（材料加工工程专业论文）预备热处理冷轧变形材料组织遗传演化规律研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特另! f 加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大 学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：屎垫日期：至竺竺：! 兰：z 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本 学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使 用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：欤缸 导师( 签 龄7 o 确弘| 摘要 环件轧制是一种先进的连续局部塑性成形工艺，主要用于制造各种截面形状 的无缝环形零件，具有生产成本低，产品性能优良和产品精度高等优点，广泛地 应用于汽车、火车、船舶、航空航天和原子能等工业领域中。本文通过有限元模 拟和实验的方法，研究了矩形截面的冷轧环件在预备热处理、冷轧和淬火过程中 的微观组织演化和变形行为，为环件冷轧工艺的优化和产品精度的提高提供了理 论基础。 首先对4 5 钢环件进行预备热处理，通过拉伸实验，测试材料的力学性能， 建立本构关系，然后根据测得的材料本构关系，在a b a q u s 软件中模拟环件冷 轧的过程，在d 5 6 g 9 0 型精密冷轧环机上对热处理过的环件进行轧制，最后用电 子扫描电镜观察每步工艺后微观组织的变化情况。模拟和试验研究表明：在一定 范围内，环件的退火冷却速度越快，珠光体晶粒越小，片层间距越小，晶粒分布 越均匀，材料的强度和塑性越好。随着退火冷却速度降低，屈服强度、抗拉强度、 延伸率和硬度逐渐降低。4 5 钢环件冷轧后，冷却速度越快的环件所受的应力越 大，应变越小。晶粒沿轧向分布，与未经过预备热处理直接冷轧的环件相比，经 过退火工艺处理过的环件的晶粒更加细小，组织分布更加均匀，且在预备热处理 中退火冷却速度越快的环件，冷轧后珠光体片层破碎越严重，晶界越不明显。 对g c r l 5 钢环件采用了预备热处理、冷轧、淬火的试验工艺，同时运用 a b a q u s 软件对其冷轧过程进行了模拟。并用电子显微电镜、拉伸实验、x 射 线衍射和显微硬度测试等测试方法，观察g c r l 5 钢环件在处理过程中微观组织 和力学性能方面的变化情况。结果显示：g c r l 5 钢球化退火后，由片状珠光体转 变为粒状珠光体，且随退火冷却速度的减缓，退火后渗碳体晶粒变大，抗拉强度 增大，延伸率变小。 冷轧后，退火冷却速度快的环件，外层 1 1 1 ) 织构和 1 1 1 ) 织构的 强度较强。随着由外层向中间层过渡，织构逐渐变得杂乱， 1 1 1 ) 织构组分 逐渐减弱， 1 1 1 ) 织构组分逐渐增强， 1 1 1 ) 织构向 1 1 1 ) 织构过 渡，同时旋转立方 1 0 0 织构存在；往内层过渡， 1 1 1 ) 织构和 1 1 1 织构的强度均略有减弱，且出现较弱的旋转立方 1 0 0 织构组 分。淬火后，退火冷却速度快的环件，马氏体晶粒更细小，渗碳体颗粒更小。 g c r l 5 钢环件在整个工艺过程中硬度方面的变化是，正火后，环件硬度变化 不大；退火后，硬度均下降；冷轧后，硬度稍有提高；淬火后，硬度成倍的增长。 在每步工艺后，硬度均是退火冷却速度慢的环件硬度最高，另两个环件的硬度随 退火冷却速度的增快而变小。 关键词：环件冷轧、预备热处理、微观组织、力学性能、织构、显微硬度 i i e x p e r i m e n t s ，r e s e a r c h e do nm i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o na n dd e f o r m a t i o nb e h a v i o ri n p r e - h e a tt r e a t m e n t ，r o l l i n g ，a n dq u e n c h i n go fr i n g s i tw i l lp r o v i d et h et h e o r e t i c a l b a s e so fi m p r o v i n gt h ep r e c i s i o na n dp r o p e r t i e so fc o l d r o l l e dr i n g s f i r s t l y , g e tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fp r e - h e a tt r e a t e d10 4 5s t e e lb yt e n s i l et e s t s e c o n d l y , ar a t i o n a lf em o d e lo fc o l dr i n gr o l l i n gw a ss e tu pi na b a q u ss o f t w a r e e n v i r o n m e n t , a n dt h ec o l dr i n gr o l l i n gw a sa n a l y z e d t h i r d l y , p r a c t i c a le x p e r i m e n t w a sc a r d e do u to nd 5 6 g 9 0c o l dr i n g r o l l i n gm i l lw i t ht h e s a b l ep r o c e s s i n g p a r a m e t e r su s e di nf es i m u l a t i o n l a s t ，i n v e s t i g a t et h em i c r o s t r u c t u r e sa f t e re v e r y p r o c e s s e s t h er e s e a r c hs h o w st h a tw i t h i nt h er a n g em e a s u r e d i nt h e s ee x p e r i m e n t s ， t h es i z eo ft h eg r a i n si nt h er i n g sb e c o m e ss m a l l e ra st h e a n n e a l i n gc o o l i n gr a t e i n c r e a s e s ，w h e r e a st h el a m e l l a rs p a c i n go ft h ep e a r l i t ed e c r e a s e s ，w h i c hr e s u l t si n s t r o n g e rm a t e r i a l sw i t hi n c r e a s e dp l a s t i c i t y a tt h es a m et i m e ，鹤t h ea n n e a l i n gc o o l i n gr a t er i s e s ，t h es t r e s si n s i d et h er o l l e d r i n g sr i s e s ，w h i l et h es t r a i nb e c o m e ss m a l l e r , a n dt h ef r a g m e n t a t i o no ft h ep e a r l i t e l a m e l l a ei n c r e a s e sa n dt h e yb e c o m ef i n e r a l lo ft h e s ee f f e c t sl e a dt oi m p r o v e dr o l l e d r i n gp r o p e r t i e s e x p e r i m e n t s o fp r e - h e a tt r e a t m e n t ，c o l dr i n g r o l l i n g a n dq u e n c h i n gw a s c o n d u c t e dt ot i n g so fg c r l5s t e e l ，t h e ns i m u l a t e dt h ec o l dr i n gr o l l i n go fg c r l5i n a b a q u ss o f t w a r ee n v i r o n m e n t t h es a m p l e sw e r er e s e a r c h e di ns e m ，t e n s i l e t e s t ， x r da n dm i c r o h a r d n e s s t h er e s u l t si m p l yt h a tg c r l5s t e e la f t e ra n n e a l i n gt u r n e d g r a n u l a rp e a r l i t ef r o ml a m e l l a ra n dc e m e n t i t eg r a i n sb e c o m eb i g ，u l t i m a t et e n s i l e s t r e n g t hi n c r e a s e s ，a n dp e r c e n t a g ee l o n g a t i o nd e c r e a s ew i t ht h es l o w e ra n n e a l i n g c o o l i n g r a t e t h e 1 11 ) - f i b r et e x t u r eo fc o l dr i n gr o l l e dr i n gs t r e n g t h e na sq u i c k e r a n n e a l i n gc o o l i n gr a t e t h e 1 1 1 ) t e x t u r es t r e n g t h e na n dt h e 1 1 1 ) t e x t u r ew e a k e nf r o mo u t s i d et om i d d l eo ft h eg c r i5s t e e lr i n g i nt h ei n s i d e ，t h e il1 ) a n dt h e 1 1 1 ) w e a k e n a tt h es a m et i m e ，t h e 1 0 0 t e x t u r e e x i s t si nt h ei n s i d er i n g a f t e rq u e n c h i n g ，t h em a r t e n s i t eb e c o m e ss m a l l e ra n dt h e i i i i v 1 1 2 2 2 1 3 环件轧制原理及特点3 1 3 1 环件轧制原理3 1 3 2 环件轧制特点4 1 4 研究现状5 1 4 1 环件轧制研究现状5 1 4 2 环件轧制前后微观组织研究现状6 1 5 课题来源、目的及意义8 1 5 1 课题来源8 1 5 2 课题目的和意义：8 1 6 本文主要研究内容8 第2 章实验材料和研究方法1 0 2 1 实验材料1o 2 2 研究方法1 1 2 2 1 实验方案1 1 2 2 2 预备热处理1 1 2 2 3 力学性能测试11 2 2 4 a b a q u s 模拟软件简介1 2 2 2 5 冷轧环件1 3 2 2 6 显微组织观察1 9 2 2 7 显微硬度测试19 2 2 8 x 射线衍射测试织构2 0 2 3 本章小结2 2 第3 章退火冷却速度对4 5 钢冷轧环件微观组织和变形行为的影响2 3 3 1 引言2 3 3 2 预备热处理2 3 v 3 2 1 4 5 钢的热处理特性2 3 3 2 2 实验方法2 4 3 2 3 结果分析2 6 3 3 冷轧环件3 0 3 3 1 建立环件轧制模型3 1 3 3 2 冷轧环件3 2 3 3 3 结果分析3 2 3 4 本章小结3 9 第4 章退火冷却速度对g c r l 5 钢冷轧环件微观组织和变形行为的影响4 0 4 1 引言4 0 4 2 预备热处理4 0 4 2 1 g c r l 5 的热处理特性4 0 4 2 2 实验4 l 4 2 3 结果分析4 3 4 3 冷轧环件4 5 4 - 3 1 建立环件轧制模型4 5 4 3 2 冷轧环件4 5 4 3 3 结果分析4 6 4 4 淬火：5 1 4 4 1 实验5 l 4 4 2 结果分析5 1 4 5 本章小结5 4 第5 章总结与展望5 6 5 1 研究总结5 6 5 2 前景展望5 7 致谢5 8 参考文献5 9 攻读硕士期间发表的论文6 2 v i 1 1 引言 第1 章绪论 环件轧制是一种生产无缝环件的连续局部塑性加工成形工艺。它不仅是先进 材料与制造技术的重要支撑技术，而且是节约型、高效型、绿色型成形制造技术 的重要分支之一，在推动科技、经济和国防现代化进程中具有显著作用。环件轧 制主要用于制造轴承环、法兰环、齿轮环、燃气轮机环、火车轮箍及车轮等各种 无缝环件，日益广泛的应用于汽车、火车、船舶、航空航天、机械、石油化工、 原子能等工业领域中 。这就迫切需要发展先进的环件轧制技术，使得环件制造 朝着高性能、轻量化、精确成形、低成本、短流程、数字化、环境友好方向发展。 近年来，我国在提高环件轧制质量方面已经做了大量的研究工作。从国外直 接引进技术与国内实际情况相结合，自行开发出一些有关提高产品精度的基础理 论和实用的先进装备及工艺，其中一些理论和技术已达到或超过国外的先进水 平。但总的说来，由于我国的工艺设备水平比较落后，高精度轧制理论和技术与 国外发达国家的先进水平相比仍有差距。因此，提高我国各种轧制产品的精度是 我国轧制领域发展的当务之急【2 叫 随着工业技术水平、现代化建设的发展的进步，对环形零件的性能要求也越 来越高，除了要求有严格的化学成分组成之外，还需要有细小的晶粒度、均匀的 内部组织。不断提高钢的冶炼质量、改进冷轧前的热处理工艺和冷轧工艺是改善 环形零件质量和精度的重要手段。 2 0 世纪中期，冷却速度的加快对钢的晶粒细化和组织强化作用逐渐被人们 所认同，以至于有了“水是最廉价的合金元素 的通俗说法，用水冷代替某些合 金元素，可以达到提高钢材强韧性的目的【j 7 1 ，故本研究通过改变退火冷却速度， 以期能达到提高环件组织性能的要求。在课题研究方法方面，采用有限元软件模 拟、理论和相关实验有机结合的方法，能使虚拟与现实相结合，将大量反复试验 在计算机上仿真完成，然后再在实际实验中得以验证，可以比理论和实验做得更 细致、更全面、更深刻。 改变材料 处理工艺 加热温度是热处理工艺的重要工艺参数之一，选择合适的加热温度，是保证 热处理质量的主要参数。加热温度根据被处理的金属材料和热处理的目的不同而 改变，但一般都需要加热到相变温度以上，获得高温组织，为下一步的相变做准 备。另外因为转变需要一定时间，所以当金属工件表面达到相变要求的加热温度 时，还须在此温度保持一定时间，使内外温度达到一致，使显微组织转变完全， 以便冷却后可得到均匀的组织。 冷却也是热处理工艺过程中重要的步骤，冷却方法因工艺不同而不同，主要 是控制冷却速度。一般淬火的冷却速度最快，正火的冷却速度较慢，退火的冷却 速度最慢。但还因钢种不同而有不同的要求，例如空硬钢( 6 0 c r 2 m n 2 s i m o v ) 就可以用正火一样的冷却速度进行淬硬。 1 2 2 热处理特点 热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不 改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变 工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。 为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材 料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。钢铁是机械工业中应用最 广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，金属热处理的主要内 容就是钢铁的热处理。另外，铜、铝、钛、镁等及其合金也都可以通过热处理改 变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性能。 金属热处理工艺大体可分为普通热处理、表面热处理( 化学热处理和表面淬 火) 和特殊热处理( 磁场热处理、形变热处理等) 三大类。根据热处理在零件生 产流程中的位置和作用，热处理还可以分为预备热处理和最终热处理。普通热处 理是对工件整体加热，然后以合适的速度冷却，获得工件制造、使用所需要的金 相组织，以改变工件力学、物理和化学性能的金属热处理工艺。 钢铁普通热处理主要有退火、正火、淬火和回火四种工艺。 2 退火是在生产中应用很广泛的预备热处理工艺，它是将组织偏离平衡状态的 钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却，以获得达到或接近平衡状态 组织，使工件获得良好的工艺性能和使用性能。退火有时也可以用来为进一步淬 火作组织准备。退火根据加热温度可以分为：完全退火、不完全退火、球化退火、 扩散退火、再结晶退火和去应力退火。 正火是将工件加热到适宜的温度后，根据材料和处理目的的不同选择一定时 间保温，使之完全奥氏体化，然后在空气中冷却。正火的目的就是改善低碳钢的 切削加工性能，消除中碳钢热加工缺陷，消除过共析钢的网状碳化物和提高普通 结构件的机械性能。 淬火是将工件加热到相变临界点以上一定温度，保温一定时间，然后以大于 临界淬火速度的速度冷却，使过冷奥氏体转变为马氏体( 或贝氏体) 组织。淬火 后钢件的硬度、强度和耐磨性得到提高，但钢件的韧性降低。 回火是紧接淬火的一道热处理工艺，它是为了降低钢件的脆性，减小或消除 淬火应力，稳定组织，获得强度、塑形、韧性和硬度的适当配合，以满足不同工 件的性能要求。 1 3 环件轧制原理及特点 1 3 1 环件轧制原理 环件轧制【1 1 是借助于轧环设备使环件产生壁厚减小、直径扩大、截面轮廓成 形的塑性加工工艺。而环件冷轧则是指在常温下对环形坯料进行轧制，其实质是 金属墩粗与延伸变形，其冷轧原理如图1 - 1 所示。 镶辍 图1 - 1 冷轧原理示意图 3 缓鳓糍 终件 蟹向糍 巷铙 武汉理工大学硕士学位论文 常见的环件g l a l j 系统由驱动辊、芯辊、导向辊、信号辊和环件构成。驱动辊 为主动辊，同时作旋转轧制运动和直线迸给运动。环件径向轧制中，驱动辊旋转 轧制运动由电动机提供动力，直线进给运动由液压或气动装置提供动力。芯辊为 被动辊，作从动旋转轧制运动，导向辊和信号辊都为可自由转动的从动辊，芯辊、 导向辊和信号辊运动无需提供动力，在环件摩擦力作用下随环件作从动运动。在 驱动辊作用下，环件通过驱动辊与芯辊构成的轧制孔型产生连续局部塑性变形， 使环件壁厚减小、直径扩大、截面轮廓成形。轧制过程中，导向辊的导向运动保 证了环件的平稳转动。当环件经过多转车l a t j 变形且直径扩大到预定尺寸时，环件 外圆表面与信号辊接触，驱动辊停止直线进给运动并返回，环件轧制过程结束。 在进行大型复杂截面环件轧制时则会采用径轴向轧制方法。该轧制系统在径 向环件轧制设备的基础上，增加一对轴向端面轧辊，对环件的径向和轴向同时进 行轧制。其原理比较复杂，这里不多加描述。 1 3 2 环件轧制特点 环件g l n 有如下基本特点： ( 1 ) 异径等线速度轧制。驱动辊与芯辊直径相差较大，转速不同，且驱动 辊是作主动旋转运动，芯辊是作从动运动。驱动辊的旋转轧制运动与芯辊的直线 进给运动是相互独立。 ( 2 ) 多道次轧制。环件毛坯在轧制中反复多次通过高度逐渐减小的轧制孔 型，使环件轧制表现出多道次轧制的特点。 ( 3 ) 环件变形区几何边界是复杂的、不稳定的，变形的热、力条件也是动 态变化的。 所以，环件轧制过程不仅具备异步轧制、多道次轧制、普通平板轧制的耦合 性质，而且表现出几何非线性和物理非线性的耦合性质。 环件轧制与机械加工、锻造等传统的加工方法相比，具有明显的优点，主要 包括有： ( 1 ) 加工余量少，材料利用率高 由于环件g l n 近似是一种净成形工艺，在轧制过程中几乎没有材料的切削， 因此很大程度的提高了材料的利用率。 ( 2 ) 环件精度高，内部质量好 环件表面不存在自由锻与马架扩孔的多棱形和火焰切割的粗糙面。由于环件 轧制不切断金属的纤维，保持了金属材料的流线。因此，环件经过轧制后，内部 组织致密，晶粒细小，纤维沿圆周方向排列，从而提高了环件的机械性能和使用 性能。 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 加工范围大，生产率高，生产成本低 环件轧制可以广泛用于各种大、中、小型环件的制造。环件轧制设备的轧制 速度通常为1 一2 m s ，轧制周期一般为1 0 s 左右，最小周期己达3 6 s ，大大高于环 件的自由锻造和火焰切割，也高于模锻生产率。环件轧制具有材料利用率高、机 加工工时少、生产能耗低等综合优点，因而生产成本较低。 虽然冷环轧已经取得了很大的研究成果，但是在材料的组织上还是不能生产 出高度连续一致的产品，材料的表面和内部缺陷仍然是制约高质量环件产品的主 要矛盾之一。环件轧制也不能达到直接生产高质量环件产品的程度，仍然还需要 后续的机械加工，才能达到所需要的高精度尺寸要求。 环件轧制作为一种高效、先进和主要的塑性成形工艺之一，主要的发展趋势 有大型环件* l s j j 技术、高速环件* l n 技术、精密环件* l n 技术、复杂环件轧制技 术和柔性环件轧制技术。 1 4 研究现状 1 4 1 环件轧制研究现状 经过近一百多年的发展，环件轧制无论是在设备、制造工艺，还是在理论研 究上都取得了长足的进步。 武汉理工大学的华林【1 ，蛆2 】在这方面取得的突出的成绩。不论是理论方面 9 - 1 6 ，还是实际生产制造方面【1 7 圆】，都进行了全面而深入的研究。华林主要在轧 制力、力矩、设备零件的设计、毛坯尺寸的设计、工艺参数设计、轧制过程的有 限元模拟以及在汽车制造中的应用方面成果斐然。其他的专家也对环件轧制做了 相关研究。 在芯辊和环的接触弧长方面，华林等人e 9 , 1 0 1 n 研究发现接触弧长极大地影响 了冷轧力和力矩的大小，并决定着冷轧能否顺利进行。r y o o 等人在平面应变 环件轧制加工中，用力多边形法来决定轧制力矩和压力载荷，并已经应用于小接 触弧长。 在轧制力和力矩方面，华林【9 】分别采用上限法和滑移线法提出了环件轧制力 能计算方法，该方法求解方便、不存在待定系数且与实际轧制非常相符。他认为， 轧制力随着咬入量的增加而增加。在力能极限达到前，较大的咬入量会导致较大 的力矩而达到机器的负荷极限。h a w k y a r d 及其合作者 3 1 3 2 1 的实验研究在内的几 种方法都用于决定力和力矩与其他变量，如进给速率、芯辊直径、轧制速度和润 滑之间的关系。y o u n g a s o oy e a 等人【3 3 】采用商用软件s h a p e 。r r 中刚塑性有限元 武汉理工大学硕士学位论文 方法，对t 型截面的环件进行了模拟，得出了冷轧时的压力分布及轧制力，其 结果可用于环件的生产，模具及装备的设计和分析。这些方法都是基于刚塑性和 大量的假设来进行计算的，因而需要更多地考虑实际工况，考虑弹性变形、加工 硬化和残余应力等对轧制力的影响。 在芯辊进给速度方面，张猛等人【3 4 】认为，进给量过大，环坯不转或不均匀 转动，若过小，则因塑性区不能穿透环件径向厚度而形成表面变形，环件端面出 现鱼尾、毛刺、折叠等缺陷。于是，作者在该文中提出了径向轧制进给速度规范。 陈社伟等人【3 5 】以体积不变的原理，得出了环件轧制的最大进给速度和最小进给 速度，因而稳定轧制进给速度必须介于最大进给速度和最小进给速度之间。 在计算机模拟方面，1 9 9 0 年n a k s o ok i m 等人【3 6 】用三维刚塑性有限元方法对 环件轧制进行了模拟，并编制了r i n g 的计算机程序，主要工作是在环件轧制有 限元模型网格划分中引入了两种网格划分系统，从而减少了计算量。并对矩形环 件和t 型截面的环件进行了模拟，并将其模拟结果( 最终的几何形状的改变) 与实验数据进行了比较，取得了好的效果。d y y a n g 等人【3 7 】也对t 型截面的环 件轧制进行了三维刚塑性有限元的模拟。国内的许思广【3 8 】用三维刚塑性有限元 法分析了横断面为对称的环件轧制变形过程，并且分析了环件轧制过程的热耦合 问题。解春雷【3 9 】用刚粘塑性动力显式算法有限元模拟了环件轧制过程，提出了 环件轧制过程的刚粘塑i 生算法，模拟结果揭示出环坯形状、尺寸、温度和轧制加 载速度对工艺性指标和效率指标的影响。罗洲等【4 0 】使用a h a q u s e x e l i c i t 程序，用 显式算法中的最新求解技术，对环件轧制过程动态模拟，真实的反映了环件轧制 的整个过程。 近年来，k s a w a m i p h a d i ，p m p a u s k a 等【4 1 1 ，利用显式有限元模型对环件轧 制过程进行了分析，其主要是利用显式有限元程序分析各种冷环轧工艺过程，可 以发现，利用显式有限元分析，可很准确的得至u c l $ u 过程的各个参数，并节约大 量的计算时间。k d a v e y 和m j w a r d 4 2 通过a l e ( a r b i t r a r yl a g r a n g e - e u l e r ) 流动 方程对环件c l s u 进行了模拟，这主要是基于a l e 力学模型的有限元分析，它比 惯用的l a g r a n g e 程序可以节省大量的计算时间，可以对很复杂的变形过程进行 模拟，提出了基于a l e 流动方程的环件轧制有限元模型，并指出真正较为准确 的模拟模型应该是弹塑性的，只有弹塑性的模型才能较全面地模拟冷轧的基本过 程。h i r o s h iu ts u n o m i y a 等人【4 3 】采用传统的非稳态机制的隐性弹塑性有限元对环 件进行了模拟，揭示了冷轧过程的本质特征。 1 4 2 环件车l $ 1 1 前后微观组织研究现状 纵观环件轧制理论的发展历程，研究对象多为轧制过程的力学、运动学，后 6 武汉理工大学硕士学位论文 | 。1 。一 来的有限元方法也局限于对轧制过程中环件的应力应变场分布和尺寸精度等宏 观特征的研究。众所周知，冷轧后产品的宏观力学性能与其微观组织结构密切相 关，在平板轧制和挤压等塑性成形领域已经有相关学者采用微观组织测试方法对 冷加工产品的微观组织性能以及加工工艺对微观性能的作用机制进行了研究， 如：w a u t h i 一“】采用s e m 和e b s d 等方法对异步轧制i f 钢板的晶粒尺寸和变形 织构进行了研究；s h e l l 4 5 】采用s e m 和t e m 对轧后钢板的微观组织进行研究， 研究了微观组织性能对力学性能的影响；z h a n g 4 6 】采用s e m 和t e m 对过共析珠 光体钢冷轧过程中的组织演变进行了研究，分析了珠光体片层在冷轧过程中的变 形行为；贺彤【4 7 1 采用x r d 和t e m 等方法对冷轧i f 钢板的微观形貌和织构进行 了同步分析。y a n a g i m o t o t 4 8 】研究了一个热挤压系统及其冷却控制系统，并采用 s e m 对单道次挤压产品的晶粒尺寸进行了研究。q u a d i r i 4 9 】在三维背散射电子衍 射仪( 3 de b s d ) 中生成了冷轧i f 钢板中微变形带的三维重构图，研究了冷轧 钢板中出现的变形带的结构和晶体学特征。k a n g 5 0 】研究了终轧温度对碳含量 为o 1 钢的微观组织、拉伸性能和冲击韧性的影响，通过s e m 量化的研究了晶 粒的尺寸。m o r r i s 5 1 】采用透射电镜研究了轧后塑性应变达3 3 的铁铝合金试样的 显微组织形貌，并用菊池线法对其晶体学结构进行了研究。t a k a k i 5 2 】讨论了冷轧 或机械研磨过程中铁和钢的微观组织演变，从细晶强化角度讨论了剧烈塑性变形 所导致的强化机制。 在环件轧制细微观层次的变形、组织演化规律的研究相对较少，这种状况 不利于环件轧制技术应用发展。 贾耿伟【5 3 】对环件在冷轧过程中的组织演化、表面质量和淬火中的组织演化 进行了研究。研究显示，冷环轧的组织演化主要集中在外表层区域，环件的外表 层的粒状碳化物变得更加均匀，局部区域出现了铁素体亚晶粒，部分细小的碳化 物回溶到基体，增大了基体的含碳量。环件表面的缺陷主要是粘着磨损与表面微 裂纹；环件表面的大应变导致的严重加工硬化加重了环件的表面磨损；在表面应 变大的区域会形成表面微裂纹，并且对碳化物周围微裂纹的萌生机理进行了说 明。冷轧环件的表面区域晶粒大小与冷轧变形量有关，环件表层区域的马氏体变 的更加细小。 邵一川【5 4 】在不同的轧制工艺条件下对纯铜环件进行了轧制实验，t e m 实验 结果显示，随着环件压下量的增加，完整的晶粒演变为亚晶，并出现高密度位错 胞；随轧制进给速度后增加，环件晶粒内部位错密度增大，亚晶数量增多，晶粒 进一步细化。 骆新根【5 5 1 对环件冷轧后、再结晶退火后以及淬火后的微观组织和显微硬度 进行了研究。研究表明较大变形量的环件组织中碳化物更细小、均匀，硬度分布 7 武汉理工大学硕士学位论文 均匀性也更好。第二相细化过程阻碍了再结晶过程，使再结晶温度提高；小变形 量环件可以通过低于再结晶温度长时间保温完成再结晶。增大变形量可以提高组 织中合金碳化物溶解的均匀性和环件的韧性，同时减小淬火显微裂纹产生和扩展 的几率。回火之后环件综合机械性能明显提高。 预备热处理是冷轧前改变环件细一微观组织的关键工艺，通过它可以获得接 近平衡状态的组织，对环件轧制的工艺和产品质量有着重要的影响。但是目前就 预备处理与冷环轧之间的研究还是空白，本文将对这一领域进行研究。 1 5 课题来源、目的及意义 1 5 1 课题来源 本课题来源为国家自然科学基金项目“环件冷轧淬火中细微观变形与损伤 规律研究”( 项目编号5 0 6 7 5 1 6 4 ) 和国家科技重大专项资助项目“精密锻轧成套 新技术 ( 编号：2 0 0 9 z x 0 4 0 1 4 0 7 4 ) 。 1 5 2 课题目的和意义 本课题研究旨在揭示预备热处理对冷环轧过程中环件组织的遗传影响规律， 以期能够得到退火冷却速度对冷轧产品质量的影响规律，为其组织性能控制方法 提供理论依据，这对于消除冷轧环件组织缺陷，提高冷轧环件精度与性能具有实 际意义。 1 6 本文主要研究内容 ( 1 ) 研究预备热处理中的冷却速度对珠光体晶粒的大小和片层间距的影响。 材料经过三种冷却速度的退火处理后，在s e m 下观察珠光体晶粒的大小和片层 间距，并用i m a g e t o o l3 软件进行测试，得出退火速度与珠光体晶粒大小和片层 间距的关系。 ( 2 ) 研究预备热处理后材料的力学性能，以及力学性能对冷轧变形行为的 影响。通过拉伸实验，测试预备热处理后材料的力学性能，并在a b a q u s 中根 据不同的本构关系，建立有限元模型，结合轧制的工艺参数，模拟环件轧制的过 程。研究不同预备热处理工艺下，力学性能参数对环件冷轧后的应力、应变的影 响，以及应力、应变对环件微观组织的影响。 。 ( 3 ) 通过x r d 测试环件冷轧后的织构情况，得出不同退火速度对冷轧后 织构的影响以及冷轧后环件外层、中间层、内层织构分布的特点。 ( 4 ) 研究在预备热处理一冷轧一淬火过程中显微硬度的变化情况，得出每 步工艺对显微硬度的影响以及不同退火冷却速度对整个工艺过程中显微硬度的 影响。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 实验材料 第2 章实验材料和研究方法 实验采用热轧后的4 5 钢和经高温镦锻的g c r l 5 钢。4 5 钢的组织由铁素体和 珠光体组成，属于亚共析钢，是一种高强度中碳调质钢，具有一定的塑性和韧性， 切削性能良好，经过调质( 或正火) 后，能获得较高的强度和韧性等综合机械性 能。用于制造较高强度的运动零件，如空压机、泵的活塞，蒸气透平机的叶轮； 重型和通用机械中的轧制轴、齿轮、键等；可也可用作铸件。4 5 钢的化学成分 如表2 1 所示。 表2 - 14 5 钢的化学成分( w t ) g c r l 5 钢是一种合金含量较少、综合性能良好、应用最广泛的高碳铬轴承钢。 经过淬火加回火后具有高而均匀的硬度、良好的耐磨性、高的接触疲劳性能。该 钢冷加工塑性中等，切削性能一般，球化退火后有良好的可切削性。其中c r 能 增加淬透性和低温回火时的回火稳定性，同时有部分c r 与c 形成的( f e ，c 0 3 c 合 金渗碳体，在淬火后呈细小颗粒状均匀分布在隐晶马氏体的基体上，使淬火后的 轴承钢有高而均匀的耐磨性和硬度，并且能增加钢的韧性【5 3 1 。g c r l 5 钢的化学成 分如表2 2 所示。 表2 - 2g c r l 5 钢的化学成分( w t ) l o 实验采用如下的技术方案： 2 2 2 预备热处理 图2 - 1 实验技术方案示 预备热处理是将热加工后为随后的冷拔、冷冲压和切削加工或最终热处理作 好组织准备的热处理。本实验预备热处理采用的设备是型号为s g 2 5 1 2 的坩埚 电炉和型号为k s w - 6 d 1 6 的温度控制器。 2 2 3 力学性能测试 将棒材车成如图2 - 2 所示标样，放在型号为z w i c k r o e l lz 1 0 0 的力学性能实 验设备上进行拉伸实验，获得环件冷轧前的力学性能。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 2 拉伸实验标样 2 2 4 a b a q u s 模拟软件简介 a b a q u s 软件有强大的有限元分析功能和c a e 功能，能够求解各种复杂的 模型并能解决实际工程问题，在分析能力和可靠性等方面尤为突出。它包括以下 三个步骤：前处理、分析计算和后处理。在前处理阶段需要定义屋里问题的模型， 并生成一个a b a q u s 输入文件；在分析计算阶段，使用a b a q u s s t a n d a r d 或 a b a q u s e x p l i c i t 求解输入文件中所定义的数值模型；后处理部分可以用来读入 分析结果数据，以多种方法显示分析结果，包括彩色云纹图、动画、变形图和 x y 曲线图等。 为方便分析步的定义、接触的定义、以及简化求解计算，冷轧环件过程的模 拟采用a b a q u s e x p l i c i t 显式分析步。另外，在冷轧过程中，环件与驱动滚、芯 辊、导向辊之间都存在接触关系，它们之间采用的摩擦采用a b a q u s e x p l i c i t 提供的动力学面对面接触算法。这里对a b a q u s 有限元分析软件模拟过程进行 简单介绍。 ( 1 ) 创建部件：在p a r t 模块中建立几何模型。 ( 2 ) 设置材料和截面特性：在p r o p e r t y 模块中建立材料模型和截面属性， 完成转动惯量的赋予。 定义装配件：在a s s e m b l y 模块中进行模型之间的装配，完成集合定 义和表面定义。 设置分析步和变量输出：在s t e p 模块中设置分析步相关参数。 施加载荷与边界条件：在i n t e r a c t i o n 模块中定义模型之间的接触，在 l o a d 模块中定义边界条件。 划分网格：在m e s h 模块中对部分模型进行网格划分。 运行分析：在j o b 模块中建立作业，检查无误后提交运算。 结果后处理：在v i s u a l i z a t i o n 模块中进行结果分析。 1 2 ) ) ) ) ) ) 3 4 5 6 7 8 ( ( ( ( ( ( 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 5 冷轧环件 2 2 5 1 环件轧制静力学和运动学原理 环件轧制1 1 过程可分为环件咬入建立轧制过程阶段、稳定轧制阶段、轧制结 束阶段。环件连续咬入孔型是环件转动并实现稳定轧制的必要条件，为了具体分 析必要条件，建立如下的环件咬入孔型的力学模型，忽略导向辊对环件的作用力， 如图所示。 图2 3 轧制示意图 图中 p l 驱动辊对环件的正压力； 死驱动辊对环件的摩擦力； p 2 芯辊对环件的正压力； 驱动辊与环件的接触角； 口，芯辊与环件的接触角； r l 驱动辊的工作半径； 恐芯辊的工作半径； 玩环件在孔型入i z l 处的壁厚； 卜环件在孔型出口处的壁厚； 厶卜环件轧制中每转壁厚的减小量，为庇。一办； 栉驱动辊转速； 接触弧长在进给方向的投影长度。 武汉理工大学硕士学位论文 设毛、8 ：为系数，且q 和s ：( 0 ，1 ) ，则驱动辊对环件合力作用点位于环件外 圆接触弧毛q 角处，芯辊对环件合力作用点位于环件内孔接触弧的e 2 a ：角处， 要使环件咬入孔型，则环件所受的拽入力必须大于或等于它所受的推出力，而进 给方向环件的受力是平衡的。所以： c = 互，+ 置，+ 最，= 互c o s ( g l 口1 ) 一s i n ( c l a l ) 一es i n ( s 2 口2 ) 0 ( 2 1 ) e = 互y + 丑y + 罡j ，= 一正s i n ( 6 l 口1 ) 一只c o s ( s 1 口1 ) + 最c o s ( o p 2 口2 ) = 0 ( 2 2 ) 假设环件与轧辊之间的接触摩擦符合库仑摩擦定律，设环件与轧辊之间的摩 擦角为，则= t a n , a ，整理得到环件咬入孔型条件与进给量的关系 乃k = 器( ，+ 罢+ 鲁一等) q 哪 幽。为环件咬入孔型所允许的最大每转进给量或环件最大每转壁厚减小 量。 由式( 2 3 ) 可知，影响环件咬入条件的因素有轧制摩擦、轧辊尺寸和环件尺寸 等。公式( 2 3 ) 表明，环件轧制每转的最大进给量与轧制摩擦角的平方成正比，即 每转最大进给量随轧制摩擦的增大而增大。轧制摩擦增大是有利于环件咬入孔型 的。咬入孔型所允许的最大每转进给量与轧辊尺寸的关系是一条开口向下的抛物 线。芯辊尺寸不变时，当驱动辊的半径小于而而专而时，咬入所允许的最大 每转进给量随驱动辊半径的增大而增大；当驱动辊的半径大于磊娑 i 时， 咬入所允许的最大每转进给量随驱动辊半径的增大而减小。驱