热轧 再结晶温度 断裂韧性及测试方法

热轧 百科名片百科名片 热轧车间 热轧 hot rolling 是相对于冷轧而言的 冷轧是在再结晶温度以下进行的轧 制 而热轧就是在再结晶温度以上进行的轧制 目录 优点与缺点 生产工艺 优点与缺点 生产工艺 展开 编编辑辑本本段段优优点点与与缺缺点点 热热轧轧的的优优点点 1 热轧能显著降低能耗 降低成本 热轧时金属 塑性高 变形抗力 低 大大减少了金属变形的 热轧型钢 能量消耗 2 热轧能改善金属及 合金的加工工艺性能 即将铸造状态的粗大晶 粒破碎 显著裂纹愈合 减少或消除铸造缺陷 将铸态组织转变为变形组织 提高合金的加工性能 3 热轧通常采用大铸锭 大压下量轧制 不仅提高了生产效率 而 且为提高轧制速度 实现 轧制过程的连续化和自动化创造了条件 热热轧轧缺缺点点 1 经过热轧之后 钢材内部的非金属夹杂物 主要是硫化物和氧化物 还有硅酸盐 被压成薄片 出现分层 夹层 现象 分层使钢材沿厚度方向 受拉的性能大大恶化 并且有可能在焊缝收缩时出现层间撕裂 焊缝收缩诱 发的局部应变时常达到屈服点应变的数倍 比荷载引起的应变大得多 2 不均匀冷却造成的残余应力 残余应力是在没有外力作用下内部自相 平衡的应力 各种截面的 热轧型钢都有这类残余应力 一般型钢截面尺寸越 大 残余应力也越大 残余应力虽然是自相平衡的 但对钢构件在外力作用 下的性能还是有一定影响 如对变形 稳定性 抗疲劳等方面都可能产生不 利的作用 3 热轧的钢材产品 对于厚度和边宽这方面不好控制 我们熟知热胀冷 缩 由于开始的时候热轧出来即使是长度 厚度都达标 最后冷却后还是会 出现一定的负差 这种负差边宽越宽 厚度越厚表现的越明显 所以对于大 号的钢材 对于钢材的边宽 厚度 长度 角度 以及边线都没法要求太精 确 编编辑辑本本段段生生产产工工艺艺 热热轧轧带带钢钢生生产产工工艺艺 简简章章 在带钢热轧机上生产厚度为 1 2 8mm 成卷热轧带钢的工艺 带钢宽度 600mm 以下称为窄带钢 超过 600mm 的称为宽带钢 第一台带钢热连轧机于 1905 年在美国投产 生产宽 200mm 的带钢 带钢热轧机的技术经济指标优 越 发展很快 在工业发达国家 1950 年以前热轧宽带钢的产量约占钢材 总产量的 25 70 年代已达 50 左右 热轧带钢的原料是连铸板坯或初轧 板坯 厚度为 130 300mm 板坯在加热炉中加热后 送到轧机上轧成厚 1 00 25 4mm 的带钢 并卷成钢卷 轧制的钢种有普通碳钢 低合金钢 不 锈钢和硅钢等 其主要用途是作冷轧带钢 焊管 冷弯和焊接型钢的原料 或用于制作各种结构件 容器等 带钢热轧机由粗轧机和精轧机组成 粗轧机组分半连续式 3 4 连续 式和全连续式三种 半连续式有一台破鳞 去掉氧化铁皮 机架和 1 台 带有立辊的可逆式机架 3 4 连续式则除上述机架外 还有 2 台串列连 续布置机架 全连续式由 6 7 台机架组成 精轧机组均由 5 7 台连续 布置的机架和卷取机组成 带钢热轧机按轧辊辊身长度命名 辊身长度在 914mm 以上的称为宽带钢轧机 精轧机工作辊辊身长度为1700mm 的 称为 1700mm 带钢热轧机 这种轧机能生产 1550mm 宽的带钢卷 带钢热轧按产品宽度和生产工艺有四种方式 宽带钢热连轧 宽带钢可 逆式热轧 窄带钢热连轧以及用行星轧机热轧带钢 1 再结晶温度 再结晶就是 当退火温度足够高 时间足够长时 在变形金属或合金的 显微组织中 产生无应变的新晶粒 再结晶核心 新晶粒不断长大 直至 原来的变形组织完全消失 金属或合金的性能也发生显著变化 这一过程称 为再结晶 其中 开始生成新晶粒的温度称为开始再结晶温度 显微组织全部被新 晶粒所占据的温度称为终了再结晶温度或完全再结晶温度 再结晶过程所占 温度范围受合金成分 形变程度 原始晶粒度 退火温度等因素的影响 实 际应用中 常用开始再结晶温度和终了再结晶温度的算术平均值作为衡量金 属或合金性能热稳定水平的参量 称为再结晶温度 最低再结晶温度 0 4Tm K 其中 Tm 金属的熔点 K K 氏温度 影响冷硬板再结 2 冷轧时的形变程度 冷轧薄板在冷轧过程中的变形量大约为 60 80 形变程度越大 则内应力越高 越处于不稳定状态 因此再结 晶温度越低 3 加热速度 对于连续退火来说 加热速度越快 即在不同温度下停 留的时间越短 则再结晶温度越高 反之 再结晶温度就越低 4 保温时间 如钢带加热以后在再结晶温度下保温的时间较长 则再 结晶有足够的时间形核 长大 再结晶所需的温度就较低 在实际生产中 一般材料的再结晶退火温度可参照热处理规范确定 然后在实际中根据产品 的性能修改 而特殊材料的再结晶退火温度要靠试验获得 断裂韧性 科技名词定义科技名词定义 中文名称 断裂韧性 英文名称 Fracture toughness 其他名称 断裂韧度 定义 构件材料应力强度因子的临界值 所属学科 机械工程 一级学科 疲劳 二级学科 疲劳的断裂力学分析 三级学科 本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布 百科名片百科名片 表征材料阻止裂纹扩展的能力 是度量材料的韧性好坏的一个定量指标 在加 载速度和温度一定的条件下 对某种材料而言它是一个常数 当裂纹尺寸一定 时 材料的断裂韧性值愈大 其裂纹失稳扩展所需的临界应力就愈大 当给定 外力时 若材料的断裂韧性值愈高 其裂纹达到失稳扩展时的临界尺寸就愈大 目录 定义 断裂韧性测试方法 规律与测试 论文 定义 断裂韧性测试方法 规律与测试 论文 展开 编编辑辑本本段段定定义义 fracture toughness 指材料阻止宏观裂纹失稳 扩展能力的度量 也是材料抵抗 脆性破坏的 韧性参数 它和裂纹本身的大小 形状及外加 应力大小无关 是材料固有 的特性 只与材料本身 热处理及加工工艺有关 是 应力强度因子 的临界 值 常用断裂前物体吸收的能量或外界对物体所作的 功表示 例如 应力 应变曲线下的面积 韧性材料因具有大的断裂伸长值 所以有较大的断裂韧 性 而脆性材料一般断裂韧性较小 编编辑辑本本段段断断裂裂韧韧性性测测试试方方法法 压压痕痕法法 I IM M 测试试样表面先抛光成镜面 在显微硬度仪上 以10Kg 负载在抛光 表面用硬度计的锥形金刚石压头产生一压痕 这样在压痕的四个顶点就产生 了预制裂纹 根据压痕载荷 P 和压痕裂纹扩展长度 C 计算出断裂韧性数值 KIC 计算公式为 计算公式 E 为扬氏模量 例如对于 Si3N4 系统一般取 300GPa 公式中载荷 P 单位为 kg 裂纹长度 C 单位为 mm 显微硬度 HV 单位为 GPa 压痕法实例图 单单边边切切口口梁梁 S SE EN NB B 法法 在试样中间开一裂纹 通过三点或四点抗弯断裂测试 计算材料的断裂 韧性 SENB 计算公式 测测试试方方法法比比较较 IM 法比 SENB 法简便经济 但测得的数据不如 SENB 法可靠 SENB 法是普遍公认的标准测试方法 为了实际方便 要对 IM 法测试公式修正 使结果更接近 SENB 法 编编辑辑本本段段规规律律与与测测试试 随着概率断裂力学工程应用的逐步深入 材料断裂韧性分散性问题 已 成为影响含缺陷结构概率安全评定的关键因素之一 合理解决材料断裂韧性 分散性是一个十分复杂的问题 一方面由于冶金过程等方面的偏差 造成材 料断裂韧性的分散性 另一方面由于试样几何尺寸 裂纹长度测量等试验误 差 亦会导致测试结果的不确定性 还有不同测试规范和标准对测试数据的 处理也会导致测试结果的不确定性 若缺陷位厂焊接部位 影响因素将更加 复杂 除上述原因外 还会有诸如焊接上艺 焊材 以及不同操作人员及焊 后热处理等因素导致断裂韧性测试结果分散性更加严重 尽管分析和解决其 分散性问题如此复杂 十分困难 然而 在对含缺陷焊接结构 尤其是工业 锅炉 压力容器和管道 进行安全评定时 重点就是焊接接头区而不是母材 如何处理断裂韧性的分散忭问题已成为工程界不可回避的问题 也是概率安 全评定应解决的基本问题之 对材料断裂韧性分散性规律的研究 在理论和实践上均已取得较大进展 Wallin 分别根据 Weibuli 统计模型和微结构分析模型 推得基于断裂 韧性尺 I 单位 MN m 3 2 失效准则的累积失效概率 并从理论上得到 Kl 服从形状参数 m 为 4 的 Weibull 分布 同时指山 m1 不等于 4 是由厂测试数据不够而造成的 并且认为延性撕裂和材料非均匀 性对分散性只具有较轻微的影响 这一理论建立在裂尖小范围有效体积基础 上 Slatcher 将裂尖等效为多个单元的串联模型 推导出基寸 断裂韧性 J 单位 N inlTl 失效准则的累积失效概率 式中 a B 中 B 为试样宽度 中为常数 B 2 这一理沦基于如下假设 1 裂纹体能被分成若干单元 任一单元的失效意味着整体失效 各单元 强度彼此独立且同分布 2 第一个失效单元的应力和应变与裂尖应力场强度 J 和该单元到裂 尖的垂直距离 r 有关 仅由 r J 确定 3 第一千失效单元必须位于 r 和 O 定义的区域内 r O 为该单元的柱 坐标 对任何 O 均有 Jg O r Jh O g O 和 h O 为 o 的函数 分别为 该区域的内 外界限 由式 5 2 可知 理论上断裂韧性 服从形状参数为2 的双参数威布 尔分布 对充分小的试验数据集 式 5 2 比对数正态分布和威布尔分布能 更好地描述断裂韧性的分布规律 Neville 提出了另一种描述断裂韧性分布的模型 该模型不用作任何假 设和近似处理 由断裂韧性构成一个样本u 样本 u 中的子样 ui 由 g2 J2 或 K1 确定 g2 J2 或 K1 分别由 CTOD JIC 和 Kic 的测试数据计算 得到 累积失效概率由如下双参数分布函数表达 式中 a b 为分布参数 Neville 将该模型分别对几组断裂韧性的测试数据进行厂分析 结果表 明该模型应用方便 与实测数据分布吻合较好 并略偏保守 Hauge 和 Thualow 分别采用 Weibull 分布 Log Normal 分布 Slather 模型以及 Neville 模型 对两组 CTOD 数据 86 个母材和 16 个焊材 进 行了统计分析 其主要结论如下 1 两组 CTOD 数据并非服从形状参数为 2 的 Weibull 分布 或 Slather 模型 双参数 Weibull 分布 Log Normal 分布和 Neville 分布都适宜拟 合这些数据 2 90 置信限的中位期望值可较好地由I og Normal 分布得到 对 于只有三个子样时 能较好地等效于三个值十取最小值的方法 对大子样 Log Normal 吻合更好 3 对于小子样 Log Normal 分布提供最为可靠的估计 Weibull 分布 和 Neville 模型在于样为 3 和 5 时由于数据不够 难以估计分布参数值 4 数值模拟结果及拟合结果均表明 Log Normal 分布无论对太子样还 是小于样 拟合精度足够 不是特别保守 Mimura 等对由于材料不均匀而引起断裂韧性的分散性做了分析与试验研 究 经过从同一块板上取样的 CharpyV 型试块试验分析 提出了区别材料 不均匀性导致的分散性与测试中导致的分散性的方法 1 编编辑辑本本段段论论文文 聚烯烃弹性体 POE 作为一种新型弹性体 具有良好的加工性能和力学性 能 相比 EPDM 与 EPR 等弹性体而言对聚丙烯的增韧效果更好 1 但目前 尚未有文献研究 POE 对 PP 断裂韧性的影响 本文采用了一种新近发展起来 的研究断裂韧性的方法 基本断裂功法 EWF 研究了 PP 和不同含量 POE 的 PP POE 共混体系的断裂韧性 同时分析了其力学性能 本文采用注射成型的双边深缺口拉伸 DENT 试样在室温及低速应力 5mm min 条件下进行拉伸断裂实验 根据EWF 理论 2 拉断带缺口试 样所需的总断裂功 Wf 可分为两部分 基本断裂功 We 和非基本断裂功或塑 性功 Wp We 用于形成新的断裂表面 为表面能 对一定厚度 t 的试样 它与试样韧带 ligament 即缺口剩余长度 l 成正比 Wp 是消耗于塑性变 形的那部分功 为体积