微碳鋼鐵素體區(qū)軋制的變形抗力模型

陳瑾,陸鑫,楊艷軍,劉戰(zhàn)英

(1.河北聯(lián)合大學冶金與能源學院,河北唐山063009;2.唐山市產品質量監(jiān)督檢驗所,河北唐山063000; 3.河北鋼鐵股份有限公司承德分公司,河北承德 067002)

0 引 言

微碳鋼通常是指碳含量較低的普通碳素鋼,具有較好的深沖性能,廣泛用于一般沖壓成型制品。鐵素體區(qū)軋制不僅具有節(jié)約能源、降低成本等優(yōu)點,而且能夠提高深沖性能,使塑性應變比(r值)增加[1]。與傳統(tǒng)的軋制工藝相比,鐵素體區(qū)軋制由于軋制溫度低,按照變形抗力與變形溫度關系的一般規(guī)律,有可能使得變形抗力增加。通過微碳鋼在鐵素體區(qū)熱壓縮變形,其變形抗力在兩相區(qū)有所下降。所以對于微碳鋼,在精軋機上采用鐵素體區(qū)軋制,并不會使軋制力大幅度的提高。本文通過模擬試驗的方法得出了微碳鋼鐵素體區(qū)軋制的變形抗力模型,為鐵素體區(qū)軋制力的計算提供了依據。

1 試驗設備與方案

1.1 試驗設備

利用Gleeb le熱模擬試驗機,對微碳鋼的變形抗力進行了實驗研究。試樣取自某熱軋薄板廠,連鑄坯經粗軋后取樣,按照熱模擬試驗機要求制做試樣,試樣尺寸為φ8mm×15 mm。試驗用的微碳鋼化學成分見表1所示。

表1 微碳鋼的化學成分(%)

1.2 試驗方案

考慮到微碳鋼鐵素體區(qū)軋制的溫度范圍和軋制變形條件,試驗溫度范圍取750℃～1150℃,變形速率取1～20 1/s,變形程度取0.2～0.5。按上述方案將不同的變形溫度、變形速率進行組合。變形溫度取750℃、800℃、850℃、900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃、1150℃,變形速率取1、5、10、15、20 1/s。為準確確定鐵素體區(qū)的相變溫度,在G leeb le熱模擬試驗機上用熱膨脹法測定了實驗的微碳鋼的相變點A r3為990℃、A r1為920℃。

2 試驗數(shù)據分析

通過在Gleeble熱模擬試驗機上進行不同溫度、變形程度和應變速率下的壓縮試驗,得到的應力—應變曲線,并且可以得到不同變形條件下的應力值。根據試驗數(shù)據,可以看出變形溫度、變形程度和應變速率對變形抗力的影響。

2.1 變形溫度對變形抗力的影響

變形溫度對變形抗力的影響最為明顯,見圖1所示。在單相奧氏體區(qū)和鐵素體區(qū),變形抗力基本隨著變形溫度的降低而增加,這與一般低碳鋼和低合金鋼變形溫度對變形抗力的影響規(guī)律相同。但是在兩相區(qū),變形抗力隨著溫度的降低出現(xiàn)低谷。

圖1 變形抗力與變形溫度的關系

在奧氏體與鐵素體兩相區(qū),由于兩相組織的性質不同,變形不是協(xié)調的發(fā)生在兩相組織中。而是主要發(fā)生在剛轉變的鐵素體晶粒上。鐵素體的層錯能高,變形過程中位錯比較容易運動。同時鐵素體處于高溫鐵素體區(qū),在變形程度較大時,鐵素體還容易發(fā)生動態(tài)再結晶。所以在兩相區(qū)隨變形溫度的下降變形抗力也出現(xiàn)下降趨勢。

隨著含碳量的增加,由于間隙原子的作用,對變形抗力的影響就更為明顯。間隙原子聚集在位錯的周圍,形成氣團對位錯有很強的定扎作用,它大大增加了位錯的滑移阻力。在碳含量增高時,在兩相區(qū)由于間隙原子的作用變形抗力會隨變形溫度的下降而升高。

2.2 變形程度對變形抗力的影響

通過實驗數(shù)據得出了變形程度與變形抗力的關系,見圖2所示。在不同的變形溫度下,變形抗力均隨變形程度的增加而增加,這與其他鋼種有相同的規(guī)律。也表明在變形過程出現(xiàn)硬化,在上述變條件下沒有發(fā)生動態(tài)再結晶,所以使得變形阻力隨變形程度的增加而增加。

圖2 變形程度與變形抗力的關系

2.3 變形速率對變形抗力的影響

變形速率對變形抗力的影響有兩方面,一是變形速率高不利于再結晶的發(fā)生,使變形抗力升高,二是變形速率高又會產生較多的變形熱,變形溫度提高又容易發(fā)生再結晶,這兩方面綜合影響變形抗力。由圖2可知,在較低的變形溫度下,變形速率的提高使變形抗力有增大的趨勢,而且變形溫度越低越明顯。在變形溫度為750℃時,變形速率由1～20 1/s,變形抗力平均增加10～15%左右。變形溫度較高時,由于變形速率提高產生的變形熱對變形體的影響較小,而變形速率的提高進一步縮短變形時間,再結晶軟化過程被削弱,變形抗力隨變形速率提高程度減小。在變形溫度為1150℃時,變形速率由1～20 1/s,變形抗力平均增加7%～11%左右。

3 變形抗力的數(shù)學模型

3.1 變形抗力數(shù)學模型的建立

變形抗力及其影響因素之間的關系,可表示為

式中,t,ε,﹒ε分別為變形溫度、變形程度、變形速度,τ為變形道次之間的間隙時間,χ,ρ為化學成分與組織狀態(tài)影響因子。

化學成分、組織狀態(tài)及變形條件一定時的變形阻力稱為變形阻力基值,用σ0表示,對應的變形溫度、變形程度、變形速度分別用 t0、ε0、﹒ε0表示。于是,(1)式可寫為:

考慮到t,ε,﹒ε之間的相互影響,式(2)可寫成如下形式[2]:

其中a1、a2、a3、a4、a5、a6為待定系數(shù);T為絕對溫度;σ0為變形溫度t=1000℃、ε=0.4、﹒ε=10s-1時的應力基值,MPa。

根據實驗中測得的應力-應變曲線和變形抗力與溫度的關系,對微碳鋼在各種實驗條件下的應力—應變曲線數(shù)據,用M arguardt多元非線性回歸[3]。由于在鐵素體區(qū)變形抗力隨變形溫度、變形速度和變形程度的變化呈指數(shù)曲線變化,所以按照式(3)的變形抗力模型進行回歸。

得出微碳鋼鐵素體區(qū)的變形抗力模型:

3.2 方差分析

試驗微碳鋼的變形抗力模型的方差分析[4]見表2。

表2 鐵素體區(qū)變形抗力數(shù)學模型方差分析表

取信度α=0.01查F分布表得F0.013,136=3.78 F＞F0.013,136方程顯著

復合相關系數(shù)

取信度α=0.01,f=136 查表t0.01136=2.576。故有99%的把握認為回歸數(shù)學模型的精度范圍在±19.6×2.576=±50.5 MPa之內。計算值與實測值的比較圖見圖3所示。

4 結 論

圖3 變形抗力計算值與實測值比較

(1)在Gleeble熱模擬試驗機上采用膨脹法測定了所研究的微碳鋼相變點,得到A r3為990℃、A r1為920℃。

(2)通過熱模擬試驗的方法,研究了變形溫度、變形程度和變形速率對所實驗的微碳鋼變形抗力的影響關系。變形抗力隨變形溫度的下降,在兩相區(qū)出現(xiàn)了下降趨勢,這與普通碳素鋼的變形阻力隨變形溫度下降而上升有所不同。

(3)通過熱模擬試驗和數(shù)值分析,建立了微碳鋼鐵素體區(qū)熱軋的變形抗力數(shù)學模型,為鐵素體區(qū)軋制微碳鋼的力能參數(shù)計算提供了依據。

[1] M.RBARNETT and J.J.JONAS,Influence of Ferrite Rolling Temperatu re on M icrostructu re and Texture in Deformed Low C and IF Steels,ISIJ.Vol.37(1997).No.7,697～705.

[2] 周紀華,管克智.金屬塑性變形阻力[M].北京:機械工業(yè)出版社,1989.

[3] 楊節(jié).軋制過程數(shù)學模型[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1997.

[4] 楊節(jié).軋制過程數(shù)學模型[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1997.