《控軋控冷》課件控軋控冷與熱模擬（第一部分+補充）

,單擊此處編輯母版標題樣式,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： 牛濟泰，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)及試驗裝置的發(fā)展概況,（三）熱模擬試驗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)域的運用,（五）熱模擬工藝舉例,第一部分：,熱模擬試驗及其應(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 Simulation),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?zāi)Ｐ蛠泶嬖偷难芯俊＠?，宇航員的太空環(huán)境模擬試驗艙。,（,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)。,物理模擬試驗分為兩種，一種是在模擬過程中進行的試驗，另一種為模擬完成后進行的試驗,。,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，多采用實驗的方法，這種單憑重復(fù)實驗的,“,經(jīng)驗,”,性方法,不僅消耗大量時間與財力,，而且得到的結(jié)果往往只是某一具體產(chǎn)品在特點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用。,RALNEU,5/46,（二）,模擬技術(shù)及試驗裝置的發(fā)展概況,6/46,（,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，將閃光電阻焊機的電氣控制線路進行改裝，利用電阻加熱法，成功實現(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,型熱模擬試驗機，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，隨著計算機控制技術(shù)的應(yīng)用以及測量系統(tǒng)的完善和機械裝置的改進，不同功能的,Gleeble,熱,/,力模擬試驗裝置不斷研制開發(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)及試驗裝置的發(fā)展概況,RALNEU,7/46,熱力模擬試驗機是一種特殊的材料試驗機,-,（可以進行多功能的模擬試驗、區(qū)別一般的拉伸試驗機、沖擊試驗機）,模擬技術(shù)及試驗裝置的發(fā)展概況,Gleeble 1500,熱模擬機（美國,DSI,公司）,1979,年研制,RALNEU,8/46,Gleeble 2000,熱模擬機,1990,年研制,9/46,模擬技術(shù)及試驗裝置的發(fā)展概況,RALNEU,Gleeble 3500,熱模擬機,10/46,模擬技術(shù)及試驗裝置的發(fā)展概況,RALNEU,Gleeble 3800,熱模擬機,熱力模擬試驗機的主要功能是再現(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,型熱模擬試驗機，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,型熱模擬試驗機，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,型熱模擬試驗機，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,型熱模擬試驗機，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裝置是以高頻感應(yīng)加熱方式進行，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)試驗機以及,Themorestor-W,焊接熱應(yīng)力應(yīng)變模擬裝置。,模擬技術(shù)及試驗裝置的發(fā)展概況,12/46,RALNEU,模擬技術(shù)及試驗裝置的發(fā)展概況,RALNEU,13/46,（三）熱模擬試驗在冶金材料中的應(yīng)用,14/46,（,1,）鋼鐵材料的熱模擬是利用小試樣，借助熱模擬試驗機，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,；,（,2,）熱模擬實驗可以揭示鋼鐵材料,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,；,熱模擬試驗的研究方法,15/46,RALNEU,（,1,）,什么是物理模擬：,熱模擬試驗中的物理模擬過程,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,材料性能實驗,材料加工過程模擬,熱模擬試驗的應(yīng)用領(lǐng)域,熔化、凝固,固態(tài)相變、臨界點、等溫轉(zhuǎn)變、連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變,沉淀相粒子析出、粗化、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,組織細化、超細晶和納米晶塊材,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,材料性能實驗,材料加工過程模擬,熱拉伸性能、高溫強度、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,材料性能實驗,材料加工過程模擬,鍛造、連鑄,半固態(tài)加工,TMCP,（軋制、鍛造、拉拔,.,）,熱機械疲勞,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/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；,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,連鑄過程模擬,（,1,）連鑄過程模擬,鑄坯熱塑性試驗,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,）,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)，可實現(xiàn)不同加速冷卻條件下的模擬,30/46,RALNEU,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,(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,裂縫尖端張開位移,CTOD-crack tip opening displacement,裂縫嘴張開位移,CMOD-crack mouth opening displacement,裂紋張開位移,做為控制裂紋擴展的參數(shù)，其臨界值可作為金屬材料斷裂參數(shù)指標,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,（,5,）,CCT/SHCCT,圖建立,39/46,RALNEU,模擬工藝過程舉例,（,1,）單道次壓縮實驗,-,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?zāi)康?，如何進行試驗設(shè)計，選擇試驗類型，并完成相應(yīng)的試驗參數(shù)的輸入，是試驗開始前必須完成的工作，也是整個試驗過程中最重要的一環(huán)。你可以根據(jù)自己的試驗?zāi)康?，選擇不同的試驗類別，進行相應(yīng)的試驗設(shè)計，選擇所需要的試驗輸入?yún)?shù)。從試驗設(shè)計角度來說，單道次壓縮試驗所能完成的試驗功能為：在熱處理的同時，對試樣進行一定的壓縮變形。,40/46,RALNEU,模擬工藝過程舉例,（,1,）單道次壓縮實驗,-,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,實驗采用單道次壓縮或多道次壓縮實驗界面完成試驗。實驗取一組多個試樣。實驗前，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行變形。變形完成后，以一定的冷速進行冷卻，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驗。,繪制整個試驗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、中間和結(jié)束點，記下這些點的溫度,-,時間坐標。依次按照不同冷速對各個試樣進行實驗，直到一組試樣做完。最后根據(jù)此組實驗結(jié)果的相變點溫度,-,時間坐標繪制,CCT,圖。本文以,“,超細晶耐候鋼控軋控冷工藝的研究,”,實驗為背景，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，進行動態(tài),CCT,曲線測定。,43/46,RALNEU,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,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，并記錄實驗最大載荷。繪成的不同溫度下試樣斷面收縮率和抗拉強度隨溫度的變化曲線如圖所示。,拉伸試驗,是研究金屬變形抗力的試驗方法之一。試驗時，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，其內(nèi)部各晶粒，甚至一個晶粒內(nèi)部的各支點的變形和應(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,不同溫度下試樣斷面收縮率和抗拉強度隨 溫度的變化曲線,溫度,/,斷面收縮率,Z/,抗拉強度,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,