻，甚至還沒達到設(shè)定的變形量時，試樣就已經(jīng)斷裂。熱壓縮試驗中由于試樣與加載器具的摩擦力作用，使試樣因兩端面上的徑向流變隨壓縮程度的加劇而受到更強的約束呈鼓狀外觀，限制了大應(yīng)變試樣的精準性?？梢酝ㄟ^熱扭轉(zhuǎn)試驗來模擬穿孔過程中大應(yīng)變量條件下材料的熱塑性問題。

1.3 軋制過程

1.3.1 高溫拉伸、壓縮試驗評價變形抗力

熱軋過程中希望材料有好的熱塑性和低的變形抗力，在保證鋼管質(zhì)量和性能的同時對設(shè)備的軋制負荷降到最低。

現(xiàn)研究試驗鋼軋制過程的變形抗力。選取高強度低合金鋼種，以10℃/s的速度將溫度升高至1 250℃，保溫5 min，然后以3℃/s的速度冷卻到變形溫度（900，950，1 000，1 050，1 100，1 150℃），采用0.1 s-1的應(yīng)變速率進行拉伸和壓縮試驗，其中壓縮試驗的壓縮量為60%，最后將拉伸和壓縮試驗的最大變形抗力結(jié)果進行對比。

高溫拉伸和高溫壓縮過程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。可以看出，高溫情況下，隨著變形溫度的升高，試樣最大變形抗力逐漸降低，從曲線形狀可以看出當變形抗力達到最大值后試樣開始出現(xiàn)頸縮，所以對于要求應(yīng)變量比較大的試驗一般選用壓縮試驗。從高溫壓縮過程應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出，隨著變形溫度的升高，最大變形抗力呈下降趨勢。與拉伸過程應(yīng)力-應(yīng)變曲線不同的是，壓縮過程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以描述軋制過程中的加工硬化、動態(tài)回復(fù)與再結(jié)晶過程：當變形溫度為900℃時，曲線為加工硬化過程；當溫度為950℃時，曲線為動態(tài)回復(fù)過程；當在1 000℃及以上溫度變形時，發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶過程。圖5所示為相同條件下拉伸和壓縮過程中變形抗力的對比，可以看出，拉伸的變形抗力值比壓縮試驗要高，但是差值不超過13 MPa。

圖4 高溫拉伸和高溫壓縮過程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖5 拉伸和壓縮試驗所得應(yīng)力與溫度關(guān)系

通過上述對比，可知拉伸試驗和壓縮試驗均可模擬軋制過程中的最大變形抗力；拉伸試驗除了變形抗力，還可以得到斷面收縮率的數(shù)值，以此來評價材料的熱塑性；而壓縮試驗則可以研究加工硬化、動態(tài)回復(fù)與再結(jié)晶過程?？梢愿鶕?jù)需求來選擇試驗類型。

1.3.2 壓縮試驗?zāi)M加工硬化過程及本構(gòu)方程建立

熱壓縮試驗可以用來很好地模擬軋制過程，能得出不同溫度下軋制過程中的變形抗力，在熱變形過程中，存在3種典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線［9-10］：即加工硬化型、動態(tài)回復(fù)型和動態(tài)再結(jié)晶型。熱模擬試驗可以研究控制軋制過程中的工藝參數(shù)（包括形變溫度、形變量、形變速率等）對組織性能的影響：①研究奧氏體再結(jié)晶區(qū)軋制工藝參數(shù)對變形過程中再結(jié)晶的影響；②研究奧氏體未再結(jié)晶區(qū)軋制過程中工藝參數(shù)對奧氏體拉長晶粒內(nèi)的位錯變形帶和形變誘導(dǎo)析出物的影響；③研究兩相區(qū)軋制過程中工藝參數(shù)對變形亞結(jié)構(gòu)和細化晶粒的影響。因此，可以通過熱壓縮試驗研究材料在熱軋過程中的動態(tài)再結(jié)晶行為、動態(tài)回復(fù)行為與加工硬化行為，并建立相應(yīng)的本構(gòu)方程，為后續(xù)制定工藝提供理論依據(jù)。

以某純TA1試驗材料的壓縮試驗為例，研究不同變形條件下的應(yīng)變曲線，以及相應(yīng)本構(gòu)方程的建立。試樣尺寸為 Φ8 mm×12 mm。在 Gleeble 3500熱模擬試驗機上進行等溫-恒應(yīng)變速率壓縮試驗。將熱壓縮試樣在真空環(huán)境下以10℃/s速度分別加熱到660℃、700℃、740℃和780℃，保溫5 min后進行熱壓縮，壓縮量為60%，應(yīng)變速率分別為 0.1 s-1、1 s-1、10 s-1。

不同應(yīng)變速率和不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6～7所示。可以看出，在660～780℃的溫度下進行壓縮時，應(yīng)力-應(yīng)變曲線為典型的加工硬化型曲線，變形速率一定的情況下，變形抗力隨著溫度的降低而升高；變形溫度一定時，變形抗力隨著變形速率的增加而升高。

圖6 不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖7 不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（應(yīng)變速率0.1 s-1）

根據(jù)熱壓縮試驗過程中應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、應(yīng)變速率等試驗參數(shù)，通過數(shù)學擬合方法確定描述熱流變應(yīng)力（變形抗力）的Arrhenius方程表達式中的基本參數(shù)，即可得到該試驗條件下試驗鋼熱壓縮本構(gòu)方程［11］：

式中σ——流變應(yīng)力，MPa；

R——氣體常數(shù)，取8.31 J/（mol·K）；

T——溫度，℃。

該方程描述了金屬材料成型過程中應(yīng)變速率、流變應(yīng)力、成型溫度等主要參數(shù)之間的關(guān)系，為成型工藝的制定提供理論依據(jù)。

1.4 軋后控冷

對于軋后控冷過程，可利用動態(tài)CCT曲線來進行研究。

利用圓棒試樣單軸壓縮試驗可以模擬壓縮變形后冷卻過程中的相變情況，可以得出相變起始點和相變結(jié)束點，從而繪制出動態(tài)CCT曲線。其原理是：鋼鐵試樣在加熱和冷卻時，試樣的長度除了受正常的熱脹冷縮的影響外，還與相變過程有關(guān)，即其長度變化由熱脹冷縮引起的長度變化和相變體積效應(yīng)引起的長度變化組成；當發(fā)生相變時，由于鋼中各相的比容不同，曲線就出現(xiàn)拐折。冷卻過程中的線膨脹曲線如圖8所示，其中B點為相變起始點，C點為相變結(jié)束點，因此在此冷卻速度下，TB即為相變起始溫度，TC即為相變結(jié)束溫度，再通過溫度—時間曲線找出該溫度所對應(yīng)的時間，將各個相變點連在一起，即構(gòu)成了動態(tài)的CCT曲線。

將試驗用鋼加工成Φ8 mm×12 mm的圓柱體做單向壓縮試驗，先將試樣在1 200～1 250℃以上保溫一段時問，使其奧氏體化均勻，然后降至某一溫度（奧氏體溫度或奧氏體+鐵素體兩相溫度區(qū)），按照預(yù)定軋制工藝進行壓縮變形，然后以不同冷卻速度進行冷卻，按照上述方法繪制動態(tài)CCT曲線，如圖9所示。此CCT曲線可以為軋制后的在線控冷工藝提供理論參考，通過在線控冷來細化晶粒提高強度，從而彌補去掉熱處理工藝后帶來的性能損失，最終實現(xiàn)軋制之后控制冷卻。

圖8 線膨脹曲線測定相變溫度點示意

圖9 試驗鋼的動態(tài)CCT連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線

1.5 焊接性能評價

通過焊接熱循環(huán)試驗，可模擬環(huán)焊縫的熱影響區(qū)性能。

無縫管線管通過合理設(shè)計成分和采用合理的工藝后，均能使母材滿足強韌性要求。然而在焊接熱循環(huán)的作用下，管線鋼的熱影響區(qū)易出現(xiàn)組織惡化和韌性下降的問題［12-15］，尤其是在粗晶區(qū)和多道焊中的臨界粗晶區(qū)，因此其環(huán)焊縫熱影響區(qū)的沖擊韌性和對裂紋的敏感性必須要進行研究?？梢酝ㄟ^Gleeble 3500焊接熱循環(huán)試驗來模擬環(huán)焊縫的熱影響區(qū)，然后通過研究焊接工藝參數(shù)來改善焊接熱影響區(qū)的性能和裂紋敏感性問題，這也是接下來的重點工作之一。

2 結(jié) 語

目前，Gleeble 3500熱模擬試驗機為天津鋼管的產(chǎn)品開發(fā)、工藝與數(shù)學模型的參數(shù)優(yōu)化提供了重要的試驗數(shù)據(jù)，天津鋼管也在熱塑性研究方面積累了一定的數(shù)據(jù)和研究結(jié)果。今后，應(yīng)該進一步結(jié)合天津鋼管的科研項目和產(chǎn)品研發(fā)學術(shù)發(fā)展方向，致力于設(shè)備功能的開發(fā)和試驗方法的研究，充分發(fā)揮該Gleeble 3500熱模擬試驗機在產(chǎn)品開發(fā)、軋鋼、連鑄等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用。