CN111985128A - 大规格非调质钢的热加工图构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大规格非调质钢的热加工图构建方法,包括步骤(1)对非调质钢试样在不同变形条件下进行热压缩,绘制不同应变量下的热加工图,并给出安全的热加工工艺范围和失稳区间;(2)采用有限元软件,对大规格非调质钢在所述的安全的热加工工艺范围内进行热压缩模拟;(3)提取有限元模拟大规格非调质钢不同部位处的温度和应变等数据;(4)将有限元模拟提取的数据对照热加工图,保证大规格非调质钢不同部位均处于非失稳区域,进一步缩小至合适的热加工范围,并得到适合大规格非调质钢最佳的热加工工艺,据此构建热加工图。该方法能够构建得到大规格非调质钢的热加工图,提高安全热加工工艺范围和最佳热加工工艺范围的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及一种非调质钢热加工工艺优化方法,具体涉及一种大规格非调质钢的热加工图构建方法。
背景技术
非调质钢是通过添加微合金化技术和控轧控冷技术,使得材料不经过淬火和高温回火调质处理即可达到调质钢性能的材料。其制造过程减少了一个热处理工艺,一方面能够腾出更多的设备,另一方面避免了制造过程的能源消耗,也是QCD(质量、成本、时间)合理化改善的结晶。除此之外,伴随着绿色环保和节能降耗的观念在全球范围内的广泛宣传推广,在各个行业,如汽车零件、石油开采、机械制造、矿产等行业需要使用强度级别较高的调质钢时,人们会逐步考虑用非调质钢来替换淬火+回火处理的调质钢。另外,在工业生产过程中,有一些零部件的尺寸非常巨大,不能通过淬火+回火处理来提高零部件的强度,这时,使用大规格非调质钢来制造此类零部件成了唯一可行的方案。
对于大规格非调质钢,常常因加工过程芯表温差较大,导致其芯表性能不均匀。而为了解决该问题,目前领域内会对非调质钢进行热模拟压缩实验,并绘制热加工图,为进一步改善现场轧制工艺提供理论依据。但是目前制作热加工图一致采用小试样进行热压缩试验,以棒材为例,热模拟压缩实验对断面直径较小的小棒较适用,对断面直径大于90mm的大规格棒材使用小样进行热压缩试验其应用受到限制,主要原因如下:
(1)芯表温度梯度大。对于断面直径大于Φ90mm的非调质钢棒材,生产时可用到320mm×480mm的方坯,断面积为153600mm2。在加工过程中,表面散热快,芯部甚至会产生塑性变形热温度升高,芯表温度梯度大,因此在热变形过程中,芯表处于不同的变形温度中。
(2)采用小试样进行热压缩试验进一步制作热加工图,可以体现出断面直径较小的非调质钢棒材的热加工性能,因为小规格棒材在热加工过程中芯表温差相差不大,并且轧制容易渗透到芯部,断面各个位置变形相对均匀。而对大规格的非调质钢棒材,在某一加工工艺下,由于大规格棒材芯部温度不均,轧制不易渗透,断面不同位置的变形条件不一样,因此在该工艺下可能会出现边部失稳而芯部处于安全热加工范围的情况,直接采用小试样并不能充分代表大规格棒材不同位置处的状态。
(3)热模拟试验机最大变形力为20t,而压大规格棒材如>Φ90mm的钢棒,至少要百吨以上,热模拟试验机实现不了。即使采用热模拟试验机对大规格非调质钢棒材进行热压缩,也不能得到不同位置处的应力应变数据。
发明内容
发明目的:为了克服现有技术的缺陷,本发明提供一种大规格非调质钢的热加工图构建方法,该方法能够构建得到大规格非调质钢的热加工图,提高安全热加工工艺范围和最佳热加工工艺范围的准确性。
技术方案:本发明所述的一种大规格非调质钢的热加工图构建方法,包括如下步骤:
(1)对非调质钢试样在不同变形条件下进行热压缩,绘制不同应变量下的热加工图,并给出安全的热加工工艺范围和失稳区间;
(2)采用有限元软件,对大规格非调质钢在所述的安全的热加工工艺范围内进行热压缩模拟;
(3)提取有限元模拟大规格非调质钢不同部位处的温度和应变等数据;
(4)将有限元模拟提取的数据对照热加工图,保证大规格非调质钢不同部位均处于非失稳区域,进一步缩小至合适的热加工范围,并得到适合大规格非调质钢最佳的热加工工艺,据此构建热加工图。
具体的,所述大规格非调质钢为直径大于90mm的非调质钢棒材。
有益效果:与现有技术相比,该方法采用有限元软件模拟可以实现压缩大规格棒材,并且有限元软件中可以提取大规格非调质钢棒材在热压缩时断面不同位置的温度、应变等数据,通过将该数据对照热加工图,能够得到在某一工艺下大规格非调质钢不同位置处的变形条件,从而保证在加工工艺下大规格棒材横断面不同位置均不发生失稳,提高最佳热加工工艺范围的准确性。
附图说明
图1为实施例中采用热模拟机对小试样进行热压缩所绘制的不同应变量下的热加工图;其中,(a)应变量为0.2,(b)应变量为0.4(c)应变量为0.6;
图2为热压缩后试样变形分布图;
图3为实施例中采用有限元模拟Φ150mm规格非调质钢棒材在不同工艺下压缩后的温度分布云图;
图4为实施例中采用有限元模拟Φ150mm规格非调质钢棒材在不同工艺下压缩后的应变分布云图;
图5为实施例中有限元模拟不同工艺压缩后试样不同位置处的应变、应变速率和温度图;
图6为实施例中Φ150mm F40MnVS非调质钢热加工图。
具体实施方式
下面,以国内某钢厂生产的F40MnVS非调质钢为例对本发明做进一步详细说明。该钢的名义成分为0.4C-1.3Mn-0.4Si-0.035P-0.05S-0.09V,其组织为F+P型。
具体对Φ150mm的F40MnVS非调质钢棒材构建热加工图,步骤如下:
(1)将F40MnVS非调质钢小样在热模拟机上进行热压缩试验,绘制热加工图。
将试样尺寸为Φ10mm×15mm的F40MnVS非调质钢小圆棒在Gleeble-2000热模拟机上进行热压缩试验,热压缩工艺为:将试样以10℃/s加热到1180℃,保温3min以确保试样温度均匀,再以5℃/s下降至热压缩温度(900、950、1000、1050℃),应变速率分别为0.01、0.1、1、5、10,单位s-1,保温30s消除温度梯度后,开始进行热压缩,应变量ε=0.6,变形后立即水冷,根据热压缩得到的流变应力曲线绘制的热加工图如图1(c)所示。
根据热加工图1(c),应变量为0.6时,在高应变速率和低变形温度下材料发生失稳,失稳区域集中在变形温度900-1000℃、应变速率0.1-10s-1,安全的热加工范围为:变形温度900-1050℃、应变速率0.01-0.1s-1。此外,功率耗散系数值η表示组织结构转变的相对熵产生率,因此η值越高表面材料内在加工性能越好。从热加工图中可以得到F40MnVS非调质钢的应变量为0.6时,存在最佳的热加工工艺有两个:(1)变形温度950℃、应变速率0.1s-1;(2)变形温度1050℃、应变速率0.01s-1。
(2)对Φ150mm的大规格棒材进行有限元模拟热压缩。
大规格棒材断面积大,因而在轧制过程中变形不容易渗透到芯部,芯表的变形不均。同理试样经压缩变形实验后会出现“鼓肚”现象,导致试样不同部位的变形情况不同,形成三个不同的变形区,如图2所示,Ⅰ为自由变形区,Ⅱ为难变形区,Ⅲ为均匀变形区,对于大规格棒材,其现象更加明显。
采用Marc有限元软件,对大规格Φ150mm×80mm的F40MnVS非调质钢大棒在非失稳的热加工范围内进行热压缩模拟,应变量为0.6,因此非失稳的热加工范围内为:变形温度900-1050℃、应变速率0.01-0.1s-1。采用有限元模拟过程中,采用1/4模型进行压缩,压缩后的温度分布及应变分布如图3和图4所示,压头的压缩速度与应变速率存在以下关系:
压缩速度=压下率/压缩时间
压缩时间=应变量/应变速率
图3为采用有限元模拟Φ150mm规格非调质钢棒材在不同工艺下压缩后的温度分布云图,依次为应变速率0.1s-1变形温度900℃、应变速率0.1s-1变形温度950℃、应变速率0.1s-1变形温度1000℃、应变速率0.1s-1变形温度1050℃、应变速率0.01s-1变形温度900℃、应变速率0.01s-1变形温度950℃、应变速率0.01s-1变形温度1000℃、应变速率0.01s-1变形温度1050℃。图4为采用有限元模拟Φ150mm规格非调质钢棒材在不同工艺下压缩后的应变分布云图,同样依次为应变速率0.1s-1变形温度900℃、应变速率0.1s-1变形温度950℃、应变速率0.1s-1变形温度1000℃、应变速率0.1s-1变形温度1050℃、应变速率0.01s-1变形温度900℃、应变速率0.01s-1变形温度950℃、应变速率0.01s-1变形温度1000℃、应变速率0.01s-1变形温度1050℃。从图3和图4可以看出,变形主要集中在中间即均匀变形区,应变量大;与压头接触的顶部即难变形区,其应变量很小。变形速率为0.1s-1时,在各个变形温度下变形时,不同位置处(难变形区、均匀变形区、自由变形区)的温度相差不大,但是在变形速率为0.01s-1,在不同变形温度下变形时,难变形区和均匀变形区存在>50℃的温差。
(3)提取有限元模拟大规格非调质钢不同部位处的温度和应变等数据。
提取不同变形温度和应变速率下不同位置处(难变形区、均匀变形区、自由变形区各取一个节点)温度、应变数据,根据应变计算出应变速率。图5为不同工艺下试样不同位置处的应变量、应变速率和温度分布图,从图中可以看到,在不同变形条件下,难变形区的应变量大致为0.2,自由变形区的应变量大致为0.4,均匀变形区的应变量大致为0.6。
(4)将有限元模拟提取的数据对照热加工图,保证大规格棒材不同位置均处于非失稳区域。
从图1(a)中可以得到在应变量为0.2时,失稳区域为:应变速率在0.02-1s-1时,变形温度为900-980℃。在图5中可以看到难变形区的应变量大致为0.2。在变形温度为900℃,应变速率为0.1s-1时进行模拟压缩后,难变形区的温度为887℃(接近900℃),应变速率为0.027,对照应变量为0.2的热加工图,此时会出现失稳;在变形温度为950℃,应变速率为0.1s-1时进行模拟压缩后,难变形区的温度为940℃,应变速率为0.028,对照应变量为0.2的热加工图,此时难变形区会出现失稳。
图1(b)和(c)分别是应变量为0.4和0.6的热加工图,其失稳区域接近,失稳区域为:应变速率在0.1-10s-1时,变形温度为900-1050℃。在图5中可以看到均匀变形区的应变量大致为0.6,自由变形区的应变量大致在0.4附近。在变形温度为900℃,应变速率为0.1s-1时进行模拟压缩后,均匀变形区的温度为916℃,应变速率为0.113,对照应变量为0.6的热加工图,此时难变形区会出现失稳;在变形温度为950℃,应变速率为0.1s-1时进行模拟压缩后,难变形区的温度为965℃,应变速率为0.115,对照应变量为0.6的热加工图,此时难变形会出现失稳;在变形温度为1000℃,应变速率为0.1s-1时进行模拟压缩后,难变形区的温度为1011℃,应变速率为0.115,对照应变量为0.6的热加工图,此时难变形会出现失稳;在变形温度为1050℃,应变速率为0.1s-1时进行模拟压缩后,难变形区的温度为1062℃(接近1050℃),应变速率为0.113,对照应变量为0.6的热加工图,此时难变形也会出现失稳。
根据以上分析,在应变速率为0.1s-1时,变形温度在900-1050℃的范围内进行模拟压缩,部分区域存在失稳现象。在应变速率为0.01s-1时,变形温度在900-1050℃的范围内进行模拟压缩,各个区域在热加工图中均处于安全区域,此外在应变速率为0.01s-1时,变形温度为1050℃进行模拟压缩,压缩后均匀变形区的温度为1058℃(接近1050℃),应变速率为0.01,此时正处于最佳的热加工区域内。因此Φ150mm的F40MnVS非调质钢大棒的安全热加工区域为:应变速率为0.01s-1,变形温度在900-1050℃;最佳热加工工艺为:应变速率0.01s-1,变形温度1050℃。
采用小试样通过在热模拟机上进行热压缩进而绘制出的热加工图,F40MnVS非调质钢安全的热加工范围为:变形温度900-1050℃、应变速率0.01-0.1s-1,最佳的热加工工艺有两个:(1)变形温度950℃、应变速率0.1s-1;(2)变形温度1050℃、应变速率0.01s-1。采用本发明的方法得到的Φ150mm F40MnVS非调质钢大规格棒材的安全热加工区域为:应变速率为0.01s-1,变形温度在900-1050℃;最佳热加工工艺为:应变速率为0.01s-1,变形温度在1050℃,得到最佳的热加工工艺更为精确,同时保证大规格棒材不同位置均处于非失稳区域,进而得到的如图6所示的Φ150mmF40MnVS非调质钢热加工图。
Claims (10)
1.一种大规格非调质钢的热加工图构建方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)对非调质钢试样在不同变形条件下进行热压缩,绘制不同应变量下的热加工图,并给出安全的热加工工艺范围和失稳区间;
(2)采用有限元软件,对大规格非调质钢在所述的安全的热加工工艺范围内进行热压缩模拟;
(3)提取有限元模拟大规格非调质钢不同部位处的温度和应变等数据;
(4)将有限元模拟提取的数据对照热加工图,保证大规格非调质钢不同部位均处于非失稳区域,进一步缩小至合适的热加工范围,并得到适合大规格非调质钢最佳的热加工工艺,据此构建热加工图。
2.根据权利要求1所述的大规格非调质钢的热加工图构建方法,其特征在于,所述大规格非调质钢为直径大于90mm的非调质钢棒材。
3.根据权利要求1所述的大规格非调质钢的热加工图构建方法,其特征在于,所述步骤(1)中,采用热模拟机对匹配规格的非调质钢试样在不同变形条件下进行热压缩。
4.根据权利要求1所述的大规格非调质钢的热加工图构建方法,其特征在于,所述步骤(3)中,不同部位包括自由变形区、难变形区和均匀变形区。
5.根据权利要求1所述的大规格非调质钢的热加工图构建方法,其特征在于,所述非调质钢为F40MnVS非调质钢,该钢的名义成分为0.4C-1.3Mn-0.4Si-0.035P-0.05S-0.09V,组织类型为F+P型。
6.根据权利要求5所述的大规格非调质钢的热加工图构建方法,其特征在于,所述热模拟机为Gleeble-2000热模拟机,试样尺寸为Φ10mm×15mm的圆棒。
7.根据权利要求6所述的大规格非调质钢的热加工图构建方法,其特征在于,步骤(1)中热压缩工艺为:将试样以10℃/s加热到1180℃,保温以确保试样温度均匀,再以5℃/s下降至热压缩温度,应变速率分别为0.01、0.1、1、5、10,单位s-1,保温消除温度梯度后,开始进行热压缩,应变量0.6,变形后立即水冷,根据热压缩得到的流变应力曲线绘制的热加工图。
8.根据权利要求7所述的大规格非调质钢的热加工图构建方法,其特征在于,步骤(2)中采用采用Marc有限元软件,对规格为Φ150mm×80mm的F40MnVS非调质钢圆棒在非失稳的热加工范围内进行热压缩模拟,应变量为0.6。
9.根据权利要求8所述的大规格非调质钢的热加工图构建方法,其特征在于,步骤(3)中,提取不同变形温度和应变速率下自由变形区、难变形区和均匀变形区的温度和应变数据,根据应变计算出应变速率。
10.根据权利要求9所述的大规格非调质钢的热加工图构建方法,其特征在于,步骤(4)中,将有限元模拟提取的数据对照热加工图,保证大规格棒材不同位置均处于非失稳区域,得到Φ150mm F40MnVS非调质钢大规格棒材的安全热加工区域为:应变速率为0.01s-1,变形温度在900-1050℃;最佳热加工工艺为:应变速率为0.01s-1,变形温度在1050℃。
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