CN109500099B - 一种对低碳钢dsit轧制工艺进行优化的实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种对低碳钢DSIT轧制工艺进行优化的实验方法，其采用Gleeble热模拟试验机来模拟热轧过程，包括以下步骤：确定热压缩温度和进行热压缩实验；本发明能够更好的确定可能产生DSIT过程的轧制温度，为轧制工艺的制定提供了较为直观的依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种对低碳钢DSIT轧制工艺进行优化的实验方法，属于轧钢工程设计与生产技术领域。
背景技术
目前，形变诱导相变现象(DSIT)成为了提高传统材料性能的研究的重要突破点之一，它的出现为大幅提升传统金属材料的性能提供了新的手段。与传统轧制工艺相比，DSIT工艺不同之处在于其强调将低碳钢加热到Ac3(非平衡态升温过程中铁素体-奥氏体转变结束温度)以上，保温一段时间后，将变形温度控制在Ar3至Ae3之间，其中Ae3表示平衡态奥氏体-铁素体转变开始温度。然后通过大压下量变形产生大量细小的铁素体晶粒。
实际轧制过程中共分六个道次，其中要求轧制过程的第一、二、三道次开轧温度控制在Ac3以上，第四、五、六道次开轧温度在Ar3附近。研究表明，热轧过程中后三道次的温度对钢板的性能具有很大的影响，因此，准确测量Ar3和Ae3温度，能够对DSIT轧制工艺的改进提供重要帮助。与此同时，利用Gleeble热模拟试验机对不同热压缩温度下钢板的热轧过程进行模拟，以获得最佳的后三道次轧制温度，可进一步改进低碳钢DSIT轧制工艺。
发明内容
本发明提供一种对低碳钢DSIT轧制工艺进行优化的实验方法，能够更好的确定可能产生DSIT过程的轧制温度，为轧制工艺的制定提供了较为直观的依据。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种对低碳钢DSIT轧制工艺进行优化的实验方法，包括以下步骤：
第一步，确定热压缩温度；
A，制备试样：选取实验需用的铸态钢锭，经过锻打，按照Gleeble-3500热模拟试验机的技术规格，将锻打后的铸态钢锭截取尺寸为直径为10mm±5mm、长度为80mm±5mm的试样，同时将试样表面打磨光洁和平整；
B，测试试样无形变时的相变温度：将试样放入加热炉内，以6-8℃/s的速率升温至1150±50℃，保温5-10min后，再以2-3℃/s的速率降至室温。
C，确定热压缩温度：经过Gleeble-3500热模拟试验机的实验，得到试样直径随温度变化的热膨胀曲线，采用顶点法和切线法在热膨胀曲线上得到降温过程中试样的奥氏体-铁素体开始转变温度和升温过程中铁素体-奥氏体结束转变温度，此转变温度为非平衡态时的转变温度；再将实验过程中的温度以及成分输入至Pandat热力学软件中，计算得到相变温度数值，此相变温度数值为平衡态时的转变温度，将Gleeble热压缩实验测得的数据与Pandat热力学计算到的数据进行结合，获取轧制工艺中的热压缩温度范围，即为Gleeble热压缩实验中得到的非平衡态时的转变温度与Pandat热力学计算中得到的平衡态时的转变温度之间；
第二步，进行热压缩实验；
A，制备试样：选取与确定热压缩温度时成分相同的铸态钢锭经过第一道次预轧后，截取两块直径为8mm±5mm，长度为12mm±5mm的试样；
B，模拟轧制过程：将试样放入加热炉内，在热压缩温度范围内选取某一温度作为热压缩温度，以6-8℃/s的速率将加热炉的温度升温至1150±50℃，保温5-10min后，将加热炉内温度以2-3℃/s的速率降至选取的热压缩温度，然后开始以3s-1的应变速率进行Gleeble热压缩实验，在压缩过程中压下率为50-60％，压缩完成后，将试样从真空实验舱室中取出，放入水中进行水淬；同样地，另一块试样也在热压缩温度范围内选取不同的温度作为热压缩温度，进行相同的实验过程。
C，对实际轧制工艺进行改进：将模拟轧制过程中Gleeble实验测得热压缩过程中的应力-应变曲线以及Gleeble实验前后试样不同区域的显微组织进行分析比对，获取DSIT轧制过程中的有效温度范围，选取形成具有最多均匀细小铁素体组织时的温度作为实际轧制过程中后三道次的开轧温度。
作为本发明的进一步优选，前述选取的铸态钢锭其成分按照重量百分比包括以下组分：C为0.05-0.08wt％，Si为0.5-1.3wt％，Mn为0.5-0.7wt％，P为0.08-0.15wt％，S<0.01wt％，Al为0.03-0.05wt％，Cu为0.14-0.65wt％，Ti为0.015-0.02wt％，N<0.01wt％，Fe为97.1-98.6wt％；
作为本发明的进一步优选，前述的加热炉内的热压缩速率为实际轧制过程中后三道次轧前冷却速率的平均值；
作为本发明的进一步优选，前述确定热压缩温度步骤中，将锻打后的铸态钢锭截取尺寸为直径为10mm、长度为80mm的试样；选取以6-8℃/s的速率将加热炉的温度升温至1150℃，保温5min后，将加热炉内温度以2.7℃/s的速率降至室温；
作为本发明的进一步优选，前述进行热压缩实验步骤中，截取两块直径为8mm，长度为12mm的试样；以6-8℃/s的速率将加热炉的温度升温至1150℃，保温5min后，将加热炉内温度以2.7℃/s的速率降至选取的热压缩温度，然后以3s-1的应变速率进行Gleeble热压缩实验，在压缩过程中的压下率为55％。
通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明在原有的DSIT轧制工艺基础上进行了改进，通过进行Gleeble实验，我们能够更好的确定可能产生DSIT过程的轧制温度，为轧制工艺的制定提供了较为直观的依据,可以大幅度缩短新工艺的研发周期，降低产品的研发成本。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的优选实施例的Gleeble热压缩模拟的工艺路线；
图2是本发明的优选实施例的Gleeble热压缩过程的应力-应变曲线；
图3是本发明的优选实施例的Gleeble试样中心位置的显微组织，其中，3a为是试样原始态(熔炼、锻打加一道次预轧)的显微组织，3b和3c为在相同的应变速率下，热压缩温度分别为910和860℃得到的显微组织；
图4是本发明的优选实施例的实际轧制试样中心区域的显微组织，其中，4a是在工艺一下轧制而成的，4b是在工艺二下轧制而成的；
图5是本发明的优选实施例的实际轧制过程中试样的应力-应变曲线。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1-图5所示，本发明的一种对低碳钢DSIT轧制工艺进行优化的实验方法，包括以下步骤：
第一步，确定热压缩温度；
A，制备试样：选取实验需用的铸态钢锭，经过锻打，按照Gleeble-3500热模拟试验机的技术规格，将锻打后的铸态钢锭截取尺寸为直径为10mm±5mm、长度为80mm±5mm的试样，同时将试样表面打磨光洁和平整；
B，测试试样无形变时的相变温度：将试样放入加热炉内，以6-8℃/s的速率升温至1150±50℃，保温5-10min后，再以2-3℃/s的速率降至室温。
C，确定热压缩温度：经过Gleeble-3500热模拟试验机的实验，得到试样直径随温度变化的热膨胀曲线，采用顶点法和切线法在热膨胀曲线上得到降温过程中试样的奥氏体-铁素体开始转变温度和升温过程中铁素体-奥氏体结束转变温度，此转变温度为非平衡态时的转变温度；再将实验过程中的温度以及成分输入至Pandat热力学软件中，计算得到相变温度数值，此相变温度数值为平衡态时的转变温度，将Gleeble热压缩实验测得的数据与Pandat热力学计算到的数据进行结合，获取轧制工艺中的热压缩温度范围，即为Gleeble热压缩实验中得到的非平衡态时的转变温度与Pandat热力学计算得到的平衡态的转变温度之间；
第二步，进行热压缩实验；
A，制备试样：选取与确定热压缩温度时成分相同的铸态钢锭经过第一道次预轧后，截取两块直径为8mm±5mm，长度为12mm±5mm的试样；
B，模拟轧制过程：将试样放入加热炉内，在热压缩温度范围内选取某一温度作为热压缩温度，以6-8℃/s的速率将加热炉的温度升温至1150±50℃，保温5-10min后，将加热炉内温度以2-3℃/s的速率降至选取的热压缩温度，然后以3s-1的应变速率进行Gleeble热压缩实验，在压缩过程中压下率为50-60％，压缩完成后，将试样从真空实验舱室中取出，放入水中进行水淬；同样地，另一块试样也在热压缩温度范围内选取不同的温度作为热压缩温度，进行相同的实验过程。
C，对实际轧制工艺进行改进：将模拟轧制过程中Gleeble实验测得热压缩过程中的应力-应变曲线以及Gleeble实验前后试样不同区域的显微组织进行分析比对，获取DSIT轧制过程中的有效温度范围，选取形成具有最多均匀细小铁素体组织时的温度作为实际轧制过程中后三道次的开轧温度。
作为本发明的进一步优选，前述选取的铸态钢锭其成分按照重量百分比包括以下组分：C为0.05-0.08wt％，Si为0.5-1.3wt％，Mn为0.5-0.7wt％，P为0.08-0.15wt％，S<0.01wt％，Al为0.03-0.05wt％，Cu为0.14-0.65wt％，Ti为0.015-0.02wt％，N<0.01wt％，Fe为97.1-98.6wt％。
作为本发明的进一步优选，前述的加热炉内的热压缩速率为实际轧制过程中后三道次扎前冷却速率的平均值；
作为本发明的进一步优选，前述确定热压缩温度步骤中，将锻打后的铸态钢锭截取尺寸为直径为10mm、长度为80mm的试样；选取以6-8℃/s的速率将加热炉的温度升温至1150℃，保温5min后，将加热炉内温度以2.7℃/s的速率降至室温；
作为本发明的进一步优选，前述进行热压缩实验步骤中，截取两块直径为8mm，长度为12mm的试样；以6-8℃/s的速率将加热炉的温度升温至1150℃，保温5min后，将加热炉内温度以2.7℃/s的速率降至选取的热压缩温度，然后以3s-1的应变速率进行Gleeble热压缩实验，在压缩过程中压下率为55％。
具体如下：
第一步，确定热压缩温度；
A，制备试样：选取实验需用的铸态钢锭，具体选用的低碳钢锭按照重量百分比数成分如表1所示：
表1：试样的成分(wt％)
| C | Si | Mn | P | S | Al | Cu | Ti | N | Fe |
| 0.07 | 0.5 | 0.6 | 0.08 | <0.01 | 0.035 | 0.15 | 0.02 | 0.007 | 97.1-98.6 |
经过锻打，按照Gleeble-3500热模拟试验机的技术规格，将锻打后的铸态钢锭截取尺寸为直径为10mm、长度为80mm的试样，同时将试样表面打磨光洁和平整；
B，测试试样无形变时的相变温度：将试样放入加热炉内，以6-8℃/s的速率将加热炉的温度升温至1150℃，保温5min后，将试样温度以2.7℃/s的速率降至室温，此降温速率为实际轧制过程中后三道次轧前冷却速率的平均值，由实验中所得。
C，确定热压缩温度：经过Gleeble-3500热模拟试验机的实验，得到试样直径随温度变化的热膨胀曲线(CCT)，采用顶点法和切线法在热膨胀曲线上得到降温过程中试样的奥氏体-铁素体开始转变温度(Ar3)和升温过程中试样的铁素体-奥氏体结束转变温度(Ac3)，此转变温度为非平衡态时的转变温度；再将实验过程中的温度以及成分输入至Pandat热力学软件中，计算得到相变温度数值(Ae3)，此相变温度数值为平衡态时的转变温度，将Gleeble热压缩实验测得的数据与Pandat热力学计算到的数据进行结合，获取轧制工艺中的热压缩温度范围，由表2可知，Pandat热力学计算到的Ae3温度介于顶点法测量到的Ar3和Ac3的平均值附近，略高于切线法测得的Ar3温度，结合表2可以确定轧制工艺中的热压缩温度范围(定义为T0)，即为Gleeble热压缩实验中得到的非平衡态时的转变温度与Pandat热力学计算中得到的平衡态的转变温度之间；
表2：Pandat计算与Gleeble实验得到的相变温度(℃)
第二步，进行热压缩实验；
A，制备试样：选取与确定热压缩温度时表1中成分相同的铸态钢锭经过第一道次预轧后，截取两块直径为8mm，长度为12mm的试样，编号分别为1#、2#，并保证试样表面光洁和平整；
B，模拟轧制过程：将试样放入加热炉内，在热压缩温度范围内选取某一温度作为热压缩温度，以6-8℃/s的速率将加热炉的温度升温至1150℃，保温5min后，将加热炉内温度以2.7℃/s的速率降至选取的热压缩温度T0，此时热压缩温度选取在第一步中得到的热压缩温度范围中的两个温度作为实施例，实施例1为910℃，实施例2为860℃，然后以3s-1的应变速率进行Gleeble热压缩实验，在压缩过程中压下率为55％，具体实验参数如表3所示，压缩完成后，将试样从真空实验舱室中取出，放入水中进行水淬；
表3：试样的实验参数
| 编号 | 热压缩温度/℃ | 应变速率/s-1 | 压下率/％ |
| 1# | 910 | 3 | 55 |
| 2# | 860 | 3 | 55 |
C，对实际轧制工艺进行改进：将模拟轧制过程中Gleeble实验测得热压缩过程中的应力-应变曲线以及Gleeble实验前后试样不同区域的显微组织进行分析比对，获取DSIT轧制过程中的有效温度范围，选取形成具有最多均匀细小铁素体组织时的温度作为实际轧制过程中后三道次的开轧温度。
图2所示，本发明Gleeble实验测得热压缩过程中的应力-应变曲线，从图中可以看出，在相同的应变速率情况下，T0温度为910℃时的应力-应变曲线在塑性变形阶段高于T0温度为860℃时应力-应变曲线，说明T0温度为910℃时的试样强度比T0温度为860℃时的强度要高。
图3为本发明Gleeble试样中心位置的显微组织，3a为是试样原始态(熔炼、锻打加一道次预轧)的显微组织，3b和3c为在相同的应变速率下，热压缩温度分别为910和860℃得到的显微组织，从3a中我们可以看出试样原始态晶粒较大，平均尺寸在10μm以上；从3b和3c中可以看出，当T0＝910℃时，与原始态相比，试样经热压缩后组织变得更加细小且组织较为均匀，当T0＝860℃时，试样中心位置部分出现了较为明显的细小铁素体，但相比于Gleeble实验前的试样，整体晶粒变得粗大且更加不均匀。
比较Gleeble实验中试样的应力-应变曲线和显微组织，可以看出当T0为910℃时试样的强度和晶粒尺寸都比T0为860℃时的要好，这说明910℃处在可以产生大量细小铁素体晶粒的温度范围内，故实际轧制过程中应控制第四道次的开轧温度在910℃左右。
为了验证上述Gleeble实验的正确性，我们在实际轧制过程中控制其他道次的开轧温度相同，分别将第四、五道次的温度设为860℃和910℃，其他轧制参数一致；取两块成分一致的钢锭，编号为1#、2#，比较这两种工艺下试样的力学性能和显微组织；表4为具体的各道次开轧温度；
表4：各道次开轧温度(℃)
图4为本发明实施例中实际轧制试样中心区域的显微组织，其中4a是在工艺一下轧制而成的，4b是在工艺二下轧制而成的，由图4可以看出，当第四、五道次的温度设为910℃时，试样中心区域的晶粒尺寸较小且组织均匀，但当第四、五道次的温度设为860℃时，试样中心区域的晶粒尺寸分布不均匀且晶粒尺寸偏大。
图5为本发明实施例中实际轧制过程中试样的应力-应变曲线，从图中我们可以看出，当第四、五道次温度为910℃时，试样的强度要高于温度为860℃时的强度；这与Gleeble实验得到的结果相吻合，进一步验证了Gleeble实验的正确性以及对实际轧制过程的指导性。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (5)
1.一种对低碳钢DSIT轧制工艺进行优化的实验方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步，确定热压缩温度；
A，制备试样：选取实验需用的铸态钢锭，经过锻打，按照Gleeble-3500热模拟试验机的技术规格，将锻打后的铸态钢锭截取尺寸为直径为10mm±5mm、长度为80mm±5 mm的试样，同时将试样表面打磨光洁和平整；
B，测试试样无形变时的相变温度：将试样放入加热炉内，以6-8 ºC/s的速率升温至1150±50 ºC，保温5-10 min后，再以2-3 ºC/s的速率降至室温；
C，确定热压缩温度：经过Gleeble-3500热模拟试验机的实验，得到试样直径随温度变化的热膨胀曲线，采用顶点法和切线法在热膨胀曲线上得到降温过程中试样的奥氏体-铁素体开始转变温度和升温过程中铁素体-奥氏体结束转变温度，此转变温度为非平衡态时的转变温度；再将实验过程中的温度以及成分输入至Pandat热力学软件中，计算得到相变温度数值，此相变温度数值为平衡态时的转变温度，将Gleeble热压缩实验测得的数据与Pandat热力学计算到的数据进行结合，获取轧制工艺中的热压缩温度范围，即为Gleeble热压缩实验中得到的非平衡态时的转变温度与Pandat热力学计算中得到的平衡态时的转变温度之间；
第二步，进行热压缩实验；
A，制备试样：选取与确定热压缩温度时成分相同的铸态钢锭经过第一道次预轧后，截取两块直径为8mm±5mm，长度为12mm±5mm的试样；
B，模拟轧制过程：将试样放入加热炉内，在热压缩温度范围内选取某一温度作为热压缩温度，以6-8ºC/s的速率将加热炉的温度升温至1150±50ºC，保温5-10min后，将加热炉内温度以2-3ºC/s的速率降至选取的热压缩温度，然后开始以3 s-1的应变速率进行Gleeble热压缩实验，在压缩过程中压下率为50-60%，压缩完成后，将试样从真空实验舱室中取出，放入水中进行水淬；同样地，另一块试样也在热压缩温度范围内选取不同的温度作为热压缩温度，进行相同的实验过程；
C，对实际轧制工艺进行改进：将模拟轧制过程中Gleeble实验测得热压缩过程中的应力-应变曲线以及Gleeble实验前后试样不同区域的显微组织进行分析比对，获取DSIT轧制过程中的有效温度范围，选取形成具有最多均匀细小铁素体组织时的温度作为实际轧制过程中后三道次的开轧温度。
2.根据权利要求1所述的对低碳钢DSIT轧制工艺进行优化的实验方法，其特征在于：前述选取的铸态钢锭其成分按照重量百分比包括以下组分：C为0.05-0.08wt%，Si为0.5-1.3wt%，Mn为0.5-0.7wt%，P为0.08-0.15wt%，S<0.01wt%，Al为0.03-0.05wt%，Cu为0.14-0.65wt%，Ti为0.015-0.02wt%，N<0.01wt%，Fe为97.1-98.6wt%。
3.根据权利要求1所述的对低碳钢DSIT轧制工艺进行优化的实验方法，其特征在于：加热炉内的热压缩实验的降温速率为实际轧制过程中后三道次轧前冷却速率的平均值。
4.根据权利要求1所述的对低碳钢DSIT轧制工艺进行优化的实验方法，其特征在于：前述确定热压缩温度步骤中，将锻打后的铸态钢锭截取尺寸为直径为10mm、长度为80mm的试样；选取以6-8 ºC/s的速率将加热炉的温度升温至1150ºC，保温5min后，将加热炉内温度以2.7ºC/s的速率降至室温。
5.根据权利要求1所述的对低碳钢DSIT轧制工艺进行优化的实验方法，其特征在于：前述进行热压缩实验步骤中，截取两块直径为8mm，长度为12mm的试样；以6-8ºC/s的速率将加热炉的温度升温至1150ºC，保温5min后，将加热炉内温度以2.7ºC/s的速率降至选取的热压缩温度，然后以3 s-1的应变速率进行Gleeble热压缩实验，在压缩过程中压下率为55%。
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