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H型鋼斷面組織對其機(jī)械性能的影響

2014-03-21 01:10馬勁紅王伶艷任喜強(qiáng)
關(guān)鍵詞:翼緣機(jī)械性能腹板

馬勁紅,王伶艷,2,李 慧,任喜強(qiáng)

(1.河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院,河北唐山063009;2.華電曹妃甸重工裝備有限公司,河北唐山063210)

0 引言

H型鋼是由工字型鋼優(yōu)化發(fā)展而成的一種斷面力學(xué)性能更為優(yōu)良的經(jīng)濟(jì)型斷面鋼材,和普通工字鋼相比,H型鋼具有更好的力學(xué)性能,相同單重時(shí)截面模數(shù)大,比普通工字鋼抗彎能力大。以熱軋H型鋼為主的鋼結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)科學(xué)合理,塑性和柔韌性好,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高,承受振動(dòng)和沖擊載荷能力強(qiáng),特別適用于一些多地震發(fā)生帶的建筑結(jié)構(gòu)。H型鋼還具有施工簡單、節(jié)約成本和結(jié)構(gòu)重量輕等優(yōu)點(diǎn),優(yōu)良的斷面性能,使H型鋼具有良好的使用性能,H型鋼是一種多用途高效經(jīng)濟(jì)性鋼材,在工程中的使用價(jià)值很高[1]。

為了直觀的反映機(jī)械性能和組織的關(guān)系,本文分別進(jìn)行了機(jī)械性能檢測實(shí)驗(yàn)和金相觀察顯微組織實(shí)驗(yàn)。并以軋制后組織均勻?yàn)槟康?,對軋制?guī)程進(jìn)行了優(yōu)化。

1 拉伸試樣的制備

本文選擇津西鋼鐵公司H200σ=Deε200產(chǎn)品為模型,到生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)際取樣,現(xiàn)場使用紅外線溫度檢測設(shè)備檢測H型鋼實(shí)際生產(chǎn)過程中各個(gè)階段的溫度。截取A、B、C、D、E,5組不同時(shí)間段內(nèi)生產(chǎn)的長400 mmH型鋼試樣。使用線切割設(shè)備,分別在A、B、C、D、E五組H型鋼上下翼緣、腹板按H型鋼翼緣寬度四分之一處(4/B)沿著軋制方向切取20σ= Deε250mm拉伸試樣。記翼緣上為I1,翼緣下為I2,腹板為F如圖1所示。實(shí)驗(yàn)所用原材料的化學(xué)成分如表1所示。

圖1 H型鋼截取試樣標(biāo)準(zhǔn)

表1 實(shí)驗(yàn)樣品的化學(xué)成分

2 拉伸實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用河北聯(lián)合大學(xué)60 kN拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī),將試件豎直放入拉伸試驗(yàn)機(jī)夾頭,打開微機(jī)中拉伸實(shí)驗(yàn)用軟件,輸入拉伸試樣數(shù)據(jù)。拉伸前將軟件中的拉力和位移數(shù)據(jù)清零。在打開拉伸試驗(yàn)機(jī)均勻加載。拉伸結(jié)束后記錄拉伸數(shù)據(jù)并放入新的拉伸試樣,每次拉伸加載前均需對軟件中的位移和拉力值進(jìn)行清零,以免造成人為誤差。拉伸數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 拉伸數(shù)據(jù)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從表2中可以看出:腹板屈服強(qiáng)度大于翼緣強(qiáng)度6.4%,上下翼緣屈服強(qiáng)度略有差異,上翼緣略大于下翼緣。H型鋼腹板抗拉強(qiáng)度最大,上翼緣次之,下翼緣最小。翼緣延伸率和斷面收縮率高于腹板延伸率,上翼緣延伸率高于下翼緣,上下翼緣斷面收縮率相差不大。

在H型鋼塑性變形時(shí),腹板變形量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于翼緣變形量,變形后腹板有大量的回復(fù)和再結(jié)晶能量,在軋制變形后腹板再結(jié)晶數(shù)量大于翼緣再結(jié)晶數(shù)量,由于軋制時(shí)冷卻水常存在于腹板上槽內(nèi),而且腹板厚度常常小于翼緣厚度,導(dǎo)致生成了單位長度內(nèi)腹板內(nèi)存儲(chǔ)熱量少且對外熱交換快的現(xiàn)象,腹板部位在變形后回復(fù)和再結(jié)晶時(shí)間短,較翼緣晶粒長大不充分,因此變形后腹板較翼緣有更為細(xì)小的再結(jié)晶晶粒組織,腹板較翼緣有更高的強(qiáng)度。

4 金相觀測實(shí)驗(yàn)

分別在五組腹板、翼緣4/B處和R角部位取一金相試樣,使用丙酮清洗后在金相鑲嵌機(jī)進(jìn)行鑲嵌。鑲嵌后分別使用280號(hào)~2000號(hào)砂紙進(jìn)行粗磨取,磨取時(shí)要用力均勻,磨取的試樣表面要平整。把磨好的試樣使用酒精輕輕擦拭后,進(jìn)行拋光處理。當(dāng)金屬表面在光照下沒有劃痕如鏡面時(shí),在3.5%的硝酸酒精下進(jìn)行腐蝕。腐蝕后用酒精擦拭,使用河北聯(lián)合大學(xué)金相顯微鏡進(jìn)行金相觀察。A組試樣照片如下。

圖2 不同部位的顯微組織

上圖2為B組試樣500倍下腹板、翼緣和R角部位金相顯微鏡照片。在圖中明顯看H型鋼組織主要由白色的鐵素體和黑色的珠光體組成,在鐵素體和珠光體中間夾雜部分魏氏組織。圖2中腹板晶粒尺寸最小,R角部位晶粒尺寸最大,翼緣晶粒尺寸居中,翼緣和腹板鐵素體大小均勻且形狀為均勻的多邊形,在鐵素體周圍均勻分布著珠光體組織。R角部位由于在軋制變形時(shí)受到的軋制力最小、變形量最小,在冷卻時(shí)冷卻時(shí)間最長,使得R角部位晶粒粗大且其晶粒位向混亂。又由于其變形困難所以在軋制變形時(shí)其晶粒破碎量也不相同,導(dǎo)致在R角部位常能發(fā)現(xiàn)異常粗大的晶粒。

普通碳素鋼中的塑性夾雜大多為MnS,硫化物的溶解溫度受鋼中錳和碳的影響[2]。在低錳(0.1%)鋼中,溶解度為1290℃,與碳含量無關(guān)。當(dāng)鋼中含0.2%~0.4%Mn,碳含量高時(shí)(0.8%),溶解度為1320℃。當(dāng)碳含量降至0.1%時(shí),溶解度上升到1400℃。但是硫化物的沉淀溫度,不因碳、錳含量而變,總是1180℃~1200℃。

在軋制時(shí)MnS存在長大和粗化的現(xiàn)象[3]。大多數(shù)均在腹板和R角部位處,但是由于軋制時(shí)腹板壓下大對其長大消除作用,而R角部位對其這種長大消除作用較差。

R角處于腹板與翼緣連接部位,腹板與翼緣晶粒尺寸均小于R角晶粒尺寸,又由于H型鋼R角部位圓角半徑尺寸很小,所以在腹板向翼緣過度時(shí)在很小的部位產(chǎn)生了晶粒尺寸經(jīng)歷了由小變大再變小的過程。所以在R角部位的晶粒尺寸變化復(fù)雜多變。

表3 平均晶粒度

五組試樣晶粒級別可以看出津西生產(chǎn)的H型鋼晶粒級別在9級左右,腹板晶粒級別較翼緣和R角高。

腹板較翼緣平均截距尺寸小6.5%,腹板細(xì)小的晶粒使得腹板比翼緣有更多的晶界,在H型鋼工程使用中,大量的晶界阻礙位錯(cuò)的繼續(xù)移動(dòng),因此越為細(xì)小的晶粒對機(jī)械性能影響越位明顯。較小的晶粒尺寸可以提高產(chǎn)品的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。

在H型鋼軋制變形中R角變形最為復(fù)雜,且在R角部位所存儲(chǔ)的熱量最大,其散熱效果較腹板翼緣差,導(dǎo)致了R角晶粒不均勻,在金相試驗(yàn)中可以觀察到其晶粒尺寸存在差異。在軋制時(shí)R角的變形仍是一個(gè)較難解決的問題。

5 軋制規(guī)程優(yōu)化

產(chǎn)品的機(jī)械性能受到產(chǎn)品組織形態(tài)的影響,不同的組織形態(tài)可以獲得不同的機(jī)械性能。在產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中,軋件受到軋制速度、壓下量、溫度等參數(shù)的影響。增大軋制速度和壓下量都可以細(xì)化晶粒,增強(qiáng)產(chǎn)品的機(jī)械性能。但是軋制速度和壓下量增加過多又會(huì)造成翼緣和腹板晶粒尺寸分布不均,所以為了達(dá)到合理的要求,必須綜合考慮軋制的變形規(guī)律、待溫時(shí)間、連軋的道次等合理分配變形量和軋制速度。

結(jié)合H型鋼現(xiàn)場實(shí)際的生產(chǎn)情況,分析認(rèn)為因?yàn)樵陂_坯階段采用普通的二輥孔型軋制,這一階段的軋制目的主要是為后面的萬能軋制提供合適的坯料,但是在這個(gè)階段變形不均勻并且難以調(diào)整,所以除了控制軋制溫度外對變形量無法進(jìn)行有效的控制。

從提高產(chǎn)品性能和軋制效率的角度,希望開軋溫度可以低一點(diǎn),但是由于開坯機(jī)受到最大軋制壓力的限制,同時(shí)軋件在開坯軋制時(shí)存在較嚴(yán)重的不均勻變形,溫度對變形規(guī)律和軋制壓力的影響相對較大。為保證開坯順利軋制和供給萬能軋制的坯料準(zhǔn)確,故只將開坯溫度的下限設(shè)為1200~1150℃,不做大的調(diào)整。

由于H型鋼的冷卻受到翼緣厚、腹板薄自身形狀特點(diǎn)的影響,加之在軋制時(shí)腹板中常存有軋輥冷卻水,使得腹板表面的溫度要低于翼緣的溫度。實(shí)際測的翼緣平均溫度要比腹板高出50~80℃,控制軋件進(jìn)入萬能粗軋的溫度其實(shí)就是控制其進(jìn)入萬能粗軋翼緣的溫度。但同時(shí)要考慮到腹板溫度要比翼緣溫度低50~80℃,這樣就使得翼緣的軋制溫度無法定得太低。若軋制時(shí)腹板溫度過低,為保證萬能軋制變形的順利,腹板壓下率與翼緣的壓下率要近似相等(實(shí)際腹板的壓下率略低),腹板的壓下量無法減少,這使軋制壓力過大而無法軋制,同時(shí)可能影響腹板的力學(xué)性能。

分配變形量是主要考慮:

1)由于是九架萬能軋機(jī)連軋作業(yè),必須保證各道次秒流量相等;

2)保證翼緣和腹板的變形量基本相當(dāng);

3)由于溫度會(huì)越來越低,每道次的壓下量要逐步減少。

根據(jù)上述因素,制定生產(chǎn)H型鋼的軋制工藝參數(shù):加熱溫度1200~1250℃;開軋溫度1150~1200℃;進(jìn)入萬能軋機(jī)最后5道次時(shí)翼緣溫度不大于950℃,終軋溫度850~870℃,軋后空冷。針對產(chǎn)品200×200× 12×8 mm的規(guī)格,運(yùn)用DEFORM-3D軟件制定出一新的軋制規(guī)程表。

表4 軋制規(guī)程表

使用上述軋制規(guī)程對H型鋼的連軋過程進(jìn)行數(shù)值模擬,獲得產(chǎn)品的微觀結(jié)構(gòu)圖和平均晶粒尺寸。取H型鋼斷面上的不同位置的三個(gè)點(diǎn),P1是腹板上一點(diǎn),P2是翼緣上一點(diǎn),P3為翼緣與腹板交接處一點(diǎn),圖3至圖5分別為H型鋼斷面上不同的三個(gè)點(diǎn)的晶粒結(jié)構(gòu)圖和平均晶粒尺寸圖。

圖4 P2點(diǎn)的晶粒結(jié)構(gòu)和晶粒尺寸

圖5 P3點(diǎn)的晶粒結(jié)構(gòu)和晶粒尺寸

從圖3中可以看出P1點(diǎn)的平均晶粒尺寸為18.9μm,圖4中顯示P2點(diǎn)的晶粒尺寸是20.2μm,圖5中顯示P3點(diǎn)的平均晶粒尺寸為20.7μm。從三幅圖的對比中可以看出,P1點(diǎn)的晶界還是較P2點(diǎn)、P3點(diǎn)多,而且晶粒也較細(xì),但是它們之間已經(jīng)較為接近,差距不是很大。這就減少了H型鋼的斷面上力學(xué)性能的差距,達(dá)到了一定的效果。

6 結(jié)論

6.1 H型鋼在軋制時(shí)由于腹板變形量大,軋后冷卻快,所以其軋后晶粒尺寸比翼緣和R角細(xì)小,其機(jī)械性能最好。

6.2 由于在坯料中R角部位雜質(zhì)較多,其軋制變形時(shí)變形最不均勻,軋后冷卻能力差,R角部位所存儲(chǔ)的熱量最多因此在R角部位晶粒不均勻。

6.3 為了提高產(chǎn)品的機(jī)械性能,制定新的工藝的規(guī)程時(shí),在增大壓下量和軋制速度的情況下,可以使晶粒細(xì)化,提高綜合機(jī)械性能,并減小腹板翼緣及R角處的晶粒尺寸差值,減小H型鋼的斷面力學(xué)的差值。

[1] 何志華.淺議國產(chǎn)H型鋼在工程中的應(yīng)用[J].安徽建筑,2000,(1):98-101.

[2] W P SUN.Diffusion-Controlled Growth and Coarsening of MnS during Hot Deformaition,METALLURGICAL TRANSCTIONS A,Vol.23A,Nov 1992.

[3] 李代鍾.鋼中的非金屬夾雜物[M].北京:科學(xué)出版社,1983:170.

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