（钢铁冶金专业论文）if钢铁素体区热轧工艺研究.pdf

河北理工学院硕士学位论文 摘要 本课题是东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室与宝钢合作研究的课 题“超低碳无间隙原子钢铁素体区轧制工艺研究”的一部分，是在东北大学轧制技 术及连轧自动化国家重点实验室的支持和资助下进行的，目的是为了满足汽车工业发 展的要求，探讨提高i f 钢板r 值的最佳工艺制度。本文针对宝钢生产的t i i f 钢， 制定了铁素体区轧制工艺，通过测定深冲性能指标r 、n 值、显微组织及织构，对深 冲性能与轧制工艺参数的关系进行了研究，另外，还对i f 钢的变形抗力进行了研 究。主要研究工作及结论包括： 1 变形抗力试验在o l e e b l e 热模拟机上完成。 2 对i f 钢的变形抗力数学模型进行了回归，并绘出了应力应变曲线、应力温度曲 线、变形速度应力曲线，对反映出来的规律进行了分析，解释了两相区变形抗 力降低的原因。 3 在两相区，由于腰钢的超低碳和无间隙原子这一钢种特性，原子结合力是影响 变形抗力的首要因素；随着变形温度的降低，变形抗力也降低，这样8 0 0 的高 温铁素体轧制和1 0 0 0 的奥氏体区轧制在变形抗力方面相近。 4 轧制在二辊阶梯轧机上进行，退火在氢气保护退火炉中进行。 5 根据拉伸机上测得数据计算f 值，并结合o d f 图分析，显微组织分析，对铁素 体区轧制工艺获得的织构进行评价。 6 影响钢深冲性能的主要因素是压下率、变形温度、退火温度。压下率在 8 7 5 左右时深冲性能指标r 值达最大。变形温度越高，深冲性能越差。在保证 充分再结晶的条件下，退火温度对深冲性能也有影响，随着退火温度的提高，深 冲性能提高。 7 对 1 1i m d 织构的形成机理进行了分析。作者在参考有关研究结果的基础上认 为：晶内剪切带碎化n d 纤维晶粒，促进n d 纤维晶粒在变形晶粒边界及内部形 核是导致再结晶后n d 纤维织构强度增加的微观机理。 关键词：硬钢，铁素体区轧制，织构，深冲性能 河北理工学院硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y st h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r yn e e d st oi m p r o v et h ep l a s t i cs t r a i n r a t i or - v a l u eo fi fs t e e l ，i no r d e rt oa c h i e v et h i sa i m ，t h et e c h n o l o g yo fa - r e g i o nh o t r o l l i n gw a sd e s i g n e d ，a n db yt h em e a s u r e m e n to fp l a s t i cs t r a i nr a t i or - v a l u e ，t e n s i l es t r a i n h a r d e n i n ge x p o n e n t sn - v a l u ea n dt h ea n a l y s i so fm i c r o s t r u c t u r ea n dm i c r ot e x t u r e ，t h e d r a w a b i l i t yo fa 面坩曲i fs t e e lw h i c hw a sl u b r i c i o u sh o tr o l l e di nf e r r i t er e g i o na n d p r o d u c e di nb a o s h a nk o n & s t e e lc o w a si n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r i na d d i t i o n , t h e r e s i s t a n c eo f i fs t e e lw a sd i s c u s s e d t h em a i nw o r ka n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w i n g ： 1 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nr e s i s t a n c eo fi fs t e e la n dr o l l i n gp a r a m e t e r sw a sg o tb y m e a n so fr e g r e s s i o n , a n dt h r e ek i n d so fc u r v e ss u c ha s 盯- t , f r 一占盯一sw a sa l s o g i v e n ，i nw h i c ht h er e l m i o nb e t w e , e nr e s i s t a n c eo f l fs t e e la n dr o l l i n gp a r a m e t e r sc o u l d b es e e n 2 t h ee x p e r i m e n to f r e s i s t a n c ew a sd o n eo nt h eg l e e b l em a c h i n e 3 i n ( + y ) r e g i o n , o w i n gt ot h ec o m p o s i t i o no f i fs t e e l ，t h ea t t r a c t i o nb e t w e e na t o m si s t h em a i nf a c t o ri nt h ec h a n g eo f r e s i s t a n c e t h er e s i s t a n c eo f i fs t e e ld e c r e a s e sw i t ht h e d e c l i n i n go fr o l l i n gt e m p e r a t u r e ，t h e r e f o r e ，t h er e s i s t a n c ea t8 0 0 ci sa l m o s tt h es a n l e 谢t h 血a t a t1 0 0 0 4 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nr e s i s t a n c eo fi fs t e e la n dr o l l i n gp a r a m e t e r sw a sg o tb y n l e a n so fr e g r e s s i o n , a n dt h r e ek i n d so fc m w e ss i l c ha s o r f ，o r s ，盯一占w a sa l s o g i v e n , i nw h i c ht h er e l a t i o nb e t w e e nr e s i s t a n c eo fi fs t e e la n dr o l l i n gp a r a m e t e r sc o u l d b es e e n 5 i n ( a + y ) r e g i o n , o w i n gt ot h ec o m p o s i t i o no fi fs t e e l ，t h ea t t r a c t i o nb e t w e e na t o m si s t h em a i nf a c t o ri nt h ec h a n g eo f r e s i s t a n c e t h er e s i s t a n c eo f i fs t e e ld e c r e a s e sw i t ht h e d e c l i n i n go fr o l l i n gt e m p e r a t u r e ，t h e r e f o r e ，t h er e s i s t a n c ea t8 0 0 ci sa l m o s tt h es a m e 、析t h t h a ta t1 0 0 0 6 w i t ht h eh e l po fr - v a l u e ，o d fa n dt h em i c r o s t r u c t u r e ，t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo f l1i n dr e c r y s t a l l i z a t i o nt e x t u r ew a sa n a l y z e d 7 a u t h o rg o tt h ef o l l o w i n gi d e a si nr e f e r e n c et os o m er e l e v a n tr e s e a r c h e s ：i n g r a i ns h e a r b a n d sf r a g m e n t e dn df i b e rg r a i n s ，t h i sg e n e r a lf r a g m e n t a t i o nl e a d st ot h en u c l e a t i o no f - i i 河北理工学院硕士学位论文 n df i b e rg r f i n sa ts i t e ss i t u a t e db o t hw i t h i nt h eg r a i ni n t e r i o ra n da tt h eg r a i nb o u n d a r y a sar e s u l t ，t h ea m o u n to fn df i b e rg r a i n si n c r e a s e da n d 111 r o dr e c r y s t a l l i z a t i o n t e x t u r ei si n t e n s i f i e da f t e ra n n e a l i n g k e y w o r d s ：i fs t e e l , a - r e g i o nr o l l i n g ，t e x t u r e ，d e e pd r a w a b i l i t y - 1 1 1 河北理工学院硕士学位论文 注释清单 f 一塑性应变比 t 一变形温度 r 一复相关系数 s ，一标准剩余差 st 一总方差 s _ 一剩余方差 s 目一回归方差 r d 一轧制方向 n d 一板面方向 占变形速率 f 一自由度 n 一材料的硬化指数 t 一终轧温度或退火温度 s 一变形程度或总压下率 盯材料的变形抗力 口织构一 r d 织构 y 织构一 l l l n d 织构 - i 一 河北理工学院硕士学位论文 引言 本论文是对钢铁素体区热轧工艺的研究，是东北大学轧制技术及连轧自动化 国家重点实验室与宝钢合作研究的课题“超低碳无间隙原子钢铁素体区轧制工艺研 究”的一部分，是在东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室的支持下完成 的。 近年来汽车工业的迅速发展和汽车市场的激烈竞争，使得对汽车板的深冲性能 要求越来越高。深冲钢按冲压级别可划分为c q ( 商用级) 、d q ( 普通冲压级) 、 d d q ( 深冲压级) 、e d d q ( 超深冲压级) 四个级别，在目前所开发的深冲钢板中，礤 钢是深冲性能最好、级别较高的冲压用钢种，是新一代汽车用钢，通常r 值在 1 5 2 5 之间。科技的进步导致汽车部件正朝着“整体车形”的方向发展，也就是由 以往几个冲压件焊接起来的产品朝着整体冲压成型的方向发展，所以迫切需要开发 出高r 值的高级别的深冲钢，即超深冲钢。而从u l c - i f 钢研究结果表明，在 低温( 8 0 0 c ) d a 下铁素体区轧制，采用有效的润滑可以生产r 值高达1 8 的d d q 级热 s l 深冲板t 2 3 】【4 】嘲。因此，开发铁素体区轧制新工艺，对推动我国汽车工业的发展具 有重要意义。 前人的研究表明：要得到高的r 值，就必须发展( 1 1 1 ) 织构，这对铁素体区轧制 来说也不例外。超低碳i f 钢，由于加入n b 和t i ，铁素体的动态再结晶被延迟或阻 止，当热轧温度降到铁素体未再结晶区时，如果积累足够的变形，并在适当的温度 下退火，形变铁素体就会发生再结晶，这样的“热轧+ 退火”钢板有可能与“冷轧+ 退火”钢板的织构相同，即有较强的 1 1 1 织构，从而得到高的r 值【6 】。 铁素体区轧制由于轧制温度的变化必然会引起变形抗力的变化，毫无疑问变形 抗力的研究也成为铁素体区轧制工艺研究的一部分。 本论文对钢在铁素体区润滑热轧这一工艺过程中的 1 1 1 ) 织构进行了研究， 分析了工艺参数对 1 1 1 ) 织构强度的影响；并对i f 钢在不同的变形温度、变形速度 和变形程度下的变形抗力进行了研究，比较了铁素体区轧制变形抗力与奥氏体区轧 制的差别。 河北理工学院硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 钢简介 i f ( i n t e r s t i t i a lf r e e ) 钢，又称无间隙原子钢，是在超低碳钢中加入一定量的t i ，b i b ， 使钢中的碳、氮原子完全被固定成碳氮化合物忉，而钢中无间隙原子存在，该钢具 有极优良的成形性，即高r 值( 2 ) ，高n 值( 0 2 5 ) ，高5 纵 5 0 ) 。评价i f 钢深 冲性能的主要指标为塑性应变比r 值和加工硬化指数1 1 值 s l 。 超深冲礤钢作为第三代冲压用钢，归功于对无间隙原子( i f ) 钢的研究。早在 1 9 4 9 年c o m s t o c k 等人就提出，在普通的低碳钢中加入足够量的t i ，钢中的c 、n 原子完全析出成t i ( c n ) ，这时具有优异的深冲性能。但是，由于当时c 含量不能达 到更低范围，t i 价格昂贵，这一发现被搁置下来。到2 0 世纪6 0 年代末真空脱气冶 金技术的应用，使钢中碳、氮、硫的含量可分别降至5 0 ，3 0 ，8 0 p p m 以下，从而添 加少量钛或钛和铌即能获得高的塑性应交比( r ) 的深冲用钢。1 9 7 2 年新日铁和n k k 分别开发出用于汽车板生产的连续退火机组，钢经连续退火后具有良好的深冲性 能。2 0 世纪8 0 年代，底吹转炉技术和改进的r h 处理可以经济地生产c o 0 0 2 的超低碳钢，从而由传统的钢变为现代钢( c o 0 0 5 ，n o 0 0 3 ，t i 或 n b c n 。 我国研制环钢始于1 9 8 9 年，北科大与宝钢合作，在没有引进外国专利的情况 下，用了不到两年的时间基本完成了礤钢的开发，添补了国内空白3 。1 9 9 3 年宝 钢试制成功i f 钢( s t l 6 ) 并鉴定生产【l o l 。 1 1 1 i f 钢深冲性能的评价指标 深冲钢板在制作汽车零件时几乎都需要冲压成形，而冲压成形能否成功取决于 深冲钢板的成形性，即深冲性能。所谓成形性是金属板材在冲压过程中抵抗失效( 断 裂、瓢曲、起皱、形状扭曲) 的能力。通过单向拉伸实验可以获得两个重要的基本成 形性指标：塑性应变比r 值和加工硬化指数n 值。 1 、r 值与i f 钢的深冲性能 塑性应变比r 值是评价金属薄板深冲性能的最重要参数。它反映金属薄板在某 河北理工学院硕士学位论文 平面内承受拉力或压力时，抵抗变薄或变厚的能力( 1 1 1 【1 2 1 。它与多晶材料中结晶择优 取向有关。塑性应变比r 定义为将金属薄板试样单轴拉伸到产生均匀塑性变形时， 试样标距内，宽度方向的真实应变与厚度方向的真实应变之比。其定义式为： f 生 ( 1 1 ) 乞 式中：eb ：l n ( 粤) 84 一l n ( 旦) ，由于金属簿板厚度精度不易保证，根据体积 口。 不变条件，r 值也可用下式求出： ( 1 2 ) 其中、l o 为试样原始宽度、厚度及长度；轨、q 、厶为拉伸后试样 尺寸。金属薄板存在各向异性，不同取样方向上r 值不同，通常所用塑性应变比为 金属薄板平面上0 。、4 5 。、和9 0 。三个方向所测i 值的加权平均值。平均塑性应 变比按下式计算： ；：( r o + 2 r 4 5 + r ) 4 ( 1 3 ) 为方便叙述，通常用r 表示平均塑性应变比r 。当r 值小于l 时，说明材料厚度 方向上容易变形减薄、致裂，冲压性能不好。当r 值大于1 时，说明材料冲压成型 过程中长度和宽度方向上容易变形，能抵抗厚度方向上变薄，而厚度减薄是冲压过 程中发生断裂的原因，故r 值越大越有利于深冲性能。 2 、n 值与巧钢的深冲性能 应变硬化指数1 1 是金属薄板在塑性变形过程中形变强化能力的一种量度。它是 试验材料真实应力应变在双对数坐标平面上关系曲线的斜率。1 1 值代表材料的加工 硬化能力，它可用来评价同一金属系列的相对伸展成型性。就成型性而言( 特别是延 伸性能) ，n 值是很重要的，它与材料基体的纯净度和晶粒度有关，由于它有助于促 进应变的均匀性，n 值越大，拉延能力越强，冲压性能越好。一般希望1 1 值相对高 3 畦一咯 河北理工学院硕士学位论文 些，在0 2 8 - - 0 4 范围内【1 3 】【1 4 】嗍。对于职钢，由于钢质纯净，n 值一般较高，如何 改进工艺以提高r 值是改善深冲性能的关键。 3 、织构与钢的深冲性能 金属多晶体经过热变形、冷变形、再结晶后就可能出现各个晶粒的某种晶面平 行于一定晶面，某种晶向平行于一定晶向的现象，这种现象叫择优取向，具有择优 取向的金属多晶体组织就叫织构阍。织构是由于外力或内力对晶体的定向作用形成 的。 r 值是衡量钢板深冲性能的重要指标，而深冲材料r 值的大小与织构的性质密 切相关。最有利于深冲性能的取向是 1 1 1 ，由此构成的滑移系平行于板面， 则板材成形时抗厚度减薄能力强，所以深冲性能好。最不利的取向是 0 0 1 ， 上述织构组分的对比关系强烈地影响深冲性能指标r 值。 1 1 1 织构组分越强， 1 0 0 ) 织构组分越弱，深冲性能越好。 o d f ( o r i e n t a t i o nd i s t r i b m i o nf u n c t i o n ) 可对 l l l 织构进行定量分析。 h j b u n g e 和r j r o e 于1 9 6 5 年各自独立提出了用三维取向分布函数o d f 来 表示织构内容的方法，二者原理相同，仅在符号系统上有所差异。 1 1 2 织构的形成 l 、变形织构的形成 金属经形变后由于晶粒的转动而产生的具有择尤取向的多晶体组织叫形变织 构。影响形变织构类型的因素很多，包括变形条件( 形变方式、应力状态、变形温 度、变形速度、变形程度、润滑条件) 、材料的基本性质( 点阵类型、化学键性质、 层错能、原始织构、晶粒大小等) 以及合金化特点( 合金元素的性质、浓度、相状态 等v 。 金属与合金塑性变形的基本机理是晶体的一些部分相对于另一些部分的晶内剪 切移动。滑移是金属多晶体塑性变形过程中起主要作用的形变机理。变形过程中， 在外力的作用下，晶体内的位错不断滑移，同时晶体的取向也会随之作相应的转 动，随压下率增加，多晶体内各晶粒的取向逐渐转向某一或某些取向附近来，形成 不同类型的变形织构1 耵。由于有晶界的限制，多晶体晶粒不能像单晶体那样自由转 4 河北理工学院硕士学位论文 动。只有超过相当变形量后，立方晶系要超过4 0 ，才能逐渐出现择优取向。随变 形量加大，择优取向程度加大【1 9 1 。 2 、再结晶织构的形成 具有形变织构的金属多晶体材料再结晶后形成的具有择优取向的多晶体组织叫 再结晶织构。在深冲钢板中， l l l 再结晶织构的性质对平面各向异性具有重 要作用。当 1 1 1 面平行于轧面时，在 1 1 l 面上的 和 晶向间的夹角仅相 差3 0 。，且 和 晶向上的强度差很小，钢板各个方向上的强度大体是均匀 的。因此，若 1 1 1 ) 织构由等量理想 1 1 1 、 i l l 混合织构组成， 则能够满足深冲板对r 值尽量大，a r 趋于零的要求。如果我们能够采取适当工艺获 得强烈的 1 1 1 ) 、 1 1 1 混合织构，且 0 0 1 及其它织构组分很弱， 那么就能使深冲板获得优异的深冲性能【2 0 】。 金属变形后的再结晶过程是一个形核和核长大的过程，新生成的核的取向以及 长大的晶粒的取向往往不是随机分布，这个过程受很多因素的影响，如材料的化学 性质、位错密度和分布、杂质的性质、晶界和相界的界面能差值、形变织构的类 型、再结晶温度、时间等。 自本世纪3 0 年代开始，人们根据再结晶过程中金属取向变化规律提出了一些有 关再结晶的新观念，并逐渐发展成不同的理论。6 0 年代问世并随后得到完善的取向 分布函数分析法则有利地推动了这些再结晶理论的发展，形成了现代再结晶理论。 其中影响较大、为人们所接受的新理论有定向形核理论和选择生长理论 2 1 l 。 ( 1 ) 定向形核理论 这个理论认为再结晶的核心同形交织构之间存在一定的晶体学取向关系。这种 具有特定取向的核心依靠吞并形变基体而生长，就形成了再结晶织构。目前，人们 普遍认为：定向形核理论很好地解释了再结晶织构同形变织构相同的现象，但它的 不足之处是它不能解释实践中经常观察到的再结晶过程中织构类型的变化。 ( 2 ) 定向生长理论 这一理论的依据是晶界迁移率m 和相应的晶界迁移速度明显地依赖于相邻晶粒 的相互取向和一系列其它因素，根据这个理论，在初次再结晶开始阶段，存在着任 意取向的晶核，但在生长过程中却发生了取向的“选择”，能加速生长和继续生存 5 河北理工学院硕士学位论文 的是那些对于基体取向具有最大晶界迁移速度的晶核，而那些移动较慢的晶核在再 结晶时将被吞掉。最后形成以成长最快的晶核为择优取向的再结晶织构。 ( 3 ) 定向形核一选择生长联合理论 该理论联合前两种理论，认为再结晶织构是定向成核的再结晶核心选择长大的 结果。这种理论可以很方便的用于形变织构材料退火时可能发生的三种基本类型变 化。这三种类型是：再结晶退火时保留织构、再结晶时形变织构全部或部分地被其 它的包含有一个或几个组分的织构所代替、再结晶时形变织构全部或部分地被无取 向的新晶粒所代替。 1 1 3 生产工艺对钢深冲性能的影响 1 、冶炼工艺控制 成分是i f 钢良好深冲性能的先决因素。巧钢的成分特点是超低碳、微合金化、 钢质纯净。为此，钢冶炼工艺主要是解决脱碳、降氮、纯净度控制及微合金化来 消除c 、n 间隙原子。 2 、热轧工艺的控制 要想得到高的r 值，就必须发展 1 1 l 织构，这对热轧板也不例外。对超低碳 钢，如果加入充分的钛或铌，则铁素体的动态再结晶就会被延迟或阻止。当热轧温 度降到铁素体未再结晶区时，如果积累足够的变形量，并在适当的温度下退火使形 变铁索体发生再结晶。这样的“热轧+ 退火”钢板的织构有可能与“冷轧+ 退火”的 板的织构相同，即有较强的 1 1 l 织构，从而，得到高的r 值。 铁素体区润滑热轧，不需冷轧可直接生产具有较高r 值的深冲板。传统热轧 后，再结晶的奥氏体向铁素体转变，故热轧的晶体取向总是具有任意性，一般r 值 低于1 0 。在润滑条件下，当热轧温度降到铁素体未再结晶区时，如果有足够的变形 并在适当的温度下退火使变形铁素体发生再结晶，可得到较强的 1 1 1 ) 织构，r 值可 提高到1 5 以上阎。 3 、退火工艺的控制 退火工艺对m 钢的性能有重要影响。由于在退火过程中要完成铁素体再结晶及 晶粒长大和发展再结晶织构，所以退火直接决定了钢板的深冲性能。裴剑芬的研究 6 河北理工学院硕士学位论文 表明】，退火不充分时，i f 钢的深冲性能指标r 值较低，提高均热温度及均热时间 都使r 值增加，其中温度影响更为明显。再结晶织构后期是 1 1 1 ) 织构形成的重要阶 段1 ，因此，不论采取什么样的退火制度，必须保证充分的再结晶。在一定成 分、组织条件下，控制退火工艺是获得最佳深冲性能最后也是最重要的一个生产环 节。 1 2i f 钢变形抗力 铁素体轧制是粗轧在奥氏体区进行、精轧和终轧部分在铁素体区进行的一种新 工艺，不仅具有工序简化、节约能源、提高效率、降低成本等优点，而且r 值提 高，成为m 钢研究的热点问题。然而，与传统工艺相比，铁素体区轧制由于轧制温 度低，按照变形抗力的一般规律，有可能使得变形抗力增加；但i f 钢铁素体区热轧 时，出乎预料的是：变形抗力并没有像想象的那样比奥氏体区升高。这样，对于超 低碳i f 钢来说，在精轧机上采用适当的轧制压下率，就有可能利用现有的轧机实现 铁素体区轧制。正是由于这个原因，i f 钢在铁素体区的轧制中对变形抗力的研究十 分必要。 1 2 1 影响变形抗力的因素 变形抗力是指在所定的变形条件下，所研究的物体或其单元体能够实现塑性变 形的应力。这里所谈的变形抗力是单位面积上的主变形力，既与变形条件有关，又 由材料本身决定的一种性质。影响变形抗力的因素有很多，通常分为两类，内部因 素：即材料本身特性，包括金属的化学成分、组织，本实验使用的研究材料是 钢，又叫超低碳无间隙原子钢；外部变形条件：包括应力状态、变形温度、变形速 度、变形程度等口5 】。本实验的研究目标是i f 钢在铁索体区的变形抗力，研究的重点 是温度对变形抗力的影响，其次是变形速度、压下量。 1 2 2 温度影响变形抗力的规律 温度是对变形抗力影响最为显著的因素，在一般情况下，随着变形温度的升 高，金属的所有强度指标均下降。这是因为：( 1 ) 随着变形温度的升高，金属原子热 振动增强，滑移阻力减小，新的滑移不断产生。( 2 ) 在高温下发生回复和再结晶，可 消除加工硬化，使变形抗力降低。 - 7 河北理工学院硕士学位论文 亚共析钢变形抗力与变形温度的关系表现为：( 1 ) 当变形温度在相变温度以上 时，变形阻力随着温度的降低而增大，( 2 ) 当变形温度大于9 0 0 。c 时，变形阻力几乎 与含碳量的变化无关，( 3 ) 在临界温度( a c 3 - a c 。) 范围内，变形阻力并不随变形温度 的降低而增大，而是有所下降。 1 2 3 变形抗力的数学模型 在变形阻力数学模型的研究过程中，曾认为，s ，占对盯的影响是相互独立的，且 每个影响因素附有单一的系数与指数，如 码 ， 仃= 口1 x 盯o 4 2 s e x p 卜a 4x t )( 1 4 ) 占为变形程度，占为变形速度，r 为变形绝对温度，口。为变形条件和钢种有关 的待定回归系数。随着对变形阻力数学模型研究的深入，现已认识到在建立数学模 型时应考虑f ，占，占之间的相互影响。公式( 1 5 ) 则考虑了这种影响【2 们。 盯= e x 如志+ 吃) 饶产墙扮) k ( 击) 呜一瓴一1 ) 赤】( 1 ，) q 、口2 、g 3 、吼、吒、口6 为待定系数，t 为绝对温度，c r 0 为t = 1 0 0 0 4 c 占= 0 4 g = l o s 。时的基值。 微积分的知识告诉人们，任何函数至少在一个比较小的邻域内可以用多项式逼 近，所以，在通常比较复杂的实际问题中，可以不问因变量与自变量的关系如何， 而用多项式回归进行分析计算。设有一组观察值哺y t ) ，( 产l n ) ，若它们是非线 形关系，就可以用一个k 次多项式来拟合： y = a o + a l x + a 2 x 2 + + 4 i x ( 16 ) k 的大小根据要求的精度而定，一般情况下，三次曲线起码选取k - = 3 。对于多元 自变量的情况，式中x 代表自变量的一次项，依此类推，x k 代表自变量的k 次项。 一8 河北理工学院硕士学位论文 1 3 研究内容及测试手段 1 3 1 研究内容 本文针对宝钢生产的n b + t i 球钢，研究在铁索体低温区润滑热轧及退火工艺对 深冲性能的影响，并研究球钢的变形抗力规律。 1 、i f 钢铁索体区轧制试验 取自宝钢生产现场的连铸坯在1 0 5 0 c 左右轧制到1 6 m m 的厚度。进行润滑精 轧，轧制到4 m m - 2 m 的厚度，终轧温度在5 5 0 c - - 6 5 0 c 。利用测温仪对精轧温度进 行测量。轧后制作试件，对轧后试件有三种热处理方法。( 1 ) 精轧后轧件在7 5 0 。c 退 火：( 2 ) 精轧后轧件在8 5 0 退火：( 3 ) 精轧后马上进行热处理，然后随炉冷却。热 处理后，试件在i n s t r o n - 4 2 0 6 拉伸机上进行拉伸实验，测得变形后尺寸，进行r 、n 值计算，同时，制备试样，进行织构分析和显微组织观察。 研究内容：铁素体轧制工艺参数( 压下率、终轧温度) 对i f 钢r 值的影响；退火 温度对m 钢r 值的影响；退火过程中织构的转变；从织构形成及转变的角度分析影 响r 值的微观机理。 2 、m 钢变形抗力试验 热轧珥钢的轧制温度对深冲性能有重要的影响。采用低温铁素体轧制可以形成 有利于深冲性能的( 1 1 1 ) 织构，但是低温铁素体轧制要使轧制压力增加。为保证轧机 的安全和正常生产，在确定铁素体区开轧温度、制定压下规程时必须要考虑到轧制 时的力能参数。取热轧中间坯制作试件，利用g l e e b l e 热模拟试验机测定不同变形温 度( 5 5 0 c - - 1 0 0 0 c ) 、不同变形速率( 1 、5 、1 0 、1 5 、2 01 s ) 和不同变形程度的应 力应变曲线。 研究内容：用回归的方法确定低温轧制的变形阻力模型。为低温铁素体轧制提 供轧机的力能参数a 并预报不同轧制工艺条件下的力能参数；绘出变形抗力变形速 度、变形温度、变形程度的曲线；并进行理论分析。 1 3 2 实验数据分析和性能检测手段 1 、实验数据回归分析：采用m a r q u r d t 回归的方法，对实验数据进行回归分析，建 立m 钢在铁素体区、两相区、奥氏体区的变形抗力数学模型。 ，9 河北理工学院硕士学位论文 2 、参数计算：根据拉伸实验中试样变形后测得的数据，按照r 值、n 值定义，计算 出各种工艺下的r 值、n 值。 3 、织构测定：用x 射线衍射仪进行织构测定，并利用材料织构的三维取向分析方 法o d f 分析方法对织构进行定量分析1 2 7 1 【2 8 j 。 4 、显微组织观察：用金相显微镜观察晶粒大小和形貌。 1 0 河北理工学院硕士学位论文 第二章环钢变形抗力的研究 2 1 前言 铁素体区轧制是指粗轧在奥氏体区进行、精轧在铁素体区进行的一种轧制新工 艺，它不仅具有工序简化、能源节约、效率提高、成本降低等优点，而且r 值提 高，成为钢研究的热点问题。然而，与传统工艺相比，铁素体区轧制由于s l 带 j 温 度低，按照变形抗力的一般规律，有可能使得变形抗力增加；但铁素体区热轧时， 出乎预料的是：变形抗力并没有像想象的那样比奥氏体区远远升高。这样，对于超 低碳i f 钢来说，在精轧机上采用适当的轧制压下率，就有可能利用现有的轧机实现 铁素体区轧制。正是由于这个原因，i f 钢在铁素体区的轧制中对变形抗力的研究十 分必要。 变形抗力是指在所定的变形条件下，所研究的物体或其单元体能够实现塑性变 形的应力强度。这里所谈的变形抗力是单位面积上的主动变形力，既与变形条件有 关，又由材料本身决定的一种性质。影响变形抗力的因素有很多，通常把他们分为 两类： ( 1 ) 内部因素，即材料本身特性，包括金属的化学成分、组织，本实验使用的研 究材料是i f 钢，又叫超低碳无间隙原子钢，( 2 ) 外部变形条件，包括应力状态、变形 温度、变形速度、变形程度等。本实验的研究目标是钢在铁素体区的变形抗力， 研究的重点是温度对变形抗力的影响，其次是变形速度、变形程度2 羽。 本着利用现有设备实现铁索体区轧制的原则。该实验分别在铁素体区、两相 区、舆氏体区温度范围内对i f 钢的变形抗力迸行了研究，有以下几方面：( 1 ) 建立 变形抗力数学模型；( 2 ) 绘出变形抗力一变形温度、变形速度、变形程度曲线；( 3 ) 对 上述曲线变化规律作机理分析。以上述研究做基础，比较i f 钢在铁素体区和奥氏体 区变形抗力的变化。 河北理工学院硕士学位论文 2 2 试验部分 2 2 1 试验材料 试验所用材料为2 0 m m 厚的中间坯，由宝锅生产的厚度为$ 0 m m 的连铸坯轧制 而成，其化学成分见表2 1 。再把这种中间坯按照图2 1 所示尺寸，在车床上加工成 圆柱体，即为试验所用试样。 表2 1 试验钢种的化学成分( ) t a b l e 2 1t h ec o m p o s i t i o no f i fs t e e lu s e d 2 2 2 试样制备及试验设备 试样制备：按照g l e e b l e 热摸拟试验机的要求，将试验材料制成直径为8 m m 、 长为1 5 哪的圆柱体，两侧断面磨光、磨平，如图2 1 所示： 1 5 m m 。 图2 1 试样尺寸示意图 f i g u r e 2 1 t h es i z eo f 皿s a m p l e su s e d 本试验共计试样5 0 个试样，以下述试验方案在东北大学p a l 的g l e e b l e 一1 5 0 0 热模拟机上进行试验。 试验设备：实验所用的设备为热模拟试验机，型号为m o d e l - 1 5 0 0 ，生产厂家为 美国的d u f f e r s 。整个实验在计算机控制下进行。该机可同时实现力学系统及加热 系统的精确控制，是一台理想的动态材料实验机。 热模拟实验机由三个只要控制系统和五部分设备单元构成。另外有许多辅助设 备，增强了设备的功能和实验能力。三个主要的控制系统是计算机控制系统、热学 控制系统、力学控制系统。设备的五个单元是由计算机终端、主控单元、实验单 一1 2 河北理工学院硕士学位论文 元、液压动力单元、真空单元构成。其他辅助设旋有淬火系统、绘图仪和气压机 等。采用语言为g p l 。 加热系统的特点是采用电阻加热法，当低频( 电源频率) 电源通过试样时，试件 靠自身的电阻被加热，因金属与合金的电阻相当均匀，所以热量均匀通过试件，集 肤效应可以忽略不计。在均温区，试件表面与芯部的温度梯度可近似的看成零，用 焊在试件表面的一对热电偶测量温度。加热系统为伺服闭环控制回路，可实现温度 的精确测量。力学系统也是一个伺服系统，可实现载荷控制，位移控制或应变控 制。该设备的重要附件包括载荷传感器、轴向传感器和径向传感器等。为了保证降 温及保温过程中试件与压头的良好接触( 不因体积变化而脱落) ，设备上的空气弹簧 起着重要作用。 g l e e b l e 一1 5 0 0 的数据采集系统功能较强，采样时间短至零点几秒，长至3 8 小 时。采样速度率可根据需要设定，从每两秒一个试样至每秒5 0 k h z 。 该设备可以完成金属力学性能的测试工作。功能有：变形过程中变形抗力的测 定及制定变形抗力图；测定塑性指标和制定塑性图；应力一应变曲线的测定；变形过 程中的连续控制、变形过程对材料性能的影响；形变诱导相变；形变诱导析出；形 变热处理。 2 2 3 试验方案 实验在东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室进行。利用g l e e b l e - 1 5 0 0 热模拟实验机，试样为8 xl o m ，在真空条件下，试样以l o s 加热到1 0 0 0 ，保温1 分钟，然后以l o s 下降到所需温度，保温1 分钟，进行压缩。实验 时，采用低频电流加热试样，并充入氮气来防止试样氧化。利用焊接在试样表面的 热电偶来测量温度，通过温度反馈调节系统，可使试样温度精确地达到预期温度， 误差不超过2 。在变形速率的控制方面，采用电液伺服阀，用无级调速来实现变 形速率的恒定，运行时，计算机根据输入的要求，控制热模拟实验机的变形工艺， 并将实验中的压力、位移、时间、应力和温度等信号瞬时采集储存，并同时以曲线 的形式输出。变形条件为： 总变形量= o 一6 0 9 6温度：5 0 0 - 1 0 0 0 c 变形速率：卜2 0 1 s 1 3 河北理工学院硕士学位论文 变形温度( ) 变形速度( 1 s ) 图2 2 热模拟试验方案 f i g u r e 2 2s t i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s 2 2 4 两相区相变点的测定 用制作的试样，在g l e e b l e 机上做热膨胀实验。用l o 分钟的时间从室温加热到 5 0 0 c ，然后在以缓慢的速度加热到1 0 0 0 ( 3 ，得到如下所示的曲线： 图2 3 i f 钢热膨胀曲线 f i g u r e 2 3 s w e l l i n gc u r v eo f l fs t e e l 一1 4 河北理工学院硕士学位论文 图中的刻度为温度，其中的直线为温度加热曲线，另一条曲线为膨胀曲线，膨 胀以直径变化为准。从图中可以看出，9 2 0 c - 8 7 0 c 为两相区。 2 3 试验数据 实验中得到的变形抗力数据如下表所示： 表2 2 各种试验条件下变形抗力表 t a b l e 2 21 kd a t ao f i fr e s i s t a n c em e a s u r e d 温度( ) 1 0 0 09 5 09 0 08 5 08 0 07 5 07 0 06 5 06 0 0 5 5 0 5 0 0 变形 占= 0 2 1 3 51 5 27 57 79 81 2 01 6 51 8 52 3 1 2 8 2 3 1 3 占= 0 3 1 4 9 1 6 8 8 38 31 0 51 3 01 7 82 0 02 4 82 9 93 3 8 占= 1 占= 0 4 1 6 71 7 68 78 7 1 l o 1 3 61 8 9 2 “ 2 5 7 3 0 5 3 5 0 占= 0 5 1 7 7 1 8 7 8 98 91 1 31 3 91 9 52 1 92 6 33 1 03 6 2 s = 0 2 1 2 01 3 21 0 07 0 1 0 2 1 3 01 4 81 5 92 1 9 2 4 0 2 7 5 占= 0 3 1 4 41 5 51 1 68 01 1 21 4 81 6 92 2 02 5 8 2 8 2 2 8 6 占= 5 占= 0 4 1 5 61 6 91 2 58 81 1 71 5 71 8 02 3 02 8 03 0 33 7 0 占= 0 5 1 7 01 8 01 2 89 01 1 91 6 01 8 52 3 82 9 73 1 43 8 8 占= 0 2 1 1 4 1 2 4 9 78 01 0 31 2 81 5 11 6 02 0 02 2 02 6 0 占= 0 3 1 4 01 5 01 1 39 0 1 1 6 1 5 01 7 42 1 02 4 4 2 7 0 2 8 1 占= 1 0 占= 0 4 1 5 11 6 21 2 09 71 2 21 6 21 9 02 2 92 7 43 0 03 4 1 占= 0 5 1 6 31 7 5 1 2 51 0 01 2 71 6 82 0 0 2 3 72 8 0 3 1 23 5 4 f = 0 2 1 2 81 2 09 58 91 0 31 2 71 5 51 6 51 9 02 1 02 4 0 = 0 3 1 5 21 4 21 1 01 0 11 2 3 1 5 1 1 8 7 2 0 52 4 0 2 6 5 2 7 6 占= 1 5 占= 0 4 1 6 8 1 5 8 1 1 8 1 0 91 3 31 6 72 0 22 2 72 6 72 9 83 2 6 = 0 5 1 7 51 6 91 2 31 1 21 3 81 7 22 1 02 3 72 7 83 1 2 3 2 9 占= 0 2 9 41 1 0 9 49 51 0 1 1 1 8 1 4 01 6 01 8 01 9 02 3 1 占= 0 3 1 2 1 1 4 01 1 51 1 51 2 41 4 51 7 62 0 52 2 62 5 02 6 4 占= 2 0 s = 0 4 1 4 01 6 01 2 81 2 71 3 51 6 01 9 52 3 02 6 32 8 83 0 0 s = 0 5 1 5 21 7 41 3 61 3 41 4 21 6 92 0 52 4 42 8 03 0 5 3 1 9 1 5 河北理工学院硕士学位论文 2 4 变形抗力数学模型 金属材料的变形抗力是金属抵抗变形的能力，变形抗力的大小与瞬时的变形工 艺条件有密切的关系。建立正确的反映金属材料力能参数与热变形工艺参数的数学 模型，可以实现对铁素体区热轧过程变形抗力定量的认识，从而达到帮助铁素体区 热轧工艺过程在实践中推广，进一步提高钢材的深冲性能和组织性能的水平的目 的。 本文通过在g l e e b l e 机上试验测定球钢在热变形过程中的数据，研究变形抗力 与变形温度、变形程度、变形速率之间的关系，以期得到一个比较精确描述礤钢的 变形抗力的数学模型。 2 4 1 变形抗力数学模型的选择 变形抗力及其影响因素之间的关系，可表示为 盯= 七一；舢) 叫， 式中，f ，占，占分别为变形温度、变形程度、变形速度，f 为变形道次之间的空隙 时间，z ，p 为化学成分与组织状态影响因子【3 们。化学成分、组织状态及变形条件一 定时的变形阻力称为机智基值，用c r 0 表示，对应的变形温度、变形程度、变形速度 分别用f o 、岛、e o 表示