隨著工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，要求對(duì)產(chǎn)品工藝調(diào)整進(jìn)行快速響應(yīng)。進(jìn)行工藝調(diào)整時(shí)要探索和確定單一或多個(gè)因素對(duì)產(chǎn)品的影響，需花費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力，且影響生產(chǎn)節(jié)奏。利用熱模擬試驗(yàn)技術(shù)可大大降低生產(chǎn)試驗(yàn)的投入成本，縮短試驗(yàn)摸索周期，因此熱模擬試驗(yàn)技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展越來(lái)越重要。
Gleeble3800-GTC型熱模擬試驗(yàn)機(jī)是美國(guó)DSI公司研發(fā)的以計(jì)算機(jī)控制為基礎(chǔ)的機(jī)電一體化大型精密試驗(yàn)設(shè)備，該設(shè)備是目前最強(qiáng)大的Gleeble模擬平臺(tái)，也是現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)室最先進(jìn)的材料制造研發(fā)工具。Gleeble3800-GTC型試驗(yàn)機(jī)主要由主控柜、液壓動(dòng)力單元、通用單元、液壓楔單元、真空系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、數(shù)控、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)等組成，最大凈載荷為196kN，最大加熱響應(yīng)速率為10000℃/s，該試驗(yàn)機(jī)主要用于冶金過(guò)程模擬研究、金屬材料熱變形行為研究等。冶金過(guò)程中可模擬其連鑄、軋制、鍛壓、焊接、熱處理、熱影響過(guò)程等；金屬材料熱變形行為中可模擬其熱拉伸、多種變形條件的熱壓縮(包括軸向變形和平面變形)、應(yīng)變誘導(dǎo)裂紋、零強(qiáng)度/零塑性溫度的測(cè)定、熱循環(huán)、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)再結(jié)晶、應(yīng)力松弛等。Gleeble3800-GTC型熱模擬試驗(yàn)機(jī)的應(yīng)用研究為品種研發(fā)、工藝制定提供了大量參考數(shù)據(jù)，可指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，并縮短新品種、新工藝的開(kāi)發(fā)周期，同時(shí)也優(yōu)化了生產(chǎn)工藝，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。
1、主要應(yīng)用研究
1.1 連鑄工藝模擬
在連鑄坯生產(chǎn)過(guò)程中，當(dāng)坯殼承受的鋼液靜壓力、彎曲力、矯直力、拉坯力等應(yīng)力大于其高溫狀態(tài)下的塑性極限時(shí)，鑄坯極容易出現(xiàn)表面和內(nèi)部裂紋。用熱模擬機(jī)對(duì)鑄坯試樣進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)，根據(jù)不同變形溫度條件下的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線獲得鑄坯的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量等高溫力學(xué)性能參數(shù)。沿平行于拉坯方向縱向取樣,加工成尺寸為10mm×120mm(直徑×長(zhǎng)度)的圓棒，兩側(cè)各加工有尺寸為10mm×15mm(直徑×長(zhǎng)度)的螺紋，高溫拉伸溫度為600~1350℃，每間隔50 ℃測(cè)試一次，拉伸應(yīng)變速率為10-3s-1。試驗(yàn)后根據(jù)不同溫度下試樣拉伸前后的斷面尺寸(直徑)，計(jì)算出試樣的斷面收縮率，結(jié)合對(duì)應(yīng)溫度下應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的強(qiáng)度，繪制試樣的強(qiáng)度-塑性曲線，并得出試樣的脆性區(qū)，結(jié)果可為制訂和優(yōu)化連鑄坯的拉坯及矯直工藝提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以避免產(chǎn)生輕鑄坯裂紋。一般認(rèn)為，斷面收縮率小于60%即進(jìn)入脆性區(qū)。鋼的熔點(diǎn)至600℃存在3個(gè)明顯的脆性溫度區(qū)域：高溫區(qū)(熔點(diǎn)至 1200℃)為第Ⅰ類脆性區(qū)，中溫區(qū) (900~1200℃)為第Ⅱ類脆性區(qū)，低溫區(qū)(600~900℃)為第Ⅲ類脆性區(qū)。圖1為45鋼連鑄板坯1/4處的強(qiáng)度-塑性曲線，45鋼連鑄板坯1/4處有2個(gè)脆性區(qū)，1200~1350℃為第Ⅰ類脆性區(qū)，600~850℃為第Ⅲ類脆性區(qū)。圖2為29MnCr6鋼連鑄圓坯的強(qiáng)度-塑性曲線，圖中1150~1300℃為第Ⅰ類脆性區(qū)，600~750℃為第Ⅲ類脆性區(qū)。
1.2 軋制工藝模擬
軋制過(guò)程中形變奧氏體再結(jié)晶行為對(duì)材料的抗變形能力、組織和性能起決定性作用。在制定軋制工藝前，研究材料的形變奧氏體動(dòng)態(tài)和靜態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生條件、變化規(guī)律尤為重要。利用熱模擬機(jī)進(jìn)行圓柱體單向壓縮試驗(yàn)，其中采用單道次壓縮試驗(yàn)研究動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，采用雙道次壓縮試驗(yàn)研究靜態(tài)再結(jié)晶，試樣尺寸(直徑×長(zhǎng)度)為10mm×15mm或者8mm×12mm的圓柱體。
在不同溫度、應(yīng)變速率條件下對(duì)試樣進(jìn)行單道次壓縮試驗(yàn)，變形量大于60%。試驗(yàn)后分析應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征參數(shù)，看應(yīng)變曲線是否有峰值。當(dāng)變形溫度較高、應(yīng)變速率較低時(shí)，曲線會(huì)出現(xiàn)峰值，奧氏體發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶;當(dāng)變形溫度較低、應(yīng)變速率較快時(shí)，曲線無(wú)峰值,奧氏體只發(fā)生加工硬化和動(dòng)態(tài)回復(fù)，而不發(fā)生再結(jié)晶。圖3為Q345E鋼單道次壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，當(dāng)應(yīng)變速率為0.1s-1時(shí)，溫度為800~1150℃的曲線均有峰值，奧氏體都發(fā)生了再結(jié)晶，當(dāng)應(yīng)變速率增大到10s-1時(shí)，只有在較高的溫度1100℃和1150℃的條件下，奧氏體才發(fā)生少量再結(jié)晶。
從應(yīng)力-應(yīng)變曲線上提取εp、εc、εr、εt等特征參量，其中εp為峰值應(yīng)變，εc為發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶所需的臨界應(yīng)變，εr為從動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形核到全部完成一輪再結(jié)晶所需的變形量，εt為應(yīng)力-應(yīng)變曲線上應(yīng)力達(dá)到峰值隨后下降到穩(wěn)定態(tài)時(shí)所對(duì)應(yīng)的變形量。根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線上提取的εp、εc、εr、εt等特征參量繪制出應(yīng)變速率為0.01s-1和0.1s-1 時(shí)Q345E鋼的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶曲線(見(jiàn)圖4)。
在不同變形溫度、應(yīng)變速率、變形量、道次間隔時(shí)間條件下進(jìn)行雙道次壓縮試驗(yàn)。圖5a)為變形溫度為950℃、道次間隔時(shí)間為15s條件下Q355鋼雙道次變形的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，圖5b)為變形量為25%、道次間隔時(shí)間為5s條件下 Q355鋼雙道次變形的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
根據(jù)雙道次變形的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，計(jì)算相鄰道次之間產(chǎn)生靜態(tài)回復(fù)、靜態(tài)再結(jié)晶對(duì)應(yīng)的軟化率Fs，根據(jù)Fs計(jì)算出靜態(tài)再結(jié)晶的體積分?jǐn)?shù)XSRX，計(jì)算方法如式(1)~(2)所示。
根據(jù)Fs和XSRX的計(jì)算結(jié)果繪制不同變形溫度下Q355鋼的靜態(tài)再結(jié)晶曲線,結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：隨著變形溫度升高，Q355鋼靜態(tài)再結(jié)晶的速率明顯加快，XSRX也隨之增加；隨道次間隔時(shí)間的延長(zhǎng)，XSRX也隨之增加。
在液壓楔單元上進(jìn)行多道次壓縮，可模擬研究再結(jié)晶、加工硬化、應(yīng)力松弛和流動(dòng)應(yīng)力等參數(shù)，對(duì)每個(gè)道次的入口速率、溫度和應(yīng)變等進(jìn)行模擬控制，結(jié)合數(shù)值模擬分析，對(duì)軋制工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。液壓楔單元可模擬多道次高速連軋，液壓楔能保證多道次變形過(guò)程中各道次模擬結(jié)果無(wú)過(guò)壓且應(yīng)變速率恒定。在液壓楔單元上可進(jìn)行平面應(yīng)變壓縮，平面應(yīng)變壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力狀態(tài)、變形狀態(tài)及熱傳導(dǎo)更接近于軋制。平面應(yīng)變?cè)嚇拥某叽?長(zhǎng)度×寬度×高度)為20mm×15mm×10mm。用液壓楔系統(tǒng)模擬低碳鋼平面應(yīng)變5道次連軋，低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7所示。
1.3 連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變(CCT)曲線模擬
連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線是鋼軋制后控冷及熱處理的重要依據(jù)，對(duì)確定鋼在冷卻過(guò)程中的組織轉(zhuǎn)變和最終性能有重要的作用，CCT曲線分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)。采用夾持膨脹儀對(duì)鋼材進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)其進(jìn)行金相檢驗(yàn)，以得到鋼材的CCT曲線。選定低于200℃/h的速率進(jìn)行加熱和冷卻，由相變引起的體積變化反應(yīng)在膨脹曲線上，破壞了膨脹量與溫度的線性關(guān)系，從而根據(jù)膨脹曲線上顯示出的拐點(diǎn)來(lái)確定鋼的Ac1(加熱時(shí)珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的溫度)、Ac3(加熱時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的終了溫度)、Ar3(冷卻時(shí)鐵素體轉(zhuǎn)變的開(kāi)始溫度)、Ar1(冷卻時(shí)奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的溫度)。CCT曲線中包括鋼材的化學(xué)成分、臨界點(diǎn)、冷卻速率等信息,試樣為6mm×80mm(直徑×長(zhǎng)度)的圓柱體。圖8為ER70鋼的臨界點(diǎn)膨脹曲線，圖9a)為SWRH82B鋼的靜態(tài)CCT 曲線，圖9b)為Q345E鋼的動(dòng)態(tài)CCT曲線，其中t為冷卻時(shí)間。
1.4 等溫轉(zhuǎn)變(TTT)曲線模擬
等溫轉(zhuǎn)變曲線反映了不同溫度下過(guò)冷奧氏體的轉(zhuǎn)變體積分?jǐn)?shù)與等溫時(shí)間的關(guān)系。利用低載荷鉗具系統(tǒng)將試樣在相同加熱溫度下完全奧氏體化，保溫后迅速冷卻到不同的等溫溫度，在等溫處停留一定時(shí)間，然后繪制試樣的膨脹量-等溫時(shí)間曲線，得到相轉(zhuǎn)變開(kāi)始及結(jié)束的時(shí)間。模擬650℃時(shí)Q460鋼的等溫轉(zhuǎn)變,結(jié)果如圖10所示，試樣加熱到900℃保溫后快速冷卻至650℃，等溫2min，650℃開(kāi)始等溫到拐點(diǎn)a出現(xiàn)時(shí)即為孕育期，表示過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變開(kāi)始所經(jīng)歷的時(shí)間，拐點(diǎn)a后組織發(fā)生轉(zhuǎn)變，且迅速膨脹，當(dāng)膨脹曲線水平時(shí)，切點(diǎn)b對(duì)應(yīng)的時(shí)間即為該溫度轉(zhuǎn)變結(jié)束時(shí)間。圖11為SWRH82B鋼在520~700℃10個(gè)等溫點(diǎn)的TTT曲線。
2、結(jié)語(yǔ)
Gleeble3800-GTC模擬技術(shù)可廣泛應(yīng)用于連鑄、軋制、控冷工藝、焊接模擬、淬火模擬、板帶退火模擬、應(yīng)變誘導(dǎo)裂紋、零強(qiáng)度/零塑性溫度的測(cè)定等方面，該技術(shù)可以為品種研發(fā)、工藝制定提供大量參考數(shù)據(jù)，有效指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，縮短新品種、新工藝的開(kāi)發(fā)周期,在工業(yè)生產(chǎn)中起到了至關(guān)重要的作用。
作者：駱春民，劉瑩
單位：天津鋼鐵集團(tuán)有限公司 技術(shù)中心
來(lái)源：《理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)》2023年第11期
京公網(wǎng)安備11010802046783號(hào)
