基于材料組織量化的DWTT性能優(yōu)化探究

邢 釗,梁曉軍,郝英敏

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999)

1 概述

在流程型過程中,基于深度分析大生產(chǎn)工藝—性能數(shù)據(jù),可以獲得很好的工藝優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)。這種工藝優(yōu)化設(shè)計首先是基于大量的實(shí)際數(shù)據(jù),通過機(jī)器學(xué)習(xí),以條件概率分布等方式為基礎(chǔ),結(jié)合信息熵表達(dá),直接建立起工藝(Process)—性能(Property)之間的關(guān)聯(lián),然后通過這種關(guān)聯(lián)來實(shí)現(xiàn)工藝—性能的預(yù)測(如圖1所示),最終實(shí)現(xiàn)工藝優(yōu)化設(shè)計。這種優(yōu)化設(shè)計方式往往內(nèi)聚性比較好,對于某些產(chǎn)量大、要求單一的鋼種,通過獲取到的足量且準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),借助大數(shù)據(jù)分析模型計算,預(yù)測變化趨勢,對于一些工藝參數(shù)、性能提升的完善均有一定的輔助作用。但是這種方法也存在一定的局限性,首先是許多模型以黑匣子的形式存在,對于內(nèi)部參數(shù)含義及調(diào)節(jié)后的影響并非顯而易見,調(diào)整參數(shù)具有一定的難度;其次擬合出的產(chǎn)品工藝相對于當(dāng)前產(chǎn)線可能具有優(yōu)良的預(yù)測性,尤其是對于模型內(nèi)插值數(shù)據(jù)表現(xiàn)出良好的預(yù)測性,但是鋼鐵組織性能的影響因素較多,各因素之間也可能存在強(qiáng)相關(guān)性,一旦參數(shù)選擇不當(dāng)可能會出現(xiàn)模型收斂不佳,造成擬合結(jié)果較差或是由于過擬合造成泛化能力不足,無法得到廣泛應(yīng)用。尤其是在新產(chǎn)品、新工藝研發(fā)階段,原大生產(chǎn)數(shù)據(jù)外延推測不一定起到良好的預(yù)測效果,而在初始研發(fā)階段,也無法獲取到大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù),通過大量的大生產(chǎn)過程去獲取機(jī)器學(xué)習(xí)所需的數(shù)據(jù)也不現(xiàn)實(shí),風(fēng)險性很大。因此,在材料產(chǎn)品性能控制上,尤其是在研發(fā)階段,大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)該與專業(yè)知識結(jié)合起來進(jìn)行預(yù)測。由基本層次的數(shù)據(jù)概率分布預(yù)測,上升到更高層次的知識預(yù)測層,形成知識層面的數(shù)據(jù)循環(huán)反饋系統(tǒng),以數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)獲取知識,以獲取知識指導(dǎo)研發(fā)試驗(yàn),以研發(fā)試驗(yàn)獲取新的數(shù)據(jù)并進(jìn)行學(xué)習(xí),逐漸形成一種具有自我優(yōu)化能力的智慧研發(fā)輔助系統(tǒng)。

圖1 基于工藝—性能的預(yù)測方式流程圖

具體而言,對于材料產(chǎn)品研發(fā)的專業(yè)知識主要體現(xiàn)在材料組織方面。材料性能的改變其本質(zhì)是組織的變化,而組織的變化依賴于工藝在材料本身的體現(xiàn),新的預(yù)測手段是在工藝—性能中間加入了顯微組織特征,結(jié)合傳統(tǒng)材料學(xué)專家經(jīng)驗(yàn)以及材料的組織特征量化提取尋找組織與工藝和性能的對應(yīng)關(guān)系,通過調(diào)整工藝改善組織以改進(jìn)材料性能的過程(如圖2所示)。多年來,材料圖像數(shù)據(jù)在科學(xué)研究中的應(yīng)用主要依賴于人工經(jīng)驗(yàn)性的分析和信息提取,遺漏了大量的材料學(xué)信息和隱含的知識,缺乏科學(xué)定量的描述,成為構(gòu)建材料本構(gòu)關(guān)系的短板[1]。

圖2 基于工藝—組織—性能的材料工藝改進(jìn)及性能預(yù)測過程

2 研究目的

本研究開發(fā)的新型管線鋼產(chǎn)品,除了必須具備常規(guī)管線鋼的強(qiáng)度、塑性、韌性等要求外,-10 ℃ DWTT性能也是其關(guān)鍵性能指標(biāo)。該新型的管線鋼因一些特定性能的要求,采用了有別于常規(guī)管線采用的工藝,但由于缺乏有效的數(shù)據(jù)支撐,結(jié)合圖1所示的過程,基于PIDAS積累的大量歷史數(shù)據(jù),結(jié)合專業(yè)知識、特殊的約束條件設(shè)計了新鋼種的基本工藝路徑。第一次進(jìn)行了兩塊鋼板的試制,兩塊鋼板在工藝上有所區(qū)別以做對比。

試制后的新型管線鋼強(qiáng)度、塑性和韌性等性能滿足要求。在生產(chǎn)結(jié)束后在每塊鋼板在距離頭部100 mm區(qū)域的寬度方向1/4處各取2塊制成壓制缺口試樣并按照《GB/T 8363—2018鋼材撕裂落錘試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)[2],結(jié)果如表1所示,典型斷口形貌如圖3所示。數(shù)據(jù)表明試驗(yàn)料的DWTT性能無法滿足使用需求,這與前述的基于大數(shù)據(jù)模型預(yù)測面臨的問題基本一致。作為機(jī)器學(xué)習(xí)的工藝—性能直接預(yù)測手段,由于這兩塊鋼板的一部分工藝數(shù)據(jù)落在了原來學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)集之外,而且計算機(jī)基于歷史學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù),對于新工藝可能產(chǎn)生的失敗可能性基本沒有預(yù)見性,因此出現(xiàn)了預(yù)測大幅偏離的情況。

表1 鋼板1和2在-10 ℃的DWTT性能實(shí)績

圖3 DWTT斷口照片

第一次生產(chǎn)試制的結(jié)果表明,原生產(chǎn)工藝設(shè)計模式不能很好地解決DWTT性能問題,存在明顯的偏差。該鋼種基本工藝參數(shù)超出了常規(guī)的大生產(chǎn)數(shù)據(jù)所涵蓋的范圍,由于工藝參數(shù)范圍的大幅度改變,其從加熱到冷卻過程各個工藝階段對最終產(chǎn)品的組織貢獻(xiàn)就有了顯著變化,必然影響到最終的性能。本研究在分析影響DWTT性能關(guān)鍵組織特征的基礎(chǔ)上,結(jié)合前期開發(fā)的組織特征的定量分析結(jié)果,確定影響性能的工藝因素,從而改進(jìn)工藝以得到良好的DWTT性能。

3 基于PSP的分析與優(yōu)化

3.1 材料組織分析

此類管線鋼的組織類型主要為針狀鐵素體、粒狀貝氏體、部分多邊形鐵素體以及M/A島組織。通過強(qiáng)化材料的低溫抗撕裂能力可以提升DWTT試驗(yàn)的剪切面積百分比(SA),較高的剪切面積百分比意味著材料在低溫下的韌性越好,抗撕裂能力越強(qiáng)。在基體組織中,M/A島的含量及尺寸對韌性有一定的影響,當(dāng)其含量較高并且集中在晶界處呈鏈狀分布時會促使裂紋擴(kuò)展,嚴(yán)重惡化材料的抗撕裂能力,而當(dāng)組織中有少量彌散的M/A島組織并伴以較小的針狀鐵素體、粒狀貝氏體存在時,由于界面增加,在裂紋擴(kuò)展時發(fā)生滑移的晶粒數(shù)目增多,不易造成應(yīng)力集中而形成裂紋[3]。

在DWTT試樣近斷口端10 mm切取金相試樣,經(jīng)拋磨及4%硝酸酒精腐蝕后,在卡爾蔡司Image.M2m型顯微鏡進(jìn)行金相觀察,對金相照片通過插值縮放以及中值濾波的方式進(jìn)行預(yù)處理,以改善拍攝圖像的邊緣特征,降低拍攝噪聲造成的影響,提升圖片處理速度。經(jīng)過處理后的鋼板1典型金相圖片如圖4所示。

圖4 鋼板1 典型金相圖片

結(jié)合前期開發(fā)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法對M/A島組織進(jìn)行識別。選取鋼板1、2典型金相組織照片中的M/A島進(jìn)行了識別(如圖5所示),并對鋼板1、2的M/A島識別后的二值化圖片進(jìn)行含量統(tǒng)計,如圖6所示。

圖5 對鋼板1和2 M/A島組織識別及分布圖

從識別結(jié)果及分布情況看,與鋼板2相比,鋼板1組織中M/A島的含量相對較多,約占5.5%左右,同時組織內(nèi)M/A島在晶界處分布較為集中,并且呈現(xiàn)鏈狀分布,在變形過程中易產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展,劣化材料韌性,導(dǎo)致DWTT性能惡化。結(jié)合鋼板實(shí)際冷卻工藝可知,出現(xiàn)M/A島粗大并且成大片鏈狀分布的主要原因是冷速過慢以及終冷溫度過高造成[4]。

圖6 鋼板1和2 M/A島含量統(tǒng)計

除上述M/A島含量有所區(qū)別外,在對鋼板2金相典型組織進(jìn)行分析的過程中出現(xiàn)了與鋼板1明顯的不同,如圖7所示,鋼板2組織中出現(xiàn)了較粗大的晶粒,組織均勻性較鋼板1差(如圖4所示)。利用機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行邊界識別的方式將大尺寸晶粒進(jìn)行標(biāo)識,如圖8所示。

圖7 鋼板2典型組織圖片

通過對封閉邊界內(nèi)的像素數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計,依據(jù)像素尺寸與比例尺的關(guān)系進(jìn)行面積計算,可以得出基于像素區(qū)分的大顆粒尺寸信息,鋼板2大晶粒的等效直徑尺寸接近鋼板1平均晶粒尺寸的1.5～2.0倍,出現(xiàn)了比較明顯的混晶情況。結(jié)合前述經(jīng)驗(yàn)可以得出,由于大尺度粒狀貝氏體晶粒的出現(xiàn)減少了晶界間的接觸界面,在發(fā)生外力作用的時候?qū)τ诹鸭y擴(kuò)展的阻隔作用將大大降低,劣化了DWTT性能。對兩塊板的軋制道次進(jìn)行了對比,鋼板2單道次壓下量較工藝1減少了約10%～20%,造成組織均勻性較差的原因是在軋制過程中單道次壓下量較小造成的原始晶粒破碎不完全出現(xiàn)大晶粒,在較快的冷速下大晶粒被保留下來而造成混晶組織。

3.2 生產(chǎn)工藝優(yōu)化

通過上節(jié)第一次試制兩組工藝下組織進(jìn)行量化分析與實(shí)際生產(chǎn)工藝的對照關(guān)系可知,鋼板1組織相對均勻,但由于冷卻異常造成大量呈鏈狀M/A島的產(chǎn)生,鋼板2由于軋制過程中道次壓下量不足造成晶粒粗大,使組織中出現(xiàn)混晶的情況。結(jié)合兩塊鋼板的組織與工藝差異,在制定第二輪兩塊鋼板(鋼板3、4)的軋制工藝3時進(jìn)行了有針對性的改進(jìn),首先保持較大的壓下量,保證晶粒破碎充分,提高組織均勻性,同時結(jié)合M/A島組織與冷卻速度、終冷溫度的對應(yīng)關(guān)系,通過降低終冷溫度提高冷卻速度保證控制基體以及晶界處的M/A島含量[5]。

經(jīng)過工藝3生產(chǎn)后的典型金相組織圖片如圖9所示,M/A島的分布如圖10所示,含量的識別統(tǒng)計如圖11所示。相較于第一次試驗(yàn)生產(chǎn)的兩塊鋼板,第二次軋制鋼板的M/A島含量有較為顯著的下降,說明控制冷卻后對M/A島組織有明顯的改善。

圖9 鋼板3和4典型組織圖片

圖10 M/A島分布圖

圖11 鋼板3、4 M/A島含量統(tǒng)計與鋼板1、2對比

鋼板3和4通過對典型組織中較大晶粒的識別得到如圖12所示結(jié)果,針對圖中6顆較大晶粒進(jìn)行基于像素?fù)Q算的等效晶粒直徑尺寸晶粒度接近鋼板1的水平,組織更均勻,符合管線鋼使用條件,同時從金相照片上也可以看出通過道次的壓下量控制使組織均勻性得到顯著提升。在隨后的-10 ℃ DWTT試驗(yàn)中也得到了SA接近100%,如表2所示,性能指標(biāo)滿足使用的需要。

4 結(jié)論

本研究是在傳統(tǒng)工藝—性能預(yù)測模型無法給出有效預(yù)測的情況下,基于對組織特征進(jìn)行識別量化并結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)建立組織與工藝、性能之間關(guān)系的探索性嘗試,結(jié)合PIDAS系統(tǒng)的工藝—性能數(shù)據(jù),通過組織數(shù)據(jù)的量化分析進(jìn)行反饋修正,經(jīng)過少量試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)新設(shè)計材料DWTT性能優(yōu)化與控制。研究表明,基于材料組織的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化與量化分析可以更直觀準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)組織間的差異,工藝—性能中加入組織結(jié)構(gòu)特征分析進(jìn)行材料開發(fā)與性能預(yù)測,解決了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)驅(qū)動模型由于過于依賴樣本以及權(quán)重參數(shù)的選擇等造成的工藝—性能預(yù)測偏差的問題,從組織結(jié)構(gòu)機(jī)理上解決工藝優(yōu)化問題,形成組織—工藝—性能學(xué)習(xí)的循環(huán)反饋預(yù)測系統(tǒng),大幅減少純物理模擬及大量試驗(yàn)所造成的時間浪費(fèi)以及開發(fā)成本的上升,通過該路徑可望大大降低材料新試的研制周期與成本。

圖12 鋼板3和4典型組織大晶粒識別結(jié)果

表2 鋼板3和4的-10 ℃ DWTT性能實(shí)績