脈沖電流作用下鋼軋材力學(xué)性能的數(shù)值模擬與分析

脈沖電流作用下鋼軋材力學(xué)性能的數(shù)值模擬與分析

1終軋過(guò)程中產(chǎn)品力學(xué)性能和熱性能的自然決定漣鋼六廠是法國(guó)引進(jìn)的一條半連續(xù)式輥機(jī)，主要用于生產(chǎn)螺紋鋼。通過(guò)近幾年的技術(shù)改造,終軋速度雖最高可達(dá)18m/s,但產(chǎn)品的力學(xué)性能卻存在一些問(wèn)題,如某些產(chǎn)品的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)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(kāi)發(fā)了鋼材的力學(xué)性能模型,用以預(yù)測(cè)與分析軋材性能。2終軋階段的轉(zhuǎn)變行為熱軋過(guò)程及其組織變化如圖1所示。在相對(duì)低的溫度下加熱方坯,以防止奧氏體晶粒長(zhǎng)大,其次,在高溫區(qū)反復(fù)軋制,通過(guò)再結(jié)晶使奧氏體晶粒細(xì)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(nèi)形成大量的變形帶;終軋后的軋材通過(guò)穿水冷卻來(lái)控制其相變行為。熱軋過(guò)程中的主要冶金現(xiàn)象為加工硬化的奧氏體轉(zhuǎn)變。加工硬化后的奧氏體晶粒內(nèi)部包含有大量的晶內(nèi)缺陷,如位錯(cuò)、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(diǎn)。鐵素體形核的地點(diǎn)還有先后的順序,最先形核的地點(diǎn)為奧氏體晶粒邊界。加速冷卻縮短了轉(zhuǎn)變溫度的范圍,在先形核的鐵素體向奧氏體晶粒內(nèi)生長(zhǎng)的時(shí)候,別的鐵素體也開(kāi)始在其它的形核地點(diǎn)長(zhǎng)大,鐵素體形核的地點(diǎn)由奧氏體晶粒邊界轉(zhuǎn)向奧氏體晶粒內(nèi)部,由此軋材的轉(zhuǎn)變組織得到了明顯的細(xì)化。為了精確地預(yù)測(cè)以上提到的轉(zhuǎn)變行為,必須對(duì)奧氏體晶粒內(nèi)部轉(zhuǎn)變形式公式化。基于以上對(duì)軋制過(guò)程中的一些冶金現(xiàn)象的考慮,提出了以下的數(shù)學(xué)模型。3預(yù)報(bào)粉體晶粒小、晶粒大、組織轉(zhuǎn)變模型性能預(yù)報(bào)主要包括如下三個(gè)方面的內(nèi)容:(1)形變奧氏體的顯微組織變化模型,預(yù)報(bào)軋制中每道次的靜態(tài)回復(fù),動(dòng)、靜態(tài)再結(jié)晶的體積和晶粒長(zhǎng)大。(2)冷卻過(guò)程中的組織轉(zhuǎn)變模型,預(yù)報(bào)奧氏體轉(zhuǎn)變成鐵素體的晶粒大小。(3)性能預(yù)報(bào)模型,預(yù)報(bào)軋后鋼材的力學(xué)性能指標(biāo)——屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)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(yàn)常數(shù);˙ε——應(yīng)變速率;T——絕對(duì)溫度;Q——激活能;R——?dú)怏w常數(shù)。3.1.2應(yīng)變量的計(jì)算絕熱過(guò)程的組織轉(zhuǎn)變體積,服從Avrami方程,即X=1-exp(-kt)a。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是在變形的同時(shí)發(fā)生的,與時(shí)間無(wú)關(guān),而與變形量、變形溫度有關(guān),其計(jì)算公式可寫(xiě)為:Xd=1-exp[In0.5(ε/ε50)n](2)式中n為試驗(yàn)常數(shù)(1.5～2.0),ε50是Xd為50%時(shí)的應(yīng)變量,ε50=1.144×10-3×Do0.28×˙ε0.05exp(6420/T)。3.1.3動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形貌ddy=22600×Z-0.27,其變形后晶粒馬上長(zhǎng)大,其長(zhǎng)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(shí)間t后動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒直徑。因動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是在熱變形的同時(shí)發(fā)生的,即動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形核長(zhǎng)大的同時(shí),變形在繼續(xù)進(jìn)行,剛剛形成的再結(jié)晶晶粒又產(chǎn)生加工硬化和回復(fù)、再結(jié)晶的軟化過(guò)程,所以動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是一個(gè)混晶組織,并伴有一定程度的硬化。上述晶粒長(zhǎng)大的模型表示平均晶粒大小。3.1.4晶粒大小及尺寸用應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)表示如圖2所示。由圖2可見(jiàn),當(dāng)ε<εn時(shí),奧氏體只有回復(fù)而無(wú)任何再結(jié)晶。在這種情況下應(yīng)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(dāng)ε>εs時(shí),軋制過(guò)程才會(huì)發(fā)生完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,而一般軋制過(guò)程要達(dá)到這樣的變形條件是不可能的。因此軋制過(guò)程總是伴隨著靜態(tài)再結(jié)晶。靜態(tài)再結(jié)晶是細(xì)化奧氏體的關(guān)鍵。靜態(tài)再結(jié)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(jié)晶孕育期,一般忽略不計(jì),k=0.963,t50表示靜態(tài)再結(jié)晶體積為50%時(shí)的時(shí)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(jié)晶的晶粒大小。變形奧氏體完全再結(jié)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(jié)晶的晶粒大小為:dst=dsto×(0.2+0.8×Xst)(6)靜態(tài)再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大:dst2=(dsto)2+1.44×1012exp(-32100/RT)t(7)(2)形變恢復(fù)及形變積累。對(duì)于多道軋制,道次間的靜態(tài)再結(jié)晶不完善,則對(duì)下道次的變形帶來(lái)影響,也就是說(shuō)有某種程度的硬化狀態(tài)存在,根據(jù)位錯(cuò)理論,應(yīng)力與位錯(cuò)間的關(guān)系高溫下可近似表示為:σ=a√ρ,其中ρ為位錯(cuò)密度。根據(jù)Yada等實(shí)驗(yàn)結(jié)果,隨變形增加,位錯(cuò)增值,結(jié)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(shí)間里由于恢復(fù)位錯(cuò)是要變化的,dρ/dt=-300ρ2exp(-66000/RT),積分得:ρ=1300texp(66000/RΤ)(9)再結(jié)晶后:ρ=(ρo-ρnr)Xret+ρnr(10)式中:ρnr——回復(fù)后位錯(cuò)密度;Xrec——再結(jié)晶百分?jǐn)?shù);t——為再結(jié)晶時(shí)間。奧氏體平均晶粒的求法:上述為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和靜態(tài)再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大模型。由于軋制變形后,奧氏體可能產(chǎn)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和未再結(jié)晶,而未再結(jié)晶很快又可能發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶,如靜態(tài)再結(jié)晶不完全,則還有一未再結(jié)晶區(qū)。對(duì)上述三個(gè)區(qū)域晶粒長(zhǎng)大的計(jì)算,采用第一道軋制后,第二道軋制前,出現(xiàn)上述三個(gè)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(gè)區(qū)域,這樣,依此類(lèi)推,每道軋制后將其綜合為(動(dòng)……靜……未再結(jié)晶)三個(gè)區(qū)進(jìn)行計(jì)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(kāi)始轉(zhuǎn)變,開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度和轉(zhuǎn)變中的冷卻速度,就決定了轉(zhuǎn)變的組織結(jié)構(gòu),從而也就決定了軋材的性能。3.2.1溫度場(chǎng)初始狀態(tài)在控軋后的冷卻過(guò)程中,奧氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度,除與成分有關(guān)外,也與冷卻速度和變形量有關(guān),因變形量的關(guān)系比較復(fù)雜,一般均不加以考慮。奧氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)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(xué)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(lèi)型:一是擴(kuò)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(lèi)型與相變產(chǎn)物。在擴(kuò)散相變過(guò)程中,α在γ邊界上生核,當(dāng)冷卻速度較低時(shí),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(gè)晶粒。然而一個(gè)γ晶粒通常由于相變而分解成幾個(gè)α晶粒,且γ晶粒越小,生成的鐵素體晶粒也越小。當(dāng)冷卻速度過(guò)快,過(guò)冷度較大時(shí),可形成具有魏氏組織的針狀鐵素體。由此可見(jiàn),控制冷卻速度,對(duì)控軋后結(jié)果是非常重要的?？剀埖闹饕康氖羌?xì)化鐵素體晶粒,當(dāng)軋制在再結(jié)晶范圍內(nèi)變形時(shí),隨變形增加γ晶粒越來(lái)越細(xì)化,并達(dá)到一極限值,這一極限值就決定了γ再結(jié)晶細(xì)化α的程度。在未再結(jié)晶區(qū)變形時(shí),γ被拉長(zhǎng),γ晶粒內(nèi)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(nèi)部的變形帶上出現(xiàn),從而使α更加細(xì)化。根據(jù)這些理論,并結(jié)合該廠實(shí)際情況,奧氏體轉(zhuǎn)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(yàn)?zāi)Ｐ图霸囼?yàn)結(jié)果(1)屈服強(qiáng)度σs模型。根據(jù)佩斯強(qiáng)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(xiàng)消失,熱軋過(guò)程中,AlN對(duì)鋼不起沉淀強(qiáng)化作用,上式即為:σs=115.8+32Mn%+85Si%+670P%+Kd-0.5α(15)式中K為試驗(yàn)常數(shù),K=17.5。(2)抗拉強(qiáng)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(yīng)變模型。影響斷裂應(yīng)變?chǔ)?的因素很多,考慮到δ5對(duì)鐵素體晶粒度不敏感,而對(duì)成分,特別是夾雜物類(lèi)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?jǐn)?shù)。4機(jī)械制品質(zhì)量的影響從前述的軋制過(guò)程中的冶金現(xiàn)象及軋材機(jī)械性能與工藝中各因素的公式表述可以看出,軋制過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程,只有通過(guò)計(jì)算機(jī)才可能對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)和控制。4.1粗軋和粗軋密度的計(jì)算對(duì)螺紋鋼軋制起關(guān)鍵作用的是加速冷卻部分。由于粗軋部分能力強(qiáng),可在高溫區(qū)通過(guò)反復(fù)軋制,使γ晶粒細(xì)化。但有一個(gè)范圍,γ最小不能細(xì)化到20μm。粗軋后由于回復(fù)及再結(jié)晶,使位錯(cuò)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(jié)晶溫度之上,因此,在編制程序時(shí),不直接計(jì)算加熱部分奧氏體的長(zhǎng)大和粗軋部分γ晶粒細(xì)化。把粗軋完了的γ晶粒尺寸和位錯(cuò)密度作為初始條件進(jìn)入精軋部分計(jì)算。同時(shí)以實(shí)測(cè)各道次軋制溫度作為已知輸入計(jì)算。故有:初始γ晶粒尺寸Do=50μm,初始位錯(cuò)密度ρo=106mm-2。4.2性能預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性較高其框圖見(jiàn)圖3。4.3計(jì)算結(jié)果與分析計(jì)算結(jié)果見(jiàn)附表。將附表所列結(jié)果與實(shí)際結(jié)果對(duì)比,依下式計(jì)算后有:δs=|σs實(shí)-σs預(yù)σs預(yù)|×100%=3.5%