雙輥薄帶鑄軋斜向裂紋形成機(jī)理

李學(xué)通,呂 征,張凱帥,李耀琛

河北工程大學(xué)機(jī)械與裝備工程學(xué)院,河北 邯鄲 056038

0 引言

雙輥薄帶鑄軋(TRC)工藝使用一對(duì)相對(duì)旋轉(zhuǎn)的鑄輥?zhàn)鳛榻Y(jié)晶器,短時(shí)間內(nèi)將液態(tài)金屬凝固并軋制成金屬薄帶。但這一過程不夠穩(wěn)定,會(huì)出現(xiàn)裂紋、偏析和組織結(jié)構(gòu)不均等缺陷。其中,裂紋對(duì)帶材的力學(xué)性能影響最為嚴(yán)重,引發(fā)裂紋的因素較多,例如材質(zhì)的化學(xué)構(gòu)造、過度的熱壓、顆粒間的位移累積,還有其他一些復(fù)雜且不穩(wěn)定的因素[1],為此眾多研究者對(duì)鑄軋板帶裂紋形成機(jī)理展開了大量研究。

Hidero et al.[2]通過研究發(fā)現(xiàn),提升鑄造和冷卻的速度,可顯著降低生產(chǎn)帶材時(shí)產(chǎn)生的裂紋。但Toshio et al.[3]認(rèn)為,裂縫的起始點(diǎn)通常位于薄膜表層的晶界處,且會(huì)向外延伸。因此,快速冷卻的微型晶粒可能會(huì)對(duì)裂紋的生長(zhǎng)產(chǎn)生積極影響。Kim et al.[4]認(rèn)為熔池半固態(tài)區(qū)的導(dǎo)熱性能較差,導(dǎo)致帶坯中心區(qū)導(dǎo)熱降低,薄帶會(huì)形成夾層裂紋,并指出應(yīng)增大軋制力促使半固態(tài)區(qū)上移,抑制裂紋產(chǎn)生。Hu et al.[5]采用雙輥鑄軋工藝制備高硅鋼,發(fā)現(xiàn)帶鋼表面的縱向和斜向裂紋遠(yuǎn)比橫向裂紋多,且橫縱向裂紋均出現(xiàn)了晶界擴(kuò)展和穿晶斷裂,這與上述學(xué)者的結(jié)論并不一致。此外,Hu et al.[5]指出鑄軋過程中傳熱不均勻是導(dǎo)致鑄軋帶表面裂紋形成的主要因素。綜上所述,鑄軋薄帶裂紋是個(gè)十分復(fù)雜的問題。

目前,對(duì)于鑄軋薄帶開裂原理的探究還不夠深入,研究人員對(duì)于鑄軋板開裂原理的理解仍然停留在假設(shè)和推測(cè)階段,并未提出實(shí)質(zhì)性的解決方案。在實(shí)際的鑄軋過程中,鑄軋裂紋往往呈現(xiàn)出斜裂紋的形態(tài),這使得在二維平面場(chǎng)上解決裂紋的生成和擴(kuò)展問題變得困難。本文以三維視角為基礎(chǔ),依據(jù)熔池溫度場(chǎng)、板帶形變以及開裂理論,通過試驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型探討斜向裂紋的形成原因。

1 鑄軋板帶裂紋的開裂機(jī)理

鑄軋帶坯裂紋缺陷如圖1所示。從圖1(a)可見,鑄軋板帶表面呈現(xiàn)各種斜向裂紋,這些裂紋可能是有規(guī)律的分布,也可能是完全連續(xù)的,從而構(gòu)建出一條裂紋帶,如圖1(b)所示。板坯的表面幾乎是裂紋的開口,且他們之間有著明顯的夾角,這種傾斜的裂縫的數(shù)量十分多,特別是在帶有坯體的邊緣和流動(dòng)性差的地方。

圖1 鑄軋帶坯裂紋缺陷

進(jìn)一步分析裂紋成因,經(jīng)過對(duì)裂紋觀察,得到斷口處有氧化層產(chǎn)生,表明該裂紋是在高溫條件下軋制凝固的過程中產(chǎn)生的。當(dāng)材料在高溫脆性階段或強(qiáng)烈的冷卻過程中,應(yīng)力會(huì)聚焦在鑄造結(jié)構(gòu)缺陷的區(qū)域,從而產(chǎn)生裂紋。但不同的是,裂紋的斷面變形塑痕呈現(xiàn)出鮮明的方向性,并且在裂紋的邊緣可清晰見到物質(zhì)的流向線,該線條與裂紋的開裂方向保持一致,表明該處的裂紋是由剪切力引起的。當(dāng)金屬板接觸到與裂紋表面垂直的剪切力,裂紋在面上不停地浮動(dòng)并擴(kuò)張,從而產(chǎn)生周期性或者穿透性的裂紋,該狀況稱之為滑移裂紋。這種裂紋通常是在強(qiáng)剪切力作用下產(chǎn)生滑移帶,當(dāng)剪切力突破金屬材料的塑性極限,在滑移帶上,起初會(huì)出現(xiàn)大量的微小裂紋,而后隨著剪切力度持續(xù)提升,這些微裂紋會(huì)不斷擴(kuò)大,甚至彼此連接,最終形成完全貫穿的裂紋。

在金屬凝固過程中一般不會(huì)產(chǎn)生斜向的滑移帶,這些斜向裂紋只能在軋制變形時(shí)所產(chǎn)生。經(jīng)分析,在二維平面場(chǎng)中,Kiss點(diǎn)在凝固界面的表現(xiàn)較為清晰平穩(wěn);然而,在三維空間場(chǎng)中,由于熔池各部分的流量存在差異,受熔池形態(tài)影響,在凝固的最后階段獲取平穩(wěn)的Kiss線是十分困難的。如圖2(a)所示,板帶熔池Kiss點(diǎn)位置并不穩(wěn)定,Kiss點(diǎn)在換熱較強(qiáng)或者流量較小的區(qū)域位置較高(例如A點(diǎn)),反之則位置較低(例如B點(diǎn))。軋制區(qū)各域的相對(duì)壓下ΔhN如下。

(a)熔池Kiss曲線示意圖 (b)材料流變圖 (c)鑄軋開裂示意圖

(1)

式中：R為結(jié)晶輥半徑;lN為Kiss點(diǎn)高度。

由此可知,在結(jié)晶輥尺寸固定的情況下,鑄軋區(qū)的相對(duì)變形量只取決于Kiss點(diǎn)的高度lN。

以此,本文提出了鑄軋板帶裂紋開裂機(jī)理,如果Kiss曲線的位置在特定位置上升,那么輥縫的出口寬度保持不變,Kiss點(diǎn)的位置上升將引發(fā)軋制的變形量上升,而Kiss點(diǎn)位置偏低的地方,其軋制的變形量則相對(duì)減少。所以軋制區(qū)會(huì)產(chǎn)生非協(xié)調(diào)變形,變形量大的厚區(qū)材料橫向流動(dòng)并擠壓周邊薄區(qū)材料,形成復(fù)雜剪切帶,如圖2(b)所示;簡(jiǎn)單來說鑄軋形變模型可簡(jiǎn)化為厚度不均的板帶軋制模型,如圖2(c)所示,在厚區(qū)與薄區(qū)過渡區(qū)域的流變界面十分容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,滑移帶會(huì)產(chǎn)生較多的細(xì)小微裂紋,在剪切力的持續(xù)提升下,微小的裂紋不斷向外延伸,彼此連接,最終產(chǎn)生斜向裂紋。不均勻的變形量以及變形的動(dòng)力均將推動(dòng)滑動(dòng)裂紋的發(fā)展。裂紋的發(fā)展也將消耗原本由于坯體變形所蓄積的動(dòng)力,一旦這2個(gè)因素達(dá)成均衡,裂紋就會(huì)停止擴(kuò)展。而在軋制過程中,不均衡的形狀以及其所釋放的能量不斷重復(fù)堆積,一旦出現(xiàn)新的裂痕,滑移面就會(huì)發(fā)生破損。因此,試樣的斜向裂痕是有規(guī)律的,在極端情況下甚至發(fā)生徹底貫穿。

需要指出的是,在側(cè)封區(qū)域,由于熔池內(nèi)部流量相對(duì)較少,同時(shí)側(cè)封板的隔熱性能不夠完全,這就導(dǎo)致了熔池的邊緣溫度較低,從而使其Kiss點(diǎn)的位置偏髙,相對(duì)壓下量較大,且在鑄軋過程中側(cè)封摩擦的影響,帶坯邊部已存在潛在裂紋,因此鑄軋帶坯的邊部區(qū)開裂最為明顯如圖1(b)所示。由于高Kiss點(diǎn)區(qū)材料在變形過程中的壓縮比和延展性要高于其他區(qū)域,該變形持續(xù)累積,還會(huì)使薄區(qū)材料在軋制方向上產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)產(chǎn)生拉伸裂紋。

此外,正常鑄軋過程,大多數(shù)的金屬在液體剛凝固時(shí)的主要結(jié)構(gòu)為髙溫固溶體。髙溫固溶體滑移性不佳且并不穩(wěn)定,容易隨著溫度的變化而轉(zhuǎn)化,加劇了工藝的復(fù)雜性。Kiss曲線的不平衡性也可能導(dǎo)致各部位的壓力和熱交換模式的差異,從而對(duì)帶坯的品質(zhì)產(chǎn)生負(fù)面效果,引發(fā)帶坯的結(jié)構(gòu)失衡。因此,在軋制過程中,材料的不平衡變化,是導(dǎo)致斜向裂紋的關(guān)鍵因素。

2 鑄軋裂紋數(shù)學(xué)模型

2.1 彈粘塑性材料本構(gòu)方程

為驗(yàn)證上述理論,構(gòu)造了鑄軋裂紋的數(shù)學(xué)模型,并確定在高溫液體中,金屬的形成過程會(huì)變得更加復(fù)雜,且其溫度會(huì)稍微偏離固相線,這也意味著該物質(zhì)的強(qiáng)度會(huì)降低,主要呈現(xiàn)彈粘塑性,彈粘塑性材料本構(gòu)方程如下。

(2)

(3)

式中：R0為塑性區(qū)尺寸,η0為材料的臨界粘塑性因子。

2.2 裂紋萌生理論

雙輥薄帶連鑄技術(shù)的冷卻速率屬于亞快速冷卻,液態(tài)金屬可能無法及時(shí)填充凝固缺陷便已凝固,因而鑄態(tài)組織相對(duì)缺陷較多,由于分子間的位置差異較大,導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生存在某種程度的不確定性,然而,這些裂縫的形成主要發(fā)生在厚度和輕量級(jí)之間的過渡部分。主要的原因在于,軋制過程中厚薄過渡區(qū)的材料不僅會(huì)發(fā)生縱向的變形,還會(huì)產(chǎn)生較大的橫向移動(dòng),使它們的相對(duì)位移量超過了其他區(qū)域。但固態(tài)材料本身的塑性有限,在過渡區(qū)易發(fā)生非協(xié)調(diào)變形,則公式如下。

(4)

應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系滿足下式。

σij=λδijεkk+2μεij

(5)

式中：λ、μ為lame常數(shù),由此可知應(yīng)變?cè)龃蟠偈贡『襁^渡區(qū)應(yīng)力增加,當(dāng)其超過某一極限值時(shí),就會(huì)產(chǎn)生裂紋源。此外,由于鑄態(tài)組織本身缺陷較多,滑移系的缺陷點(diǎn)均容易成為裂紋源。

3 軋制裂紋試驗(yàn)與數(shù)學(xué)模型結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備與建立模型

Kiss曲線分布不均造成熔池各區(qū)域變形量不協(xié)調(diào),非協(xié)調(diào)變形致使鑄軋帶坯產(chǎn)生斜向裂紋。為了證實(shí)本文所提出的斜裂紋開裂機(jī)制理論,試驗(yàn)中使用圖2(c)軋制模型進(jìn)行研究,利用厚度不均的鑄態(tài)鋁合金板進(jìn)行軋制試驗(yàn),具體試驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 軋制裂紋試驗(yàn)參數(shù)

為進(jìn)一步研究鑄軋裂紋,本文建立了與試驗(yàn)條件相應(yīng)的等比例數(shù)學(xué)模型(見圖3),并在模型厚薄過渡區(qū)等關(guān)鍵位置進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。針對(duì)軋制區(qū)開裂的準(zhǔn)靜態(tài)問題,采用了顯式算法進(jìn)行求解,分析殘余應(yīng)力分布,推導(dǎo)裂紋的開裂趨勢(shì)和變化。

圖3 數(shù)值仿真的網(wǎng)絡(luò)模型

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

軋制薄板試驗(yàn)如圖4所示,試驗(yàn)結(jié)果顯示,軋制后的金屬板從原本的矩形形狀轉(zhuǎn)變?yōu)殚L(zhǎng)多邊形,且厚度區(qū)域的擴(kuò)展變形十分顯著,并有明顯寬展趨勢(shì)。而薄區(qū)的相對(duì)壓下量較小,薄區(qū)與厚區(qū)變形嚴(yán)重不匹配,薄區(qū)材料受到拉伸作用,由邊部缺陷開裂向中心延伸,但該類拉伸裂紋通常只存在于低Kiss點(diǎn)區(qū),延展至厚區(qū)附近停止,這是由于裂紋釋放了非協(xié)調(diào)變形產(chǎn)生的拉應(yīng)力,而在厚區(qū)非協(xié)調(diào)變形不再明顯,拉伸應(yīng)力減小,裂紋難以繼續(xù)擴(kuò)展,這與本文提出的理論相符。

圖4 試驗(yàn)軋制薄板

此外,由圖4可知,金屬板厚區(qū)兩翼過渡位置從宏觀上顯現(xiàn)出了顯著的斜向裂紋,這些裂紋呈現(xiàn)出周期性或完全貫穿的特征,數(shù)學(xué)模型結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本相符(見圖5)。當(dāng)厚度不均的材料進(jìn)入變形區(qū)時(shí),軋制引起的不均勻變形擠壓材料橫向流動(dòng),壓力較高的地方,材料只能在滑動(dòng)系統(tǒng)中進(jìn)行單向運(yùn)動(dòng),并在帶坯厚區(qū)兩翼堆積,該區(qū)應(yīng)力強(qiáng)度因子(KⅡ)迅速增加,當(dāng)超出材料的極限值(Kc),滑動(dòng)表面會(huì)產(chǎn)生頸縮現(xiàn)象,并在接下來的剪切變形過程中加快破裂產(chǎn)生裂紋,并進(jìn)一步擴(kuò)大。當(dāng)剪切裂紋產(chǎn)生后,變形區(qū)的應(yīng)力釋放,應(yīng)力強(qiáng)度因子減小,當(dāng)KⅡ小于Kc時(shí),裂紋停止擴(kuò)展,并移出變形區(qū),與此同時(shí),新進(jìn)入變形區(qū)的材料非協(xié)調(diào)變形勢(shì)能會(huì)重新累積,直到KⅡ大于Kc產(chǎn)生新的裂紋,如此往復(fù),帶坯出現(xiàn)波浪形狀的剪切應(yīng)力,并在厚區(qū)兩翼成V形分布,因而試驗(yàn)帶坯的斜裂紋可能為周期性分布的。且剪切應(yīng)力過大時(shí),裂紋擴(kuò)展可能會(huì)貫穿已產(chǎn)生的裂紋,形成貫穿型長(zhǎng)裂紋(見圖4)。

圖5 試驗(yàn)與仿真結(jié)果

此外,鑄軋裂紋的產(chǎn)生是多因素的,而變形量增大還會(huì)反作用影響Kiss點(diǎn)位置,Kiss點(diǎn)位置的提升將導(dǎo)致變形范圍擴(kuò)大,接觸壓力上升,從而提高了界面的熱交換能力,最終導(dǎo)致Kiss曲線的進(jìn)一步上升。一旦Kiss曲線在鑄軋過程中出現(xiàn)不穩(wěn)定狀況,帶坯將會(huì)產(chǎn)生大量的裂痕,這將直接對(duì)鑄軋工藝的穩(wěn)定性和連續(xù)性產(chǎn)生影響。由此可知,裂紋的產(chǎn)生與熔池的布流情況息息相關(guān),通過帶坯的裂紋也可反映出熔池布流狀況的優(yōu)劣。

軋制的速度可能導(dǎo)致帶坯各部分應(yīng)力分布不平衡,特別在受到較高壓力的部分,可能出現(xiàn)物質(zhì)堆積的情況。材料的塑性特征在高應(yīng)變速率下會(huì)受到影響,軋制速度的增加將導(dǎo)致應(yīng)力更加集中,從而使裂紋的擴(kuò)展趨勢(shì)更加明顯。試驗(yàn)結(jié)果表明,溫度場(chǎng)分布、鑄軋速度、壓下量等因素均與斜向裂紋的形態(tài)和分布有關(guān),而其影響規(guī)律還需要進(jìn)一步探究。

4 解決方案及試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 抑制斜向裂紋產(chǎn)生的解決方案

通過前文對(duì)雙輥薄帶鑄軋板帶斜向裂紋形成機(jī)理的研究,總結(jié)其本質(zhì)原因?yàn)殍T軋過程中Kiss線不平穩(wěn),導(dǎo)致熔池中凝固坯殼嚙合形成的初級(jí)板坯出現(xiàn)明顯薄厚不均的現(xiàn)象,經(jīng)由兩側(cè)結(jié)晶輥的軋制作用,對(duì)板坯產(chǎn)生一定的軋制變形量,進(jìn)而在薄厚過渡區(qū)的流變界面產(chǎn)生應(yīng)力集中,最終形成多個(gè)微小裂紋,并隨軋制過程中所產(chǎn)生的剪切力提升而不斷向外擴(kuò)展,成為斜向裂紋。

為抑制雙輥薄帶鑄軋過程中斜向裂紋的產(chǎn)生,可從鑄軋工藝和試驗(yàn)設(shè)備的優(yōu)化2個(gè)方面考慮。

1)通過提高金屬液的澆鑄溫度并降低鑄軋速度,可有效地降低材料的粘度,使金屬液在熔池中表現(xiàn)得更加活躍。這樣一來,在產(chǎn)生厚薄差異時(shí),金屬液可為薄區(qū)材料提供更多的反應(yīng)時(shí)間,從而有效抑制厚薄過渡區(qū)的形成。同時(shí),通過調(diào)整鑄軋工藝并采取相應(yīng)的配合措施,內(nèi)部熔池溫度場(chǎng)發(fā)生變化,導(dǎo)致Kiss線整體高度下降。這種改變還會(huì)減小鑄軋過程中的壓下量,具體的鑄軋參數(shù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)主要鑄軋參數(shù)

2)針對(duì)試驗(yàn)設(shè)備優(yōu)化方面,主要將布流器高度降低,使熔池縮小,并使布流器兩側(cè)與結(jié)晶輥相切,減少澆鑄對(duì)熔池內(nèi)部的沖擊影響。同時(shí)兩側(cè)采用硅酸鋁板做側(cè)封板,在阻止金屬液外溢的同時(shí)確保隔熱性能。鑄軋過程中需要控制兩結(jié)晶輥之間的平行度。

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

參照4.1節(jié)方案,對(duì)鋁合金材料進(jìn)行了雙輥薄帶鑄軋?jiān)囼?yàn),驗(yàn)證抑制斜向裂紋方案的可行性。圖6為改進(jìn)后雙輥鑄軋板帶的表面宏觀特征。由圖6可知,板帶整體表面平整,未見宏微觀斜向裂紋出現(xiàn),板帶兩側(cè)無周期性摩擦所致的周期性裂紋。由此可得,抑制雙輥薄帶鑄軋工藝的斜向裂紋產(chǎn)生,需要綜合考量鑄軋過程中熔池溫度場(chǎng)、鑄軋速度、鑄軋過程中結(jié)晶輥對(duì)板帶的壓下量以及熔池布流和側(cè)封裝置的選材與設(shè)計(jì)。

圖6 板帶表面宏觀特征

5 結(jié)論

1)Kiss曲線的不穩(wěn)定性可能導(dǎo)致各區(qū)域的壓力下降量和換熱模式的差異,這將對(duì)帶坯的品質(zhì)產(chǎn)生影響,可能引發(fā)帶坯的組織不均勻、裂紋甚至報(bào)廢。在鑄造過程中,需要精確調(diào)整Kiss曲線的位置以保證與輥縫平行,同時(shí),在鑄造過程中應(yīng)避免使用過高的軋制速度和過大的軋制力。

2)在帶坯穿過輥縫的過程中,由于各區(qū)域的形狀不均勻,壓力較大的區(qū)域周圍會(huì)出現(xiàn)材料堆積,而單向的持續(xù)滑動(dòng)會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域的應(yīng)力集中,如果超過了鑄造物質(zhì)的塑性極限,滑動(dòng)區(qū)域會(huì)顯露較多微裂紋源。隨著剪切力的持續(xù)提升,這些微裂紋會(huì)不斷擴(kuò)大彼此連接,最終構(gòu)建起完全貫穿的裂紋區(qū)域,進(jìn)一步引發(fā)斜向裂紋。

3)通過提高鑄軋過程中的初始澆鑄溫度和降低鑄軋速度來改變?nèi)鄢貎?nèi)部溫度場(chǎng)的分布,間接降低鑄軋板帶過程中的壓下量,保證Kiss線始終處于同一水平線上,抑制鑄軋板帶出現(xiàn)薄厚不均的現(xiàn)象,杜絕斜向裂紋的產(chǎn)生。同時(shí)改變雙輥薄帶鑄軋過程中布流情況以及側(cè)縫保溫裝置,對(duì)抑制裂紋的產(chǎn)生和維持熔池內(nèi)部溫度場(chǎng)有積極影響。