材料成型概论 第三讲 材料塑性成型的基础

材料成型概论第一讲材料成型概述第二讲炼钢炼铁生产第三讲材料塑性成型的基础第四讲钢坯型钢生产第五讲线棒材生产第六讲板带钢生产第七讲钢管生产第八讲挤压拉拔生产第九讲锻压冲压生产第十讲材料成型的发展及应用第三讲材料塑性成型的基础

3.1塑性变形的基本定律3.2轧制理论基础3.3

轧机的组成及分类3.4轧钢生产系统、工艺流程及工艺制度3.4.1轧钢生产系统3.4.2轧钢生产工艺流程3.4.3轧钢工艺制度3.1塑性变形的基本定律弹塑性共存定律塑性变形过程中仍然存在一部分弹性变形。体积不变定律（忽略氧化废料损失）HBL=hbl，η=μ

*β

或

ln(1/η)+lnβ+lnμ=0上式说明，在一定压下量下将会得到一定的延伸量和宽展量最小阻力定律物体在变形过程中各质点总是向着阻力最小的方向流动。

3.2轧制理论基础轧制成型是指金属轧件通过旋转的轧辊进行塑性变形，横断面积减小长度增加，并获得要求的断面形状和尺寸，同时改善金属性能的压力加工方法。(可实现连续轧制)纵轧、横轧、斜轧。轧制是冶金生产中应用最为广泛的一种金属塑性成型方法，约占金属材料生产总量的90%。轧制方法划分：按轧件与轧辊的相对运动关系或轧件在变形区内变形特点划分：纵轧、斜轧和横轧。按轧制温度划分：热轧、冷轧。按轧制产品划分：半成品轧制、成品轧制。按轧制产品的成形特点划分：一般轧制、特殊轧制——（周期轧制、旋压轧制、弯曲成形）3.2.1轧制成型的方法钢坯是生产型钢、板带钢和钢管等成品轧材的半成品。钢坯生产在炼钢和成品轧材生产中承上启下占有特殊重要的地位。目前钢坯的生产方法有三种：

轧制法（开坯）：在轧机上把钢锭轧成各种断面形状的钢坯。

锻压法：用锻锤或水压机把钢锭锻成各种钢坯。

连铸法：直接把钢水浇铸成各种断面形状和尺寸规格的钢坯。半成品轧制将钢锭或钢坯轧制成材的过程叫成品轧制。

按成品材断面类别可分为：型钢轧制棒线材轧制板带钢轧制钢管轧制成品轧制成品热轧通常分为两个阶段：粗轧阶段——采取高温大压下量将钢坯迅速轧成接近成品的毛坯；精轧阶段——以小的变形量将毛坯轧成各种成品，以获得良好的表面和精确的尺寸。成品轧制一是获得具有一定形状和尺寸的产品－精确成型；二是通过压力加工改善材料的组织性能－改善金属性能热轧——将轧件加热到再结晶温度以上进行轧制。变形抗力小，易获得大变形量。冷轧——轧件在常温下进行轧制。产品表面光洁，尺寸精确。3.2.2轧制成型的作用形状和尺寸的改变板坯异型坯成品

浇注后得到的锭坯晶粒较粗大，将其加热到一定温度，进行压力加工，会使其晶粒细化，从而改善其机械性能。

热轧组织性能的改变轧前粗大晶粒变成细长晶粒细晶粒出现新晶粒长大形成新晶粒最终的晶粒大小由终轧温度和变形量决定。冷轧组织性能的改变冷轧时，钢中晶粒沿轧制方向伸长，形成纤维状组织，导致钢材各向异性；加工硬化，使钢变硬变脆，很难进一步加工。退火后再加工。以二辊轧制过程作为研究对象3.2.3纵轧的变形及表示方法简单轧制过程：（1）上下轧辊直径相同（2）转速相等（3）轧辊无切槽（4）均为传动辊（5）无外力或推力（6）轧辊为刚性的（7）轧件性质均匀变形区：轧件承受轧辊作用，产生塑性变形的区域。接触弧长（咬入弧）：轧制时，轧件与轧辊相接触的圆弧(弧AB）咬入角α

：接触弧所对应的圆心角。变形区（接触弧）长度（l）：接触弧的水平投影长度。△h=D（1-cosα）,cosα=1-△h/D

当α很小时，

α≈√△h/R

3.2.3纵轧的变形及表示方法3.2.3纵轧的变形及表示方法根据体积不变定律，轧制前后的工件体积相等：n道次轧件断面面积变化关系：n道次轧制后轧件的延伸系数：3.2.3纵轧的变形及表示方法咬入：依靠旋转的轧辊与轧件间的摩擦力将轧件拖入辊缝的现象。自然咬入条件受力分析如图咬入条件：Px≤Tx

即：tanα≤f=tanβ

α≤β

轧辊对轧件的作用力P、T

3.2.4纵轧咬入条件轧制过程：靠旋转的轧辊与轧件之间的摩擦力将轧件拖入辊缝，并使之受到压缩产生塑性变形，获得一定形状、尺寸和性能的压力加工过程。轧制过程三阶段：

咬入阶段、

稳定轧制阶段、

和甩出阶段.

3.2.5轧制过程的三个阶段1.咬入阶段：轧件前端与轧辊接触的瞬间起到前端达到变形区的出口断面（轧辊轴心连线）特点：1)变形区的长度由零连续地增加到最大值，即增加到2)变形区内的合力作用点、力矩皆不断的变化。3)轧件对轧辊的压力P由零值逐渐增加到该轧制条件下的最大值。4)变形区内断面的应力状态不断地变化。

3.2.5轧制过程的三个阶段2.稳定轧制阶段：从轧件前端离开轧辊轴心连线开始，到轧件后端进入变形区的入口断面止。特点：

变形区的大小、轧件与轧辊的接触面积，金属对轧辊的压力，变形区内各处的应力状态等都是均衡的。

3.2.5轧制过程的三个阶段3.甩出阶段：从轧件后端进入入口断面时起到轧件完全通过辊缝（轧辊轴心连线）特点：1)变形区的长度由最大变到最小——零。2)变形区内的合力作用点、力矩皆不断的变化。3)轧件对轧辊的压力P由最大值变到零。4)变形区内断面的应力状态不断地变化。

3.2.5轧制过程的三个阶段3.3轧机的组成及分类3.3.1

轧钢机

直接使轧件产生塑性变形的设备。

——主机列由主电机、传动机构、轧机机座三大部分组成。

轧机的基本构造驱动部分：主电机、主轴、齿轮座、接轴等工作部分：机架、支撑辊、工作辊、压下装置、导卫装置、平衡装置等主电机齿轮座主轴联接轴支承辊工作辊机架压下装置

轧机的基本构造轧辊：由辊身、辊颈和辊头三部分组成。辊身——轧板带材的用平辊辊身；轧型材的用带有轧槽组成孔型的型辊辊身。辊颈——位于辊身两侧，用于支承轧辊。辊头——与联结轴相接，用于传递扭转力矩使轧辊旋转的部分。（见图）机架由组装轧辊用的两个铸铁或铸钢的牌坊组成，它承受金属作用在轧辊上的全部压力，对强度和刚度有较高的要求。机架有闭口式和开口式两种。闭口式机架主要用在轧制负荷大的初轧机和板材轧机上，开口式机架多用于像型钢、线材等经常换辊的轧机上。机架上安装有：轧辊轴承、压下装置、平衡装置、导卫装置等。开口式机架由机架底座和上横梁组成，其优点是制造简单，装卸、换辊方便。其缺点是强度和刚度较低，轧辊辊跳值较大。由于型钢的品种规格繁多，型钢轧机，尤其是中小型轧机，大部分选用开口式轧机。闭口式机架为一整体铸件制成，优点是强度和刚度较高，辊跳值较小。其缺点是制造较困难，装卸、换辊不方便。轧制压力较大或对轧件尺寸要求较严的轧钢机常用闭口式机架，例如初轧机、钢板轧机、冷轧机等。机架齿轮机座主电机齿轮机座是把电动机的动力传递分配到各个轧辊上，使轧辊互相朝着相反方向旋转的装置。二辊或四辊式轧机的齿轮机座有两个齿轮，通常由直径相等的人字齿轮所组成，下齿轮为主动的。主电机逐步发展：水力→蒸汽→电力类型：感应电动机、同步电动机和直流电动机。轧制运转状态：不变速、变速可逆和变速不可逆。联接轴联轴节联接轴用于将转动从电动机或齿轮座传递给轧辊联轴节用于将主机列中的传动轴连接起来，分为连接电动机轴与减速箱轴的电动机联轴节，连接减速箱轴与齿轮机座轴的主联轴节之分。3.3.2轧机的分类按用途划分按轧机结构划分按布置方式划分按轧制工序划分轧机按用途分类轧机型式按用途划分为：表3－1初轧机、型钢轧机、板带钢轧机、钢管轧机和特殊用途轧机（钢球轧机、环形件轧机）初轧机、型钢轧机以轧辊的名义直径表示型号（命名）。板带钢轧机以轧辊辊身长度表示型号（命名）。钢管轧机以其所轧制的钢管最大外径表示型号(命名)。特种轧机轧制车轮、轮箍、钢球、齿轮、轴承环等轧机按轧辊装配形式分类按轧辊的数目、放置、大小来区分轧机的基本型式为：表3－2水平式轧机：二辊轧机、三辊轧机、四辊轧机、六辊轧机、十二辊轧机、二十辊轧机、行星轧机等立式轧机：轧辊垂直放置的轧机万能轧机：在工作机座中既布置有水平辊又布置有立辊的轧机。斜辊轧机：轧辊倾斜放置的轧机，三辊穿孔机、三辊轧管机等。按轧机布置型式划分：表3－3单机架式：轧件在仅有的一个机架中完成轧制。

横列式：数个机架横向排列的轧机，该轧机往往由一个电机驱动，轧件一次在各个机架中轧制一道或多道。

纵（串）列式：数个机架按轧制方向顺序排列，轧件依次在各个机架中只轧制一道。

连续式：数个机架按轧制方向顺序排列，轧件同时在各个机架中轧制且使轧件在每一机架的秒流量体积维持不变。

半连续式：一般是指横列式和连续式的组合，但对半连续板带钢轧机则是纵列式和连续式的组合。

平立交替式、45°无扭式轧机按布置型式分类轧机布置型式示意图按轧制阶段划分： 粗轧机（组） 中轧机（组） 预精轧机（组） 精轧机（组） 减定径机（组）轧机按轧制阶段分类宝钢初轧机双机架串列布置大扬程二辊可逆式上辊最大开度1900mm

上辊工作开度1700mm最大轧制力3000吨轧辊尺寸Ф1350-1150×3100mm主电机功率2×5000KW/台宝钢初轧机6VH连轧机6VH连轧机机架立-平交替布置每台轧机单独传动设有快速换辊装置最大轧制速度：2.23m/s孔型系统：菱-方/园-椭圆-园

活套工作图马钢CSP轧机工作辊F1-F2Φ950/820×2000mm高铬铸钢

F3-F4Φ750/660×2000mm高铬铸铁

F5-F7Φ620/540×2000mm合金灰铸铁“无限冷硬”型复合浇注（ICDP）支撑辊

F1-F7Φ1500/1370×1800mm

锻钢

马钢H型钢开坯轧机二辊可逆式辊身直径950～1300mm辊长2800mm20辊轧机(森吉米尔轧机)辊径进一步减小广泛用于轧制难变形材从铁矿石开采到生产出各种各样的钢材为止，必须经过炼铁、炼钢和轧钢三个阶段，各个阶段又包括很多复杂的工序。下图为从炼铁、炼钢到轧制成材为止的生产工艺简图。3.4.1轧钢生产系统

宝钢工艺流程图：

高炉—转炉—连铸—连轧根据不同的原料来源、产品结构及生产规模，将初轧机或连铸机与各种成品轧机配套设置，组成各种轧材生产系统。按生产规模划分有：大型、中型及小型生产系统。按产品种类划分有：板带钢、型钢、合金钢及混合生产系统。3.4.1轧钢生产系统热轧线材、热轧棒材、热轧H型钢、热轧型钢型钢生产系统的规模往往不很大，就规模而言可分为大型、中型和小型三种生产系统。年产100万t以上的称大型生产系统；年产30～100万t称中型生产系统；年产30万t以下的称小型生产系统。型钢、线棒材生产系统热轧中厚板、热轧薄板和钢带、冷轧薄板和钢带近代板带钢生产由于广泛采用先进的连续轧制方法，生产规模越来越大。现代化宽带钢热连轧机年产量达300～600万t。采用连铸板坯作为轧制板带钢的原料是今后发展的必然趋势。板带钢生产系统一个钢铁企业中可同时生产板带钢、型钢或钢管时称为混合生产系统。无论在大型、中型和小型的企业中，混合系统都比较多。优点可以满足多品种的需要，但对产量和质量的提高上不如单一的生产系统。混合钢生产系统合金钢的用途、钢种特性及生产工艺都比较特殊，材料也比较稀贵，产量不大而产品种类繁多。常属中型或小型的型钢生产系统或混合生产系统。各种轧钢生产系统组成见下表。合金钢生产系统轧材生产系统的发展：向大型化、连续化、自动化方向发展。工艺流程经历了“长流程”到“短流程”的发展过程。目前“长流程”和“短流程”共存。长流程主要吃铁水，短流程主要吃废钢。3.4.1轧钢生产系统

轧钢生产工艺过程：由钢锭或钢坯轧成具有一定规格和性能的钢材的一系列加工工序的组合。在提高质量和产量的同时，力求降低成本是制定轧钢生产工艺过程的总任务和总依据。碳素钢、合金钢、钢材冷轧的基本典型生产工艺流程如下图所示。3.4.2轧钢生产工艺流程普碳钢的生产工艺流程：分为四个基本类型1）采用连铸坯的生产系统工艺流程，其特点是不需要大的开坯机，无论是板带或型钢一般多一次加热轧出成品，工艺先进，已得到广泛的应用。2)采用铸锭的大型生产系统工艺流程，其特点是需大型的初轧机，钢锭重量大，一般采用热锭作业及二次或三次加热轧制的方式。3)采用铸锭的中型生产系统工艺流程，其特点是一般有φ650一φ900mm二辊或三辊开坯机，通常采用冷锭作业及二次加热，轧制方式，锭重一般在1—4t，可以生产碳素钢及合金钢钢材。4)采用铸锭的小型生产系统工艺流程，其特点是通常在中、小轧机上用冷小钢锭经一次加热，直接轧制成材。合金钢的生产工艺流程

合金钢的生产工艺流程较复杂，在工序上比碳钢多铸坯的退火、轧制后的退火、酸洗等工序，以及在开坯中有时采用锻造代替轧制。钢材冷加工的生产工艺流程

它包括冷轧和冷拔其特点是必须有加工前的酸洗和加工后的退火相配合，以组成冷加工生产线。热轧工艺系统——坯料准备→加热→轧制→冷却→精整→验收入库首先选择坯料的种类、材质、规格，进行质量检查和表面处理等。根据坯料的材质及成品的要求选择合理的加热设备和加热工艺制度对坯料进行加热。其次制定合理的变形程度、变形温度和变形速度工艺制度，进行产品的塑性成型加工，以获得形状正确、尺寸精确、表面完整光洁产品。接着成型后精整包括冷却、矫直、剪切、质量检查、修磨、热处理、标记和包装、入库等。3.4.2

轧钢生产工艺流程六大工序冷轧工艺系统——坯料准备→酸洗→轧制→退火→精整→验收入库首先选择坯料的种类、材质、规格，进行质量检查、酸洗去除表面氧化铁皮等处理。其次根据坯料的材质及成品的要求制定合理的压下规程和变形速度工艺制度，进行产品的塑性成型加工，以获得形状正确、尺寸精确、表面完整光洁产品。接着进行退火等热处理和矫直、剪切等精整、质量检查、修磨、标记和包装、入库等。3.4.2

轧钢生产工艺流程六大工序精整包括很多工序环节，不同轧材生产线其精整包含的工序环节是不同的。但必包括：定尺材——剪切矫直检验标记包装卷材——卷取检验标记包装3.4.2

轧钢生产工艺流程六大工序3.4.3轧钢工艺制度原料准备及加热工艺制度1.原料准备

钢锭、钢坯和连铸坯优缺点比较，见下表。对原料的要求：种类、尺寸和重量；成分、力学性能、表面状态等技术要求。内部缺陷有：偏析、气泡、缩孔、疏松、内部裂纹及非金属夹杂等。表面缺陷有：裂纹、气孔、结疤、皮下气泡等。表面缺陷的清理：火焰、电弧、风铲和砂轮研磨清理。3.4.3轧钢工艺制度2.原料加热加热的目的：使原料具有足够的塑性，减小变形抗力；改善金属内部组织，以便于轧制。热轧的温度范围：开轧温度

低于固相线NJE100～150℃

终轧温度对亚共析钢高于GS线50～100℃加热时间和加热速度：加热时间取决于坯料装炉前的温度、钢种、加热炉的加热条件及加热速度等。加热速度取决于钢的性质和坯料断面尺寸的大小。加热缺陷的防止：氧化铁皮；过热；过烧；熔化；脱碳；加热不均匀轧制工艺制度（工艺规程）

任务：精确成型、改善金属性能精确成型方面影响因素：

压下制度、轧辊孔型设计（型钢）

轧辊辊型设计（板带钢）、轧机调整等

变形温度等

改善金属性能方面影响因素：

（力学性能、工艺性能及特殊的物理化学性能）

变形温度、变形程度

轧制工艺制度（工艺规程）

任务：精确成型、改善金属性能精确成型方面影响因素：

压下制度、轧辊孔型设计（型钢）

轧辊辊型设计（板带钢）、轧机调整等

变形温度等

改善金属性能方面影响因素：

（力学性能、工艺性能及特殊的物理化学性能）

变形温度、变形程度

轧制工艺制度（工艺规程）

工艺制度主要包括：

温度制度、压下制度（压下规程）

速度制度、张力制度主要是根据产品品种规格、材质、产品技术条件、原料条件、设备机械特性和动力特性，运用数学解析法或数值分析法或图表法进行计算，确定各机架各道次的变形量（压下量）、辊缝设定值、轧制温度、轧制速度和张