脈沖電流作用下鋼軋材力學性能的數(shù)值模擬與分析

脈沖電流作用下鋼軋材力學性能的數(shù)值模擬與分析

1終軋過程中產(chǎn)品力學性能和熱性能的自然決定漣鋼六廠是法國引進的一條半連續(xù)式輥機，主要用于生產(chǎn)螺紋鋼。通過近幾年的技術改造,終軋速度雖最高可達18m/s,但產(chǎn)品的力學性能卻存在一些問題,如某些產(chǎn)品的屈服強度、抗拉強度偏低;熱軋工藝制度和產(chǎn)品性能控制不穩(wěn)定,出現(xiàn)魏氏組織、鋼材脆斷等現(xiàn)象。為此開發(fā)了鋼材的力學性能模型,用以預測與分析軋材性能。2終軋階段的轉變行為熱軋過程及其組織變化如圖1所示。在相對低的溫度下加熱方坯,以防止奧氏體晶粒長大,其次,在高溫區(qū)反復軋制,通過再結晶使奧氏體晶粒細化;然后在Ar3溫度以上的低溫區(qū)軋制,以便有可能在奧氏體晶粒內形成大量的變形帶;終軋后的軋材通過穿水冷卻來控制其相變行為。熱軋過程中的主要冶金現(xiàn)象為加工硬化的奧氏體轉變。加工硬化后的奧氏體晶粒內部包含有大量的晶內缺陷,如位錯、變形帶等。這些缺陷以及沿軋制方向延伸的奧氏體晶粒邊界成為鐵素體形核的可能地點。鐵素體形核的地點還有先后的順序,最先形核的地點為奧氏體晶粒邊界。加速冷卻縮短了轉變溫度的范圍,在先形核的鐵素體向奧氏體晶粒內生長的時候,別的鐵素體也開始在其它的形核地點長大,鐵素體形核的地點由奧氏體晶粒邊界轉向奧氏體晶粒內部,由此軋材的轉變組織得到了明顯的細化。為了精確地預測以上提到的轉變行為,必須對奧氏體晶粒內部轉變形式公式化。基于以上對軋制過程中的一些冶金現(xiàn)象的考慮,提出了以下的數(shù)學模型。3預報粉體晶粒小、晶粒大、組織轉變模型性能預報主要包括如下三個方面的內容:(1)形變奧氏體的顯微組織變化模型,預報軋制中每道次的靜態(tài)回復,動、靜態(tài)再結晶的體積和晶粒長大。(2)冷卻過程中的組織轉變模型,預報奧氏體轉變成鐵素體的晶粒大小。(3)性能預報模型,預報軋后鋼材的力學性能指標——屈服強度、抗拉強度、延伸率等。3.1變形體的微觀組織變化模型3.1.1晶粒尺寸rt式εc=A×Da1o×Za2(1)Ζ=˙ε×exp(Q/RT)式中:A——常數(shù),A=3.96×10-4;Do——原始奧氏體晶粒尺寸;a1,a2——試驗常數(shù);˙ε——應變速率;T——絕對溫度;Q——激活能;R——氣體常數(shù)。3.1.2應變量的計算絕熱過程的組織轉變體積,服從Avrami方程,即X=1-exp(-kt)a。動態(tài)再結晶是在變形的同時發(fā)生的,與時間無關,而與變形量、變形溫度有關,其計算公式可寫為:Xd=1-exp[In0.5(ε/ε50)n](2)式中n為試驗常數(shù)(1.5～2.0),ε50是Xd為50%時的應變量,ε50=1.144×10-3×Do0.28×˙ε0.05exp(6420/T)。3.1.3動態(tài)再結晶形貌ddy=22600×Z-0.27,其變形后晶粒馬上長大,其長大模型為:ddyt=ddy+1.1×[dpd-ddy]×Y(3)式中dpd=5380×exp(-6840/T),Y=1-exp[-295×ε0.1exp(-8000/T)×t],ddyt表示停留時間t后動態(tài)再結晶晶粒直徑。因動態(tài)再結晶是在熱變形的同時發(fā)生的,即動態(tài)再結晶形核長大的同時,變形在繼續(xù)進行,剛剛形成的再結晶晶粒又產(chǎn)生加工硬化和回復、再結晶的軟化過程,所以動態(tài)再結晶是一個混晶組織,并伴有一定程度的硬化。上述晶粒長大的模型表示平均晶粒大小。3.1.4晶粒大小及尺寸用應力—應變曲線表示如圖2所示。由圖2可見,當ε<εn時,奧氏體只有回復而無任何再結晶。在這種情況下應注意的是,由于變形量小,且不均勻,局部區(qū)域可能引起晶界遷移,從而誘發(fā)大晶粒。只有當ε>εs時,軋制過程才會發(fā)生完全動態(tài)再結晶,而一般軋制過程要達到這樣的變形條件是不可能的。因此軋制過程總是伴隨著靜態(tài)再結晶。靜態(tài)再結晶是細化奧氏體的關鍵。靜態(tài)再結晶百分量可由下式描述:Xst=1-exp[-k(t-t0t50)n](4)式中t0為靜態(tài)再結晶孕育期,一般忽略不計,k=0.963,t50表示靜態(tài)再結晶體積為50%時的時間?t50=2.2×10-12Sv-0.5˙ε-0.2exp(30000/Τ),其中Sv為單位體積的晶界表面積?Sv=24πDo[0.491expε+0.155exp(-ε)+0.143exp(-3ε)]?Do為原始晶粒的平均直徑。(1)靜態(tài)再結晶的晶粒大小。變形奧氏體完全再結晶的晶粒大小為:dsto=m/(Sv×ε)n(5)式中m、n為常數(shù),m=2.5,n=0.6。變形奧氏體部分再結晶的晶粒大小為:dst=dsto×(0.2+0.8×Xst)(6)靜態(tài)再結晶晶粒長大:dst2=(dsto)2+1.44×1012exp(-32100/RT)t(7)(2)形變恢復及形變積累。對于多道軋制,道次間的靜態(tài)再結晶不完善,則對下道次的變形帶來影響,也就是說有某種程度的硬化狀態(tài)存在,根據(jù)位錯理論,應力與位錯間的關系高溫下可近似表示為:σ=a√ρ,其中ρ為位錯密度。根據(jù)Yada等實驗結果,隨變形增加,位錯增值,結果如下:ρ=cb(1-eb?ε)+ρo?e-b?ε(8)式中b=boε-pexp(-E/T),c=0.85×1011×(1+do-0.5)。道次間隔時間里由于恢復位錯是要變化的,dρ/dt=-300ρ2exp(-66000/RT),積分得:ρ=1300texp(66000/RΤ)(9)再結晶后:ρ=(ρo-ρnr)Xret+ρnr(10)式中:ρnr——回復后位錯密度;Xrec——再結晶百分數(shù);t——為再結晶時間。奧氏體平均晶粒的求法:上述為動態(tài)再結晶和靜態(tài)再結晶晶粒長大模型。由于軋制變形后,奧氏體可能產(chǎn)生動態(tài)再結晶和未再結晶,而未再結晶很快又可能發(fā)生靜態(tài)再結晶,如靜態(tài)再結晶不完全,則還有一未再結晶區(qū)。對上述三個區(qū)域晶粒長大的計算,采用第一道軋制后,第二道軋制前,出現(xiàn)上述三個區(qū)。第二道軋制后,每一區(qū)域又均可能發(fā)生上述情況,即每一區(qū)域又出現(xiàn)三個區(qū)域,這樣,依此類推,每道軋制后將其綜合為(動……靜……未再結晶)三個區(qū)進行計算,求出奧氏體平均晶粒大小。3.2冷卻模型終軋之后,隨著冷卻奧氏體開始轉變,開始轉變溫度和轉變中的冷卻速度,就決定了轉變的組織結構,從而也就決定了軋材的性能。3.2.1溫度場初始狀態(tài)在控軋后的冷卻過程中,奧氏體開始轉變溫度,除與成分有關外,也與冷卻速度和變形量有關,因變形量的關系比較復雜,一般均不加以考慮。奧氏體開始轉變溫度如下:f(成分)=902-527C%-62Mn%+60Si%(11)Ar3(℃)=f(成分)·exp(-0.1016lgCR)(12)式中C、Mn、Si表示化學成分,CR表示冷卻速度(K/s)。Ar3是決定控軋的重要參數(shù),是決定終軋溫度和兩相區(qū)軋制的重要依據(jù)。3.2.2冷卻速度的影響奧氏體相變有兩種類型:一是擴散型相變,另一是馬氏體相變。鋼的成分和冷卻速度決定相變類型與相變產(chǎn)物。在擴散相變過程中,α在γ邊界上生核,當冷卻速度較低時,形成多邊形鐵素體,并且一些具有相似晶粒取向的相鄰晶粒聚集成一個晶粒。然而一個γ晶粒通常由于相變而分解成幾個α晶粒,且γ晶粒越小,生成的鐵素體晶粒也越小。當冷卻速度過快,過冷度較大時,可形成具有魏氏組織的針狀鐵素體。由此可見,控制冷卻速度,對控軋后結果是非常重要的?？剀埖闹饕康氖羌毣F素體晶粒,當軋制在再結晶范圍內變形時,隨變形增加γ晶粒越來越細化,并達到一極限值,這一極限值就決定了γ再結晶細化α的程度。在未再結晶區(qū)變形時,γ被拉長,γ晶粒內部出現(xiàn)變形帶,使α的形核不僅在γ邊界上形成,而且在晶粒內部的變形帶上出現(xiàn),從而使α更加細化。根據(jù)這些理論,并結合該廠實際情況,奧氏體轉變成鐵素體的晶粒大小可表示為:dα=3.75+0.18dγ+1.4×(dT/dt)-0.5(13)式中dT/dt為冷卻速度(℃/s),dγ為奧氏體晶粒大小(μm)。3.3試驗模型及試驗結果(1)屈服強度σs模型。根據(jù)佩斯強化公式:σs=σso+Kd-0.5ασso=115.8+32Mn%+85Si%+670P%+4600Nf%(14)由于連鑄坯用鋁脫氧,氮易與鋁形成AlN,使固化氮Nf項消失,熱軋過程中,AlN對鋼不起沉淀強化作用,上式即為:σs=115.8+32Mn%+85Si%+670P%+Kd-0.5α(15)式中K為試驗常數(shù),K=17.5。(2)抗拉強度σb模型。即σb=295.3+27.5Mn%+82.7Si%+3.9Be%+1.15-0.5dα+670Ρ%+6800√Νf(16)(3)斷裂應變模型。影響斷裂應變δ5的因素很多,考慮到δ5對鐵素體晶粒度不敏感,而對成分,特別是夾雜物類型、形態(tài)很敏感,故選用如下模型:Kd=0.27-0.016(1-Xf)-0.015Mn%-0.44Si%-1.1Nf(17)δ5=exp(Kd-1)×100+2.85式中Xf為鐵素體百分數(shù)。4機械制品質量的影響從前述的軋制過程中的冶金現(xiàn)象及軋材機械性能與工藝中各因素的公式表述可以看出,軋制過程是一個非常復雜的過程,只有通過計算機才可能對其進行預測和控制。4.1粗軋和粗軋密度的計算對螺紋鋼軋制起關鍵作用的是加速冷卻部分。由于粗軋部分能力強,可在高溫區(qū)通過反復軋制,使γ晶粒細化。但有一個范圍,γ最小不能細化到20μm。粗軋后由于回復及再結晶,使位錯密度降低,一般為106mm-2左右。加上螺紋鋼終軋溫度都基本上處于未再結晶溫度之上,因此,在編制程序時,不直接計算加熱部分奧氏體的長大和粗軋部分γ晶粒細化。把粗軋完了的γ晶粒尺寸和位錯密度作為初始條件進入精軋部分計算。同時以實測各道次軋制溫度作為已知輸入計算。故有:初始γ晶粒尺寸Do=50μm,初始位錯密度ρo=106mm-2。4.2性能預報準確性較高其框圖見圖3。4.3計算結果與分析計算結果見附表。將附表所列結果與實際結果對比,依下式計算后有:δs=|σs實-σs預σs預|×100%=3.5%