金屬板材矯直過程中材料組織和性能的研究

賈超文,韓培盛,朱曉宇,王效崗

(太原科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,太原 030024)

鋼鐵作為國家經(jīng)濟發(fā)展的重要經(jīng)濟支撐,幾乎90%以上的產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都離不開鋼材[1]。矯直工藝作為金屬加工中重要的工序,能夠消除板材缺陷和改善板材內(nèi)部殘余應(yīng)力的作用,被廣泛應(yīng)用在船舶、航天、機械裝備制造業(yè)、冶金工業(yè)和精密加工制造業(yè)[2]。國內(nèi)外關(guān)于矯直工藝的研究很多,其中,文獻(xiàn)[3]考慮了輥式矯直連續(xù)反彎過程中的應(yīng)力遺傳與反彎特性的耦合關(guān)系,得出不同初始曲率矯直過程中不同的變形歷史軌跡。Doege[4]通過實驗分析了殘余曲率與殘余應(yīng)力的消減情況。詹光曹[5]研究得到,隨著矯直道次的增加,可以降低板材殘余應(yīng)力,改善板型。陳其安[6]通過實驗研究發(fā)現(xiàn)不同的矯直方式,影響材料的性能。Wang,J.[7]通過反復(fù)彎曲的實驗研究了塑性變化引起的殘余應(yīng)力在分布,對材料結(jié)構(gòu)性能的影響。Aoki,H.[8]研究的熱矯直方法通常用于修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)的焊接變形。日本學(xué)者阿高松男通過對板材進(jìn)行多次矯直探究了矯直道次與板材殘余曲率和殘余應(yīng)力之間的關(guān)系。張祖光和李宜增[9-10]研究了矯直工藝對鋼軌力學(xué)性能、韌性和疲勞性能的影響。張偉福[11]通過對X80鋼矯直前后的性能實驗,研究了不同含碳量下材料性能變化規(guī)律。張有為[12]等人運用微機液壓萬能試驗機進(jìn)行試驗,對比了自然時效和矯直對HRB400螺紋鋼的力學(xué)性能影響,發(fā)現(xiàn)自然時效對屈服強度的影響要大于矯直對屈服強度的影響。楊強華[13]通過建立矯直的力學(xué)模型對中厚板矯直的進(jìn)程進(jìn)行分析,開發(fā)出中厚板的冷矯直工藝,有效的保證了矯后鋼板的板型。張婧[14]通過速度控制模型實現(xiàn)了矯直過程中延伸率的良好控制效果。李崗[15]的研究結(jié)果顯示出矯直對材料力學(xué)性能產(chǎn)生變化的主要原因是產(chǎn)生了殘余應(yīng)力的結(jié)果。

以上研究大多都是進(jìn)行殘余曲率和殘余應(yīng)力方面的研究,關(guān)于矯直次數(shù)與壓下量對不同材料板材組織和性能的對比研究較少。本文利用十一輥全液壓矯直機試驗平臺,對S201、S304和碳鋼Q345、Q960進(jìn)行不同工藝的板材矯直試驗,通過材料性能及微觀組織研究分析了矯直對材料性能的影響及其規(guī)律。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗設(shè)備

采用11輥全液壓矯直實驗設(shè)備,該設(shè)備主要由門式機架、液壓平衡系統(tǒng)、數(shù)控式液壓壓下系統(tǒng)、液壓彎輥系統(tǒng)、控制臺等部分組成。其規(guī)格參數(shù)見表1.

表1 11-95/100-1200輥式矯直機參數(shù)

1.2 實驗材料

實驗材料選用不銹鋼板S304、S201和碳鋼板Q345、Q960,其中S304和S201是經(jīng)過預(yù)平整處理的鋼板,Q345為正火態(tài)、Q960為淬火回火態(tài)板材,材料化學(xué)成分見表2所示。S304、S201、Q345初始尺寸選為500 mm×100 mm×5 mm,Q960初始尺寸選為500 mm×100 mm×3 mm,矯直過程中鋼板的移動方向示意圖如圖1(a)所示,其中x方向為矯直方向,y方向和z方向分別為板寬和板厚方向,對矯直實驗后的材料分別進(jìn)行顯微硬度測量,圖1(b)為硬度實驗取點位置的示意圖。

圖1 板材的矯直方向與取點方位示意圖

表2 實驗材料的主要化學(xué)成分(%)

1.3 實驗方案

1.3.1 矯直工藝

通過曲率積分理論,把對曲率和彎矩的積分轉(zhuǎn)變?yōu)榍实淖兓糠e分,不考慮材料應(yīng)力應(yīng)變非線性關(guān)系和曲率非線性變化之間的耦合關(guān)系,假設(shè)板材與矯直輥的接觸點為(xi,yi),以接觸處鋼板的斜率與軌跡的接觸點斜率相等為收斂條件即:

dzi/dxi=tanθi

則矯直壓下量的關(guān)系可以用下列公式1、2進(jìn)行計算:

(1)

(2)

式中:θi表示矯直輥垂線與矯直輥與板材接觸點的傾角,δi表示第i輥的壓下量。

采用上述壓下量公式分別為設(shè)計了三種工藝進(jìn)行矯直,每種材料進(jìn)行三種壓下量、六次的矯直,并對每次矯直后的殘余曲率進(jìn)行測量。不同矯直工藝對應(yīng)的實際壓下量及矯直速度見表3.

表3 不同工藝矯直方案

1.3.2 拉伸試驗

用電火花切割機線沿矯直方向和板寬方向切割取樣,選取矯直前和矯直后板材的拉伸試樣,取中間段的穩(wěn)定矯直區(qū)域分別制得試驗所需的拉伸試樣,并對試樣進(jìn)行拉伸試驗,拉伸速度為1.5 mm/min.

1.3.3 顯微硬度試驗與顯微組織觀察

用線切割制取金相試樣,用亞克力粉快速鑲嵌固化劑對材料進(jìn)行冷鑲嵌露出待測表面,對待測表面依次使用80#、180#、320#、400#、600#、800#、1000#、1200#和1500#等型號的砂紙進(jìn)行研磨,之后對材料用拋光機進(jìn)行拋光,在拋光時注意將試樣均勻壓在拋光盤上,并噴灑拋光液打磨劃痕,在顯微鏡下觀察到?jīng)]有明顯劃痕后用4%的硝酸酒精溶液對待測表面進(jìn)行處理,將處理后的試樣用酒精清洗并用冷風(fēng)吹干。

在板材的中性層和上下層選取硬度測量點,每個待測區(qū)域的取點位置見圖1(b),圖中兩個點之間的距離為1mm左右,每個點的硬度值是三次測量的平均值。用顯微維氏硬度儀對不同壓下量矯直后的鋼板進(jìn)行顯微硬度測量。采用基恩士VHX-2000超景深三維顯微系統(tǒng)進(jìn)行顯微組織觀察和拍照。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 矯直后拉伸性能的研究

通過拉伸試驗數(shù)據(jù)處理,分別得到經(jīng)過三道次矯直后S201、S304、Q345與Q960拉伸試件的抗拉強度,通過與原材料的抗拉強度進(jìn)行對比,得到隨矯直壓下量增大時材料沿板寬方向與矯直方向的抗拉強度變化圖,如下圖3所示。

從圖2中可以明顯看出:S201、S304與碳鋼Q345和Q960的屈服強度隨著矯直壓下量的增加而增大,說明隨著矯直壓下量的增大,矯直后材料的屈服強度隨之增大,由圖3中可以明顯看出:抗拉強度的變化規(guī)律與屈服強度的變化規(guī)律相同,說明其抗拉強度也隨之增大。四種材料沿著矯直方向的應(yīng)力值大于沿板寬方向上的應(yīng)力值,說明板材在矯直后沿矯直方向的抗拉強度要大于沿板寬方向的抗拉強度。

圖2 四種材料在不同道次矯直前后屈服強度應(yīng)力值變化

圖3 四種材料在不同道次矯直前后抗拉強度應(yīng)力值變化

矯直設(shè)備不僅應(yīng)用在傳統(tǒng)冶金鋼板生產(chǎn)過程中,零件的冷加工也較為廣泛,由于材料寬度和長度方向抗拉性能的差異,造成板材后續(xù)加工變形過程出現(xiàn)各種浪形缺陷,通過矯直工藝形式的冷加工可以均衡長寬方向的拉伸性能。有利于后續(xù)的使用和加工。

2.2 顯微組織分析

圖4表示S304沿x方向橫截面顯微組織圖,從圖中可以看出隨著矯直壓下量的增大,晶粒沿著矯直方向伸長,壓下量越大,晶粒的伸長量越大。圖5表示S304沿z方向橫截面顯微組織圖,對比原材料和矯直后的材料可以發(fā)現(xiàn):隨著矯直壓下量的增大,材料的大晶粒數(shù)目逐漸減少,即晶粒變的越來越細(xì)密。

圖4 S304在不同壓下量下沿矯直方向顯微組織圖

圖5 S304在不同壓下量下沿板寬方向顯微組織圖

本文的矯直溫度為常溫,屬于冷矯直,金屬的變形為冷變形。晶粒細(xì)化的機理為:金屬在冷塑變形時,金屬晶體在外力作用下,隨著變形量的增加,晶粒外形由原先的等軸晶粒逐漸改變?yōu)檠刈冃畏较虮焕L或壓扁的晶粒。當(dāng)變形量很大時,亞結(jié)構(gòu)細(xì)化,產(chǎn)生變形織構(gòu),導(dǎo)致強度增大。通過對比S304矯直前后的顯微組織圖可知:板材在矯直后沿板寬方向與矯直方向的晶粒有明顯的差別,材料沿矯直方向的晶粒比沿板寬方向的晶粒要細(xì)密,沿矯直方向的晶粒在矯直后有明顯的拉伸痕跡。在三種道次的矯直工藝下,隨著壓下量的增大,板材中金屬晶體的晶粒沿矯直方向被拉長,亞結(jié)構(gòu)細(xì)化,晶粒分布更加均勻,有效提高材料的強度和硬度。隨著晶粒的細(xì)化,當(dāng)板材受到外力發(fā)生塑性變形時,可分散在更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行,塑性變形均勻性有效提升,應(yīng)力集中較小;此外,隨著晶粒細(xì)化,晶界面積增大,晶界越曲折,越不利于裂紋的擴展,有效提升板材在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。

圖6表示不銹鋼S304原材料與在三種矯直工藝下在上下層與中性層的硬度變化情況,其余三種材料在硬度方面的變化趨勢與該材料一致,可以明顯看出,板材經(jīng)過矯直后其硬度變大,說明隨著隨著矯直壓下量的增大,塑性變形增大,晶粒更細(xì),故硬度增加;硬度的大小分布為:上層的硬度大于等于下層的硬度大于中性層的硬度,這是由于矯直機上下輥數(shù)不同,在矯直過程中彎曲次數(shù)不同,造成了上下層硬度的差異。

圖6 S304在不同工藝下在上、中、下層的硬度變化

3 結(jié)論

(1)板材在矯直后沿矯直方向的抗拉強度要大于沿板寬方向的抗拉強度,但鋼板在矯直后材料的屈服強度和抗拉強度均有所提升。

(2)在三種道次的矯直工藝下,隨著壓下量的增大,板材中金屬晶體的晶粒沿矯直方向被拉長,亞結(jié)構(gòu)細(xì)化,晶粒分布更加均勻,有效提高材料的強度和硬度。

(3)矯直會使材料的硬度提高,隨著壓下量的增大而增大,材料在中性層的硬度要小于在上下層的硬度。