CN106018458A - 一种差温轧制的热模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种差温轧制的热模拟方法，属于金属材料工艺研究技术领域，该方法基于Gleeble热模拟试验机，热模拟试验机工作型腔腔体内增设有喷气冷却装置，实验步骤包括：制作、打磨试样，焊接热电偶，差温轧制，淬火处理，实验分析。本方法利用Gleeble热模拟试验机的加热特性，改变常规的试样尺寸，并使用辅助冷却工具，提供一种实现差温轧制工艺研究的热模拟实验方法，为差温轧制工艺的成熟应用提供便捷的研究手段。

Description

一种差温轧制的热模拟方法
技术领域
本发明属于金属材料工艺研究技术领域，涉及钢铁材料差温轧制工艺，具体涉及利用Gleeble 热模拟试验机对钢材进行差温轧制实验的方法。
背景技术
对于海洋、交通运输、能源和重大装备等领域使用的厚规格钢板和大规格线棒材，其厚度在20mm以上，性能要求较高，常规热轧存在厚度方向上变形不均匀的问题。近年提出的差温轧制技术，是在轧制过程中边快冷、边轧制，冷却来不及深入到内部，在厚度方向上形成表层低温、中心层仍维持高温的状态，表层的低温硬化层会促使变形深入到心部，心部的应变量将大大提高，有利于消除心部缺陷、细化心部晶粒，改善厚度方向上的变形均匀性和强度。该技术有效解决了传统轧制方法在厚规格产品轧制过程中心部变形量小的问题，但是，差温轧制工艺目前仍停留在理论阶段，缺乏简便、低成本的实验研究手段，导致该方法仍没有较为成熟的工业生产工艺。
为了确定合理的工艺制度与工艺参数，一些单位研制了大试样平面应变热模拟实验设备，设备包括独特的加热系统、机械系统、液压系统、控制系统以及数据采集系统。大试样平面应变热模拟实验为材料开发以及工艺研究提供了一种方法与手段，但目前应用还不广泛，一些测控问题还需要完善，并且由于试样尺寸较大，应变和温度均匀性下降，造成同一试样温度、变形和冷却速度等工艺条件的较大差别，研究准确性下降。
Gleeble 热模拟试验机属美国DSI（Dynamic Systems Inc.）科技联合体研制生产的Gleeble 系列，可用于钢铁材料的热力耦合变形研究。实验时，将试样夹持在两个压头之间，模拟材料的加热、变形和冷却等工艺过程，观察不同工艺条件下的组织形貌，测量材料的力学性能。相对于实际生产和其它模拟实验，Gleeble 热模拟实验试样尺寸较小，常用的试样尺寸为Φ8×12mm、Φ10×12mm、Φ10×15mm，可以对温度、变形和冷却速度等参量精确模拟控制，所以研究结果准确可靠。另外，Gleeble热模拟试验机对试样进行加热时，试样沿轴线方向的温度分布呈现抛物线趋势，两端温度较低，中间段温度偏高，这种趋势在试样长度较小时并不明显，但随着试样长度的增加，这种趋势将越来越明显。怎样利用Gleeble热模拟试验机及其加热特性进行差温轧制实验是本发明亟待解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种差温轧制的热模拟方法，其利用Gleeble热模拟试验机的加热特性并辅助冷却装置，加大常规的试样长度，以试样长度方向的温度梯度模拟厚钢板厚度方向上的温度梯度，为差温轧制工艺的成熟应用提供便捷的实验室研究手段。
本发明的技术方案是：一种差温轧制的热模拟方法，基于Gleeble热模拟试验机，包括加工试样、焊接热电偶、差温轧制和性能分析在内的步骤，关键在于该方法具体包括以下步骤：
A、加工试样：制作3-6根Φ10mm×40-50mm、表面光滑的试样；
B、焊接热电偶：沿试样轴向方向从中心位置至端部焊接3~5个热电偶；
C、装载试样：借助安装架在Gleeble热模拟试验机的工作型腔内设置喷气冷却装置，并将试样夹持在工作型腔的两个压头之间，所述喷气冷却装置的喷气口喷向试样端部；
D、差温轧制：根据需要模拟的轧制条件，对试样升温至1000-1200℃后保温3-60min，然后打开喷气冷却装置对试样两端进行喷气冷却，冷却时间为5s~10s，再对各试样进行轧制；
E、淬火处理：将经步骤D处理的试样从工作型腔内取出并做淬火处理；
F、性能分析：将淬火处理后的试样沿轴线纵切，对纵切面沿轴向从中心至端部分别进行金相分析和硬度测量。
进一步的，所述试样两个端面平行度公差不低于6级。
进一步的，所述步骤A中使用1500目的砂纸打磨试样圆周表面，打磨完毕后用酒精擦拭。
进一步的，所述步骤B中热电偶的测量点连线与试样的轴线相互平行。
进一步的，所述步骤D中进行二道次、三道次或多道次模拟时，道次间隔为8-15s。
进一步的，所述步骤F中进行金相分析和硬度测量的点包含焊接热电偶的位置。
进一步的，所述喷气冷却装置为两组，对称设置在两压头之间。
进一步的，所述喷气冷却装置包括喷腔、及与所述喷腔连通的进气管和喷气管，所述进气管与冷却气源相连接，喷气管的喷气口朝向试样端部。
进一步的，所述喷气管设置2个，对称设置在试样的两侧。
进一步的，所述喷气口为设置在喷气管上的3~5个直径为0.5-1.5mm的喷气孔。
本技术方案中，将试样长度增加到40-50mm，相当于厚钢板轧前的厚度，充分利用Gleeble热模拟试验机沿试样轴线方向的温度分布呈抛物线形的特性，并对试样两端进行喷气冷却，使两端与中心段形成温度差，模拟出差温轧制时轧件表层低温、中心层高温的状态，以多次实验，确定合理的差温轧制工艺制度与工艺参数。
本发明的有益效果为：（1）利用Gleeble对长试样的加热特性，并借助喷气冷却装置对两端快速冷却，可以有效模拟差温轧制时轧件表层低温、中心层高温的状态，并精确控制压力模拟轧制过程，实现了实验室研究和对实际生产工艺的精确模拟，为实际生产提供合理的工艺制度与工艺参数，该方法操作简单，实验费用较低，实验周期短。（2）相对于实际生产和其它模拟实验，Gleeble 热模拟实验试样尺寸较小，应变相对均匀，可以对温度、变形和冷却速度等参量精确模拟控制，所以研究结果准确可靠。
附图说明
图1为本发明安装完毕后的立体结构示意图；
图2为本发明喷气冷却装置的立体结构示意图；
图3a~图3h为本发明模拟差温轧制晶粒变化验证结果，其中，图3a表示试样进行一道次实验后端部1/8处的金相照片，图3b表示试样进行一道次实验后1/2处的金相照片，图3c表示试样进行二道次实验后端部1/8处的金相照片，图3d表示试样进行二道次实验后1/2处的金相照片，图3e表示试样进行三道次实验后端部1/8处的金相照片，图3f表示试样进行三道次实验后1/2处的金相照片，图3g表示试样进行四道次实验后端部1/8处的金相照片，图3h表示试样进行四道次实验后1/2处的金相照片；
图4为各道次轧前中心和端部的温度曲线；
图5为各道次轧制时中心的应变情况；
图6为各道次从中心到端部长度方向上的硬度分布。
附图说明：1代表压头，2代表喷气冷却装置，3代表试样，201代表进气管，202代表出气管，203代表喷腔，4代表安装架，图6中1线、2线、3线、4线分别代表第一、二、三、四道次轧制后从中心到端部长度方向上的硬度分布。
具体实施方式
该方法基于Gleeble热模拟试验机，所述热模拟试验机工作型腔腔体内增设有喷气冷却装置2。参见图1，喷气冷却装置2为两组，借助安装架4对称设置在两压头1之间、试样3的两端，包括喷腔203及连通喷腔203的进气管201和出气管202，进气管201与冷却气源相连接，出气管202的喷气口朝向试样3端部。为了使冷却均匀并增强冷却效果，出气管202设置为两个，对称安装在试样3两侧。出气管202的喷气口为朝向试样的3 ~5个喷气孔，喷气孔的直径为0.5-1.5mm，一般选用1mm。
该方法具体按照下述步骤进行：
A、制作4根Φ10mm×40mm的模拟试样3，试样3两个端面平行度公差不低于6级精度，并将各试样圆周表面使用1500目的砂纸进行打磨，打磨完毕后使用酒精擦拭表面；
B、分别在各个试样轴向中心位置和距离任一端部1mm处焊接一对热电偶，将两个已焊好的热电偶之间的距离等分为3份，并在等分节点位置焊接热电偶；
C、将焊接好热电偶的各试样3放进热模拟机工作型腔内，试样3两个端面分别与两个压头1贴合，将两个喷气冷却装置2分别固定在热模拟机工作型腔内，两喷气冷却装置2分别位于试样3的两端，相对应的两出气管202位于试样3两侧，如图1所示；
D、将试样3升温至1200℃后保温5min，然后打开喷气冷却装置2，对试样两端进行喷气冷却，冷却时间为5s；同时保持30kgf的压力，分别对四个试样3进行一道次、二道次、三道次、四道次的轧制模拟，各道次的压下量分别为30%、30%、25%、25%；进行二道次、三道次、四道次轧制的道次间隔时间为10s；
E、各试样3热压完毕后，马上从工作型腔内取出并做淬火处理；
F、将淬火处理后的各试样3沿轴向从中间切开，从端部到中心处对试样做金相分析和硬度测量，重点分析端部1/8处位置。
步骤D中，图4为各道次轧前中心和端部的温度曲线，图5为各道次轧制时中心的应变情况；将模拟后的各试样3分别进行F步骤处理后，实验结果如图3a~图3b和图6所示。
根据实验结果，统计出各道次不同位置的晶粒尺寸如表1所示。
采用显微硬度仪进行硬度测试，试验力200克，保压时间10秒。根据实验结果，统计出各道次不同位置的硬度值如表2所示。
从图3各道次显微组织分析可知，第一道次轧制后，试样中心位置晶粒较边部位置明显细化，与应力应变曲线相对应，说明试样心部优先发生变形，晶粒变形加剧，并发生动态再结晶过程，随之在晶界上和晶粒内的变形带上出现大量的形核点，提高了形核率，而试样边部由于变形量较小，动态再结晶过程不明显。第二道次轧制和第三道次轧制可以明显看出试样心部继续发生动态再结晶过程，晶粒逐渐细化，而试样边部也开始发生局部动态再结晶过程。第四道次后，试样变形逐渐扩展到边部，试样晶粒从心部细化到边部，从而使心部和边部的晶粒大小变得较为均匀。根据实验结果，统计得到各道次试样不同位置处的晶粒平均尺寸大小，见上表。试样经第一道次轧制后，由于变形集中在心部，心部晶粒尺寸减小59.9 %。经四道次轧制后，试样1/8位置处晶粒较变形前减小76.9 %，试样心部晶粒尺寸减小78.6 %。
对沿轴线切开后的轧制试样进行显微硬度测量，得到各道次试样从边部位置到心部位置的硬度分布，如图6所示。分析可知，随着轧制道次的进行，每道次沿厚度方向的硬度分布拟合直线的斜率逐渐减小，即第一道次轧制后，试样从边部到心部的硬度值逐渐增大，并且心部硬度明显高于边部，随着后续道次的轧制变形，试样心部的硬度值稍微有所增加，同时试样边部和试样心部的硬度差值逐渐变小，第四道次后，试样从边部到心部的硬度分布已经接近均匀的状态。这与上述试样晶粒变化规律相符合，晶粒越小显微硬度越大。
从金相显微组织和显微硬度分析结果可知，本发明所述方法可以便捷地进行差温轧制工艺的实验。

Claims (10)

1.一种差温轧制的热模拟方法，基于Gleeble热模拟试验机，包括加工试样、焊接热电偶、差温轧制和性能分析在内的步骤，其特征在于该方法具体包括以下步骤：
A、加工试样：制作3-6根Φ10mm×40-50mm、表面光滑的试样（3）；
B、焊接热电偶：沿试样（3）轴向方向从中心位置至端部焊接3~5个热电偶；
C、装载试样：借助安装架（4）在Gleeble热模拟试验机的工作型腔内设置喷气冷却装置（2），并将试样（3）夹持在工作型腔的两个压头（1）之间，所述喷气冷却装置（2）的喷气口喷向试样（3）端部；
D、差温轧制：根据需要模拟的轧制条件，对试样（3）升温至1000-1200℃后保温3-60min，然后打开喷气冷却装置（2）对试样（3）两端进行喷气冷却，冷却时间为5s~10s，再对各试样（3）进行轧制；
E、淬火处理：将经步骤D处理的试样（3）从工作型腔内取出并做淬火处理；
F、性能分析：将淬火处理后的试样（3）沿轴线纵切，对纵切面沿轴向从中心至端部分别进行金相分析和硬度测量。
2.根据权利要求1所述的一种差温轧制的热模拟方法，其特征在于：所述试样（3）两个端面平行度公差不低于6级。
3.根据权利要求1所述的一种差温轧制的热模拟方法，其特征在于：所述步骤A中使用1500目的砂纸打磨试样（3）圆周表面，打磨完毕后用酒精擦拭。
4.根据权利要求1所述的一种差温轧制的热模拟方法，其特征在于：所述步骤B中热电偶的测量点连线与试样（3）的轴线相互平行。
5.根据权利要求1所述的一种差温轧制的热模拟方法，其特征在于：所述步骤D中进行二道次、三道次或多道次模拟时，道次间隔为8-15s。
6.根据权利要求1所述的一种差温轧制的热模拟方法，其特征在于：所述步骤F中进行金相分析和硬度测量的点包含焊接热电偶的位置。
7.根据权利要求1所述的一种差温轧制的热模拟方法，其特征在于：所述喷气冷却装置（2）为两组，对称设置在两压头（1）之间。
8.根据权利要求7所述的一种差温轧制的热模拟方法，其特征在于：所述喷气冷却装置包括喷腔（203）、及与所述喷腔（203）连通的进气管（201）和喷气管（202），所述进气管（201）与冷却气源相连接，喷气管（202）的喷气口朝向试样端部。
9.根据权利要求8所述的一种差温轧制的热模拟方法，其特征在于：所述喷气管（202）设置2个，对称设置在试样（3）的两侧。
10.根据权利要求8所述的一种差温轧制的热模拟方法，其特征在于：所述喷气口为设置在喷气管（202）上的3~5个直径为0.5-1.5mm的喷气孔。
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