《控軋控冷》課件控軋控冷與熱模擬（第一部分+補(bǔ)充）

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1、,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,*,控軋控冷與熱模擬,參考文獻(xiàn)： 牛濟(jì)泰，材料和熱加工領(lǐng)域的物理模擬技術(shù),小指軍夫，控制軋制和控制冷卻,-,改善材質(zhì),的軋制技術(shù)發(fā)展,RALNEU,（一）物理模擬的基本概念及其研究意義,（二）模擬技術(shù)及試驗(yàn)裝置的發(fā)展概況,（三）熱模擬試驗(yàn)在冶金材料研究的應(yīng)用,（四）,Gleeble,物理模擬技術(shù)在鋼鐵材料領(lǐng)域的運(yùn)用,（五）熱模擬工藝舉例,第一部分：,熱模擬試驗(yàn)及其應(yīng)用,2/46,RALNEU,（一）物理模擬的基本概念及其研究意義,3/46,物理模擬的基本概念,（,1,）,物理模擬,（,Physical S

2、imulation),是一個內(nèi)涵十分豐富的廣義概念，也是一種重要的科學(xué)方法和工程手段。通常，物理模擬是指縮小或放大比例，或簡化條件，或代用材料，用試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠泶嬖偷难芯?。例如，宇航員的太空環(huán)境模擬試驗(yàn)艙。,（,2,）對材料和熱加工工藝來說，,物理模擬,通常指利用小試件，借助于某種試驗(yàn)裝置再現(xiàn)材料在制備或熱加工過程中的受熱，或同時受熱與受力的物理過程，充分而精確地暴露與揭示材料或構(gòu)件在熱加工過程中的組織與性能變化規(guī)律，評定或預(yù)測材料在制備或熱加工時出現(xiàn)的問題，為制定合理的加工工藝以及研制新材料提供理論指導(dǎo)和技術(shù)依據(jù)。,物理模擬試驗(yàn)分為兩種，一種是在模擬過程中進(jìn)行的試驗(yàn)，另一種為模擬完成后進(jìn)行的

3、試驗(yàn),。,RALNEU,4/46,物理模擬的研究意義,以往在材料科學(xué)研究或工程結(jié)構(gòu)及其零部件的生產(chǎn)中，為了評價工藝方案對材料性能或產(chǎn)品質(zhì)量的影響，多采用實(shí)驗(yàn)的方法，這種單憑重復(fù)實(shí)驗(yàn)的,“,經(jīng)驗(yàn),”,性方法,不僅消耗大量時間與財(cái)力,，而且得到的結(jié)果往往只是某一具體產(chǎn)品在特點(diǎn)情況下的工藝與性能的關(guān)系，不可能獲得工藝過程中變化的全面規(guī)律，更不可能探索更普遍的問題，從而延滯新材料、新技術(shù)與新產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用。,物理模擬技術(shù),不僅能預(yù)測某特定工藝下的結(jié)果，而且能顯示工藝過程的變化規(guī)律，數(shù)據(jù)更為科學(xué)和可靠，大大減少試制周期及費(fèi)用。,RALNEU,5/46,（二）,模擬技術(shù)及試驗(yàn)裝置的發(fā)展概況,6/46,（

4、,1,）,1946,年，美國紐約州的倫塞勒工學(xué)院的,Nippes,教授和,Savage,博士根據(jù)第二次世界大戰(zhàn)中美國制造艦艇的需要，為了研究熔焊規(guī)范對艦船用鋼板熱影響區(qū)缺口韌性的影響，將閃光電阻焊機(jī)的電氣控制線路進(jìn)行改裝，利用電阻加熱法，成功實(shí)現(xiàn)了焊接熱循環(huán)，這是世界上第一臺利用電阻加熱的高溫延性裝置，以后演變并命名為“,Gleeble,”。,（,2,）,1958,年，,Gleeble1500,型熱模擬試驗(yàn)機(jī)，既可以模擬熱循環(huán)，又可以模擬應(yīng)力與應(yīng)變循環(huán)，應(yīng)用的范圍也有焊接領(lǐng)域發(fā)展到鍛造、軋制、鑄造、熱處理、擠壓、凝固及相變過程的模擬研究。,（,3,）,1979,年以后，隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用

5、以及測量系統(tǒng)的完善和機(jī)械裝置的改進(jìn)，不同功能的,Gleeble,熱,/,力模擬試驗(yàn)裝置不斷研制開發(fā)，模擬精度和模擬技術(shù)的應(yīng)用水平不斷提高。,模擬技術(shù)及試驗(yàn)裝置的發(fā)展概況,RALNEU,7/46,熱力模擬試驗(yàn)機(jī)是一種特殊的材料試驗(yàn)機(jī),-,（可以進(jìn)行多功能的模擬試驗(yàn)、區(qū)別一般的拉伸試驗(yàn)機(jī)、沖擊試驗(yàn)機(jī)）,模擬技術(shù)及試驗(yàn)裝置的發(fā)展概況,Gleeble 1500,熱模擬機(jī)（美國,DSI,公司）,1979,年研制,RALNEU,8/46,Gleeble 2000,熱模擬機(jī),1990,年研制,9/46,模擬技術(shù)及試驗(yàn)裝置的發(fā)展概況,RALNEU,Gleeble 3500,熱模擬機(jī),10/46,模擬技術(shù)及試驗(yàn)

6、裝置的發(fā)展概況,RALNEU,Gleeble 3800,熱模擬機(jī),熱力模擬試驗(yàn)機(jī)的主要功能是再現(xiàn)材料在制備或熱加工過程中的受熱或同時受熱及受力的物理過程。,11/46,模擬技術(shù)及試驗(yàn)裝置的發(fā)展概況,RALNEU,（,4,）前蘇聯(lián)從,50,年代開展了熱模擬技術(shù)及試驗(yàn)裝置的研究工作。,50,年代中期，前蘇聯(lián)研制了,HMET-1,型熱模擬試驗(yàn)機(jī)，利用試樣自身電阻加熱，利用該設(shè)備建立了一些鋼材與合金的,CCT,曲線；,HMET-2,型熱模擬試驗(yàn)機(jī)，用于研究金屬在焊接結(jié)晶過程中的變形抗力和熱裂紋敏感性設(shè)備；,HMET-4,型熱模擬試驗(yàn)機(jī)，用于研究延遲破壞的冷裂紋敏感定量比較的恒載裝置；,HMET-6,型

7、熱模擬試驗(yàn)機(jī)，用于研究小型試樣的快速膨脹過程。,（,5,）與美國、前蘇聯(lián)不同，日本研制的熱模擬試驗(yàn)裝置是以高頻感應(yīng)加熱方式進(jìn)行，即在試樣周圍套感應(yīng)圈，利用試樣中產(chǎn)生的感應(yīng)電流的熱效應(yīng)加熱，其比較典型代表是,Thermomastor-Z,型高溫變形模擬力學(xué)試驗(yàn)機(jī)以及,Themorestor-W,焊接熱應(yīng)力應(yīng)變模擬裝置。,模擬技術(shù)及試驗(yàn)裝置的發(fā)展概況,12/46,RALNEU,模擬技術(shù)及試驗(yàn)裝置的發(fā)展概況,RALNEU,13/46,（三）熱模擬試驗(yàn)在冶金材料中的應(yīng)用,14/46,（,1,）鋼鐵材料的熱模擬是利用小試樣，借助熱模擬試驗(yàn)機(jī)，在現(xiàn)鋼鐵材料在制備或熱加工過程中的,受熱或受力的物理過程,；,

8、（,2,）熱模擬實(shí)驗(yàn)可以揭示鋼鐵材料,組織與性能變化規(guī)律,，評定或預(yù)測材料在制備或熱加工時,出現(xiàn)的問題,，為制定合理的加工工藝以及研制新材料提供,基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)方案,；,熱模擬試驗(yàn)的研究方法,15/46,RALNEU,（,1,）,什么是物理模擬：,熱模擬試驗(yàn)中的物理模擬過程,1.,借助于模擬裝置,2.,利用縮小的試樣,3.,再現(xiàn)受熱受力過程,4.,揭示組織與性能變化規(guī)律,5.,優(yōu)化工藝、保證質(zhì)量,16/46,RALNEU,（,2,）,物理模擬的應(yīng)用領(lǐng)域,材料基礎(chǔ)研究,材料性能實(shí)驗(yàn),材料加工過程模擬,熱模擬試驗(yàn)的應(yīng)用領(lǐng)域,熔化、凝固,固態(tài)相變、臨界點(diǎn)、等溫轉(zhuǎn)變、連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變,沉淀相粒子析出、粗化

9、、回熔,加工硬化、軟化,形變組織的動靜態(tài)回復(fù)、再結(jié)晶,材料熱塑性、超塑性,組織細(xì)化、超細(xì)晶和納米晶塊材,裂紋敏感性,熱膨脹和熱收縮行為,17/46,RALNEU,（,2,）,物理模擬的應(yīng)用領(lǐng)域,材料基礎(chǔ)研究,材料性能實(shí)驗(yàn),材料加工過程模擬,熱拉伸性能、高溫強(qiáng)度、熱塑性、超塑性,單軸熱壓縮性能、流變應(yīng)力曲線,平面應(yīng)變熱壓縮性能,熱機(jī)械疲勞,高溫蠕變、應(yīng)力松弛,平面應(yīng)變斷裂韌性、,CTOD,焊接性、裂紋敏感性、淬硬脆斷傾向,.,18/46,熱模擬試驗(yàn)的應(yīng)用領(lǐng)域,RALNEU,（,2,）,物理模擬的應(yīng)用領(lǐng)域,材料基礎(chǔ)研究,材料性能實(shí)驗(yàn),材料加工過程模擬,鍛造、連鑄,半固態(tài)加工,TMCP,（軋制、鍛造

10、、拉拔,.,）,熱機(jī)械疲勞,焊接：電弧焊和高能束焊焊接熱循環(huán)過程、熱裂紋敏感性評價、冷裂紋敏感性評價、淬硬脆斷傾向評價、焊接工工優(yōu)化,擴(kuò)散連接,熱處理過程(淬火、正火、退火、回火、臨界熱處理、循環(huán)熱處理.)􀃎,板帶退火􀃎,粉末冶金/ 固相燒結(jié)、液相燒結(jié)、熱 壓成型、高壓成型. 􀃎,.,19/46,熱模擬試驗(yàn)的應(yīng)用領(lǐng)域,RALNEU,（四）,Gleeble,物理模擬技術(shù)在鋼鐵材料領(lǐng)域的運(yùn)用,20/46,應(yīng)用的主要工藝過程,（,1,）連鑄過程模擬,（,2,）,TMCP,過程模擬,（,3,）熱成形過程,（,4,）焊接過程模擬,（,5,）,CCT/

11、SHCCT,圖建立,21/46,RALNEU,（,1,）連鑄過程模擬,1,鋼水包；,2,中間包；,3,結(jié)晶器；,4,夾送輥；,5,液相線；,6,鑄坯；,7,拉矯機(jī)；,8,切割裝置,1,2,3,4,5,6,7,8,將裝有精煉好鋼水的鋼包運(yùn)至回轉(zhuǎn)臺，回轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動到澆注位置后，將鋼水注入中間包，中間包再由水口將鋼水分配到各個結(jié)晶器中去。結(jié)晶器是連鑄機(jī)的核心設(shè)備之一，它使鑄件成形并迅速凝固結(jié)晶。拉矯機(jī)與結(jié)晶振動裝置共同作用，將結(jié)晶器內(nèi)的鑄件拉出，經(jīng)冷卻、電磁攪拌后，切割成一定長度的板坯。,22/46,RALNEU,連鑄過程模擬,（,1,）連鑄過程模擬,鑄坯拉矯過程模擬,23/46,RALNEU,連鑄過程

12、模擬,（,1,）連鑄過程模擬,鑄坯熱塑性試驗(yàn),連鑄坯生產(chǎn)過程中,鋼液由結(jié)晶器冷卻結(jié)成坯殼,由二冷段繼續(xù)冷卻而凝固。在這一過程中,已凝固的鑄坯殼受到了鋼水靜壓力、彎曲力、矯直力、拉坯力及各種因素的作用,使連鑄坯的質(zhì)量受到影響。只有當(dāng)這些應(yīng)力引起的變形小于各鋼種在高溫狀態(tài)的塑性極限時,才能保證鑄坯凝固時的質(zhì)量,防止鑄坯表面和內(nèi)部產(chǎn)生裂紋。,24/46,RALNEU,連鑄過程模擬,（,2,）,TMCP,過程模擬,控軋控冷工藝參數(shù)：加熱溫度、道次變形量、待溫厚度（或中間坯厚度）、再軋開始溫度（或精軋開始溫度）、終軋溫度、開冷溫度、終冷溫度（或卷取溫度）等,25/46,RALNEU,控軋控冷工藝,（,2

13、,）,TMCP,過程模擬,單軸壓縮均勻變形組織,單軸壓縮均勻變形的實(shí)現(xiàn),26/46,RALNEU,控軋控冷工藝,（,2,）,TMCP,過程模擬,單軸壓縮多道次變形的實(shí)現(xiàn),-,液壓楔系統(tǒng),27/46,RALNEU,控軋控冷工藝,（,2,）,TMCP,過程模擬,單軸壓縮多道次變形的實(shí)現(xiàn),-,常規(guī)單元系統(tǒng),28/46,RALNEU,控軋控冷工藝,（,2,）,TMCP,過程模擬,多道次變形模擬的流變應(yīng)力曲線,29/46,RALNEU,控軋控冷工藝,（,2,）,TMCP,過程模擬,TMCP,加速冷卻的實(shí)現(xiàn),冷卻系統(tǒng)包括一般冷卻系統(tǒng)和淬火冷卻系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)不同加速冷卻條件下的模擬,30/46,RALNEU,

14、控軋控冷工藝,（,2,）,TMCP,過程模擬,TMCP后的力學(xué)性能測試,31/46,RALNEU,控軋控冷工藝,（,3,）熱成形過程,(A),熱塑性試驗(yàn),(B),溫度梯度對熱塑性的影響,(C),溫度梯度對斷面收縮率的影響,A,B,C,32/46,RALNEU,熱成形工藝,（,3,）熱成形過程,溫度梯度對高溫強(qiáng)度的影響,33/46,RALNEU,熱成形工藝,（,3,）熱成形過程,裂縫尖端張開（,CTOD,或,CMOD,）試驗(yàn),裂縫尖端張開位移,CTOD-crack tip opening displacement,裂縫嘴張開位移,CMOD-crack mouth opening displace

15、ment,裂紋張開位移,做為控制裂紋擴(kuò)展的參數(shù)，其臨界值可作為金屬材料斷裂參數(shù)指標(biāo),34/46,RALNEU,熱成形工藝,（,4,）焊接過程模擬,1.,電弧焊焊接熱循環(huán)過程模擬,2.,激光焊焊接熱循環(huán)過程模擬,3.,熱裂紋敏感性評價,4.,冷裂紋敏感性評價,5.,脆斷傾向評價、焊接工藝優(yōu)化,35/46,RALNEU,焊接工藝,（,4,）焊接過程模擬,1.,電弧焊焊接熱循環(huán)過程模擬,36/46,RALNEU,熱成形工藝,（,4,）焊接過程模擬,2.,激光焊焊接熱循環(huán)過程模擬,37/46,RALNEU,熱成形工藝,（,4,）焊接過程模擬,3.,熱裂紋敏感性評價,38/46,RALNEU,熱成形工藝

16、,（,5,）,CCT/SHCCT,圖建立,39/46,RALNEU,模擬工藝過程舉例,（,1,）單道次壓縮實(shí)驗(yàn),-,單道次應(yīng)力,-,應(yīng)變曲線,試樣尺寸為,8mm,15mm,。將試樣以,10/s,的速度加熱到,1200,，保溫,5min,，然后以,5/s,的速度冷卻到變形溫度，保溫,20s,以消除試樣內(nèi)部的溫度梯度，然后進(jìn)行單道次壓縮變形，卸載后立即淬火冷卻，并記錄其應(yīng)力,-,應(yīng)變曲線。變形溫度為,1100,、,1050,、,1000,、,950,、,900,、,850,，變形量為,0.6,，應(yīng)變速率分別為,0.5 s-1,、,1s-1,、,5 s-1,、,10s-1,針對某種,試驗(yàn)?zāi)康?，如何

17、進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，選擇試驗(yàn)類型，并完成相應(yīng)的試驗(yàn)參數(shù)的輸入，是試驗(yàn)開始前必須完成的工作，也是整個試驗(yàn)過程中最重要的一環(huán)。你可以根據(jù)自己的試驗(yàn)?zāi)康?，選擇不同的試驗(yàn)類別，進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，選擇所需要的試驗(yàn)輸入?yún)?shù)。從試驗(yàn)設(shè)計(jì)角度來說，單道次壓縮試驗(yàn)所能完成的試驗(yàn)功能為：在熱處理的同時，對試樣進(jìn)行一定的壓縮變形。,40/46,RALNEU,模擬工藝過程舉例,（,1,）單道次壓縮實(shí)驗(yàn),-,單道次應(yīng)力,-,應(yīng)變曲線,41/46,RALNEU,模擬工藝過程舉例,（,2,）,CCT,曲線測定,動態(tài),CCT,采用壓縮試樣，壓縮卡具。選擇鎳鉻,-,鎳鋁熱電偶。動態(tài),CCT,實(shí)驗(yàn)采用單道次壓縮或多道次壓縮實(shí)驗(yàn)界面完

18、成試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)取一組多個試樣。實(shí)驗(yàn)前，先輸入試樣類型（圓形）、尺寸、變形前加熱制度、變形過程所需參數(shù)。隨后按照所輸入的參數(shù)進(jìn)行變形前加熱（一般在一定溫度保溫一段時間，使試樣奧氏體均勻，然后降到某一溫度）。加熱完畢后，按照之前所選擇的變形類型進(jìn)行變形。變形完成后，以一定的冷速進(jìn)行冷卻，同時，利用高靈敏徑向傳感器（,C-Strain,傳感器）測量試樣直徑的變化。具體參數(shù)輸入情況請參照單向壓縮實(shí)驗(yàn)。,繪制整個試驗(yàn)過程的試樣直徑變化量,-,溫度曲線；用切線法找到相變開始點(diǎn)、中間和結(jié)束點(diǎn)，記下這些點(diǎn)的溫度,-,時間坐標(biāo)。依次按照不同冷速對各個試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，直到一組試樣做完。最后根據(jù)此組實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相變點(diǎn)溫度

19、,-,時間坐標(biāo)繪制,CCT,圖。本文以,“,超細(xì)晶耐候鋼控軋控冷工藝的研究,”,實(shí)驗(yàn)為背景，來研究測定動態(tài),CCT,曲線。,42/46,RALNEU,模擬工藝過程舉例,（,2,）,CCT,曲線測定,試樣以,10/s,的速度加熱到,1150,，保溫,5min,后以,10/s,的冷卻速度冷卻到,850,、,950,，保溫,20s,后進(jìn)行變形量,0.4,單道次變形，變形速率為,1s-1,，然后分別以,0.5/s,、,1/s,、,2/s,、,5/s,、,10/s,、,15/s,、,20/s,、,30/s,的冷卻速度冷卻到室溫，記錄冷卻過程中的熱膨脹曲線，進(jìn)行動態(tài),CCT,曲線測定。,43/46,RAL

20、NEU,模擬工藝過程舉例,（,2,）,CCT,曲線測定,44/46,RALNEU,模擬工藝過程舉例,（,3,）拉伸試驗(yàn),27CrMo27S,鋼高溫塑性的研究及拉凹缺陷分析,將試樣以,12/s,升溫至,1300,，保溫,2min,，然后以,12/s,降至拉伸溫度,(750,1300),，保溫,30s,，以應(yīng)變速率,2.5S-1,，拉伸至斷后空冷。冷卻后測量斷口直徑，并記錄實(shí)驗(yàn)最大載荷。繪成的不同溫度下試樣斷面收縮率和抗拉強(qiáng)度隨溫度的變化曲線如圖所示。,拉伸試驗(yàn),是研究金屬變形抗力的試驗(yàn)方法之一。試驗(yàn)時，在拉伸變形體積內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)為單向拉伸，并均勻分布。由于在選擇拉伸試樣時，很難保證其內(nèi)部組織均勻

21、，其內(nèi)部各晶粒，甚至一個晶粒內(nèi)部的各支點(diǎn)的變形和應(yīng)力也不可能完全均勻。但從拉伸變形的總體看，是能夠保證得到比較均勻的拉伸變形的，其不均勻變形程度要比壓縮試驗(yàn)小得多。,用拉伸法不足之處在于其所得到的均勻變形程度一般不超過,20%,30%,。,45/46,RALNEU,模擬工藝過程舉例,（,2,）拉伸試驗(yàn),不同溫度下試樣斷面收縮率和抗拉強(qiáng)度隨 溫度的變化曲線,溫度,/,斷面收縮率,Z/,抗拉強(qiáng)度,Rm/MPa,750,77.0,259.5,800,81.5,225.9,850,77.9,212.8,900,81.5,180.7,950,80.6,162.0,1000,82.4,140.1,1050,91.6,110.6,1100,89.7,93.3,1150,87.0,71.4,1200,90.4,65.8,1250,81.5,64.3,1300,79.8,53.9,塑性在溫度大于,1200,時，隨著溫度的升高，試樣的斷面收縮率迅速下降；在,1200,l050,的溫度范圍內(nèi)，斷面收縮率變化比較平穩(wěn)；當(dāng)溫度降到,1000,時，,Z,值開始迅速降低；此后，在,1000,800,的溫度范圍內(nèi)隨著溫度的降低，,Z,值下降緩慢。當(dāng)溫度在,800,以下時，,Z,值又迅速降低。在,750,1300,高溫區(qū)間，,1050,1200,溫度之間塑性最好。,46/46,RALNEU,模擬工藝過程舉例,