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Gleeble 3500在無縫鋼管設(shè)計(jì)開發(fā)和生產(chǎn)過程中的應(yīng)用

2020-04-26 13:05:22張哲平劉江成
鋼管 2020年1期
關(guān)鍵詞:熱塑性抗力連鑄

陳 燕,張哲平,劉江成

(天津鋼管制造有限公司,天津 300301)

Gleeble熱模擬試驗(yàn)技術(shù),屬于物理模擬技術(shù)的范疇[1]。在利用Gleeble熱模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)熱加工過程進(jìn)行模擬時(shí),主要的影響因素有:化學(xué)成分、原始狀態(tài)、應(yīng)變、應(yīng)變速率、溫度、升溫/降溫速度。通過對(duì)這些基本參數(shù)的測(cè)定和規(guī)律性研究,可實(shí)現(xiàn)經(jīng)過少量試驗(yàn)找出鋼組織和性能的演化規(guī)律,可節(jié)省大量人力、物力和財(cái)力,大幅縮短新材料的開發(fā)周期。天津鋼管制造有限公司(簡稱天津鋼管)引進(jìn)的Gleeble 3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)主要有控制柜、拉伸壓縮單元、扭轉(zhuǎn)單元和液壓系統(tǒng)組成。此外,還配有真空泵系統(tǒng)、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、空氣壓縮機(jī)和穩(wěn)壓電源等附屬設(shè)備。根據(jù)不同的試驗(yàn)?zāi)康?,可以切換相應(yīng)的控制單元?,F(xiàn)主要介紹Gleeble熱模擬試驗(yàn)技術(shù)在無縫鋼管研究開發(fā)方面的一些典型應(yīng)用。

1 Gleeble 3500的典型應(yīng)用

無縫鋼管生產(chǎn)的主要工藝流程為:鋼坯冶煉—連鑄—穿孔—熱連軋—熱處理,針對(duì)高溫條件下的熱—機(jī)械變形過程,Gleeble 3500試驗(yàn)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)連鑄、穿孔、熱軋等工序工藝參數(shù)的模擬試驗(yàn),從而確定最佳生產(chǎn)方案。Gleeble 3500通過高溫拉伸試驗(yàn)?zāi)M無縫鋼管生產(chǎn)過程中的連鑄、穿孔過程,來研究材料在以上過程中的高溫塑性和高溫力學(xué)性能;通過高溫壓縮試驗(yàn)來模擬無縫鋼管生產(chǎn)過程中的軋制過程,來研究軋制過程中的變形抗力、加工硬化、動(dòng)態(tài)回復(fù)與再結(jié)晶過程,也可以研究軋制過程,通過研究軋制過程不同道次的壓縮分配比來指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)控軋工藝;通過高溫扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)來模擬無縫鋼管生產(chǎn)過程中的穿孔過程,研究高溫?zé)崴苄院痛髴?yīng)變的模擬;通過動(dòng)態(tài)CCT(連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變)試驗(yàn)來研究軋后控制冷卻過程,從而為生產(chǎn)工藝的優(yōu)化提供參考;通過焊接熱循環(huán)來模擬無縫鋼管環(huán)焊縫熱影響區(qū)的組織和性能變化。通過以上幾種高溫試驗(yàn),可以采集的變量有溫度、力、位移、應(yīng)力、應(yīng)變、動(dòng)力角、扭矩、轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速等,最多能同時(shí)采集8個(gè)變量。所有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)采集后以O(shè)rigin格式存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī),Origin軟件有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能,操作者可分析各變量之間的關(guān)系,如應(yīng)力—應(yīng)變曲線,塑性、應(yīng)力等與溫度、時(shí)間之間的關(guān)系等,從而得到合適的工藝參數(shù)。現(xiàn)將對(duì)Gleeble 3500在不同生產(chǎn)工序中的應(yīng)用進(jìn)行介紹。

1.1 連鑄過程

對(duì)于連鑄過程,Gleeble 3500通過高溫拉伸試驗(yàn)評(píng)價(jià)材料的熱塑性。

鋼在連鑄過程中受到機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的作用,有可能在其低塑性區(qū)間產(chǎn)生裂紋缺陷,連鑄階段的質(zhì)量問題將嚴(yán)重影響后續(xù)的生產(chǎn)過程,尤其是裂紋產(chǎn)生將對(duì)后續(xù)的軋制工藝與產(chǎn)品質(zhì)量帶來不利的影響,連鑄坯裂紋主要分為內(nèi)部裂紋和表面裂紋兩種。內(nèi)部裂紋產(chǎn)生主要發(fā)生在鑄坯內(nèi)部的液—固相并存區(qū)間,脆性薄膜在拉應(yīng)力作用下被拉開裂,當(dāng)粗大的柱狀晶表面有較多雜質(zhì)時(shí),更易產(chǎn)生晶間微裂。表面裂紋是由于已凝固的坯殼在冷卻過程中,受收縮不均、溫度不均、坯殼鼓肚和相變等影響,致使坯殼受到外裂和熱負(fù)荷間歇式突變而產(chǎn)生開裂[2]。因此需要高溫拉伸試驗(yàn)對(duì)鋼連鑄過程中的熱塑性進(jìn)行評(píng)估,找出脆性傾向較大的溫度范圍,避免鑄坯在此區(qū)間進(jìn)行拉矯受力而產(chǎn)生裂紋,這對(duì)于合理控制鑄坯溫度、優(yōu)化二次冷卻工藝、減少裂紋缺陷具有重要意義。

斷面收縮率是衡量材料塑性變形能力的性能指標(biāo),該值愈大說明材料的塑性愈好。

參照實(shí)際生產(chǎn),選用管線鋼種,變形溫度選為750℃至峰值溫度之間,拉伸變形速率選擇0.001 s-1,每隔50℃測(cè)一個(gè)試樣。峰值溫度的選擇按日本學(xué)者的研究,用零強(qiáng)度溫度減去50℃作為峰值溫度[3]。所有溫度點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)束后,繪制溫度與斷面收縮率的關(guān)系曲線,然后根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù),用插值法確定補(bǔ)測(cè)其他溫度點(diǎn),這樣即可得到完整無遺漏的塑性與溫度關(guān)系和管線鋼的斷面收縮率與溫度的關(guān)系曲線,由此可見塑性隨溫度變化有幾個(gè)低塑性峰值,不同成分的鋼有不同的低塑性溫度區(qū)間。

評(píng)價(jià)某試驗(yàn)鋼連鑄過程的熱塑性指標(biāo)時(shí),熱模擬試樣為Φ10 mm圓棒拉伸試樣。模擬連鑄工藝,試驗(yàn)方案如圖1所示,連鑄過程溫度-斷面收縮率曲線如圖2所示。

圖1 連鑄過程模擬工藝試驗(yàn)方案

圖2 連鑄過程溫度-斷面收縮率曲線(應(yīng)變速率0.001 s-1)

由圖2可以看出,從1 250℃至750℃溫度,斷面收縮率整體呈下降趨勢(shì),具體為:從1 250℃至925℃,斷面收縮率基本保持在85%以上;從925℃至750℃,斷面收縮率開始迅速下降,在750℃時(shí)斷面收縮率為62%。結(jié)合應(yīng)力和塑性,建議連鑄過程中,通過調(diào)整鑄坯溫度、控制二次冷卻工藝,保證鋼的拉矯溫度高于925℃。

1.2 穿孔過程

1.2.1 高溫拉伸試驗(yàn)評(píng)價(jià)熱塑性、變形抗力

穿孔時(shí)鋼管旋轉(zhuǎn)前進(jìn),且速度非常快,應(yīng)變速率約為0.1 s-1,那么熱塑性差的鋼種在穿孔過程中會(huì)出現(xiàn)變形抗力大,變形不深透,穿孔過程中內(nèi)表層和外表層的金屬變形嚴(yán)重,在外表層與中間層的過渡區(qū)和內(nèi)表層與中間層的過渡區(qū)產(chǎn)生區(qū)域間的剪切應(yīng)力,尤其是在軋輥轉(zhuǎn)速較高的情況下,易產(chǎn)生分層或者離層缺陷[4-7];因此,有必要通過拉伸試驗(yàn)?zāi)M穿孔過程中的熱塑性。而一些高合金鋼在穿孔過程中易產(chǎn)生較大的變形抗力,對(duì)于頂頭的損壞非常大,造成頂頭更換頻率高,增加了生產(chǎn)成本。因此在穿孔過程中主要研究鋼種的熱塑性和高合金鋼的變形抗力,為穿孔過程工藝參數(shù)的制定提供數(shù)據(jù)參考。以模擬高Cr合金鋼在穿孔過程中的熱塑性為例,將試樣加熱到1 230℃保溫3 min,然后分別冷卻到900,950,1 000,1 050,1 100,1 150,1 200℃或再加熱至1 250,1 300℃保溫30 s,然后以0.1 s-1的應(yīng)變速率拉斷試樣,最后測(cè)得最大變形抗力。拉伸后得到的最大應(yīng)力隨溫度變化曲線如圖3所示??梢钥闯?,隨著變形溫度的升高,最大變形抗力逐漸降低。該分析結(jié)果可為現(xiàn)場(chǎng)的工藝參數(shù)設(shè)定提供指導(dǎo)。

圖3 拉伸后得到的最大應(yīng)力隨溫度變化曲線(應(yīng)變速率0.1 s-1)

1.2.2 高溫扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)評(píng)價(jià)熱塑性

熱扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)也是模擬金屬材料塑性變形的一種方法,可以準(zhǔn)確模擬旋轉(zhuǎn)穿孔過程的熱塑性。相比之下,熱扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的主要優(yōu)勢(shì)是[8]:①大應(yīng)變量試驗(yàn),可通過增加扭轉(zhuǎn)圈數(shù)加載大的應(yīng)變量,最大可達(dá)±90圈;②大應(yīng)變速率試驗(yàn),可通過增加扭轉(zhuǎn)速度獲得大的應(yīng)變速率,轉(zhuǎn)速范圍0~1 500 r/min;③扭轉(zhuǎn)過程中不易發(fā)生塑性失穩(wěn)。而熱拉伸變形試驗(yàn)變形到一定程度時(shí)會(huì)產(chǎn)生頸縮現(xiàn)象,會(huì)加劇材料的變形不均勻,甚至還沒達(dá)到設(shè)定的變形量時(shí),試樣就已經(jīng)斷裂。熱壓縮試驗(yàn)中由于試樣與加載器具的摩擦力作用,使試樣因兩端面上的徑向流變隨壓縮程度的加劇而受到更強(qiáng)的約束呈鼓狀外觀,限制了大應(yīng)變?cè)嚇拥木珳?zhǔn)性??梢酝ㄟ^熱扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)來模擬穿孔過程中大應(yīng)變量條件下材料的熱塑性問題。

1.3 軋制過程

1.3.1 高溫拉伸、壓縮試驗(yàn)評(píng)價(jià)變形抗力

熱軋過程中希望材料有好的熱塑性和低的變形抗力,在保證鋼管質(zhì)量和性能的同時(shí)對(duì)設(shè)備的軋制負(fù)荷降到最低。

現(xiàn)研究試驗(yàn)鋼軋制過程的變形抗力。選取高強(qiáng)度低合金鋼種,以10℃/s的速度將溫度升高至1 250℃,保溫5 min,然后以3℃/s的速度冷卻到變形溫度(900,950,1 000,1 050,1 100,1 150℃),采用0.1 s-1的應(yīng)變速率進(jìn)行拉伸和壓縮試驗(yàn),其中壓縮試驗(yàn)的壓縮量為60%,最后將拉伸和壓縮試驗(yàn)的最大變形抗力結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

高溫拉伸和高溫壓縮過程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。可以看出,高溫情況下,隨著變形溫度的升高,試樣最大變形抗力逐漸降低,從曲線形狀可以看出當(dāng)變形抗力達(dá)到最大值后試樣開始出現(xiàn)頸縮,所以對(duì)于要求應(yīng)變量比較大的試驗(yàn)一般選用壓縮試驗(yàn)。從高溫壓縮過程應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出,隨著變形溫度的升高,最大變形抗力呈下降趨勢(shì)。與拉伸過程應(yīng)力-應(yīng)變曲線不同的是,壓縮過程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以描述軋制過程中的加工硬化、動(dòng)態(tài)回復(fù)與再結(jié)晶過程:當(dāng)變形溫度為900℃時(shí),曲線為加工硬化過程;當(dāng)溫度為950℃時(shí),曲線為動(dòng)態(tài)回復(fù)過程;當(dāng)在1 000℃及以上溫度變形時(shí),發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程。圖5所示為相同條件下拉伸和壓縮過程中變形抗力的對(duì)比,可以看出,拉伸的變形抗力值比壓縮試驗(yàn)要高,但是差值不超過13 MPa。

圖4 高溫拉伸和高溫壓縮過程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖5 拉伸和壓縮試驗(yàn)所得應(yīng)力與溫度關(guān)系

通過上述對(duì)比,可知拉伸試驗(yàn)和壓縮試驗(yàn)均可模擬軋制過程中的最大變形抗力;拉伸試驗(yàn)除了變形抗力,還可以得到斷面收縮率的數(shù)值,以此來評(píng)價(jià)材料的熱塑性;而壓縮試驗(yàn)則可以研究加工硬化、動(dòng)態(tài)回復(fù)與再結(jié)晶過程。可以根據(jù)需求來選擇試驗(yàn)類型。

1.3.2 壓縮試驗(yàn)?zāi)M加工硬化過程及本構(gòu)方程建立

熱壓縮試驗(yàn)可以用來很好地模擬軋制過程,能得出不同溫度下軋制過程中的變形抗力,在熱變形過程中,存在3種典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線[9-10]:即加工硬化型、動(dòng)態(tài)回復(fù)型和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶型。熱模擬試驗(yàn)可以研究控制軋制過程中的工藝參數(shù)(包括形變溫度、形變量、形變速率等)對(duì)組織性能的影響:①研究奧氏體再結(jié)晶區(qū)軋制工藝參數(shù)對(duì)變形過程中再結(jié)晶的影響;②研究奧氏體未再結(jié)晶區(qū)軋制過程中工藝參數(shù)對(duì)奧氏體拉長晶粒內(nèi)的位錯(cuò)變形帶和形變誘導(dǎo)析出物的影響;③研究兩相區(qū)軋制過程中工藝參數(shù)對(duì)變形亞結(jié)構(gòu)和細(xì)化晶粒的影響。因此,可以通過熱壓縮試驗(yàn)研究材料在熱軋過程中的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為、動(dòng)態(tài)回復(fù)行為與加工硬化行為,并建立相應(yīng)的本構(gòu)方程,為后續(xù)制定工藝提供理論依據(jù)。

以某純TA1試驗(yàn)材料的壓縮試驗(yàn)為例,研究不同變形條件下的應(yīng)變曲線,以及相應(yīng)本構(gòu)方程的建立。試樣尺寸為 Φ8 mm×12 mm。在 Gleeble 3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行等溫-恒應(yīng)變速率壓縮試驗(yàn)。將熱壓縮試樣在真空環(huán)境下以10℃/s速度分別加熱到660℃、700℃、740℃和780℃,保溫5 min后進(jìn)行熱壓縮,壓縮量為60%,應(yīng)變速率分別為 0.1 s-1、1 s-1、10 s-1。

不同應(yīng)變速率和不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6~7所示??梢钥闯觯?60~780℃的溫度下進(jìn)行壓縮時(shí),應(yīng)力-應(yīng)變曲線為典型的加工硬化型曲線,變形速率一定的情況下,變形抗力隨著溫度的降低而升高;變形溫度一定時(shí),變形抗力隨著變形速率的增加而升高。

圖6 不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖7 不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(應(yīng)變速率0.1 s-1)

根據(jù)熱壓縮試驗(yàn)過程中應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、應(yīng)變速率等試驗(yàn)參數(shù),通過數(shù)學(xué)擬合方法確定描述熱流變應(yīng)力(變形抗力)的Arrhenius方程表達(dá)式中的基本參數(shù),即可得到該試驗(yàn)條件下試驗(yàn)鋼熱壓縮本構(gòu)方程[11]:

式中σ——流變應(yīng)力,MPa;

R——?dú)怏w常數(shù),取8.31 J/(mol·K);

T——溫度,℃。

該方程描述了金屬材料成型過程中應(yīng)變速率、流變應(yīng)力、成型溫度等主要參數(shù)之間的關(guān)系,為成型工藝的制定提供理論依據(jù)。

1.4 軋后控冷

對(duì)于軋后控冷過程,可利用動(dòng)態(tài)CCT曲線來進(jìn)行研究。

利用圓棒試樣單軸壓縮試驗(yàn)可以模擬壓縮變形后冷卻過程中的相變情況,可以得出相變起始點(diǎn)和相變結(jié)束點(diǎn),從而繪制出動(dòng)態(tài)CCT曲線。其原理是:鋼鐵試樣在加熱和冷卻時(shí),試樣的長度除了受正常的熱脹冷縮的影響外,還與相變過程有關(guān),即其長度變化由熱脹冷縮引起的長度變化和相變體積效應(yīng)引起的長度變化組成;當(dāng)發(fā)生相變時(shí),由于鋼中各相的比容不同,曲線就出現(xiàn)拐折。冷卻過程中的線膨脹曲線如圖8所示,其中B點(diǎn)為相變起始點(diǎn),C點(diǎn)為相變結(jié)束點(diǎn),因此在此冷卻速度下,TB即為相變起始溫度,TC即為相變結(jié)束溫度,再通過溫度—時(shí)間曲線找出該溫度所對(duì)應(yīng)的時(shí)間,將各個(gè)相變點(diǎn)連在一起,即構(gòu)成了動(dòng)態(tài)的CCT曲線。

將試驗(yàn)用鋼加工成Φ8 mm×12 mm的圓柱體做單向壓縮試驗(yàn),先將試樣在1 200~1 250℃以上保溫一段時(shí)問,使其奧氏體化均勻,然后降至某一溫度(奧氏體溫度或奧氏體+鐵素體兩相溫度區(qū)),按照預(yù)定軋制工藝進(jìn)行壓縮變形,然后以不同冷卻速度進(jìn)行冷卻,按照上述方法繪制動(dòng)態(tài)CCT曲線,如圖9所示。此CCT曲線可以為軋制后的在線控冷工藝提供理論參考,通過在線控冷來細(xì)化晶粒提高強(qiáng)度,從而彌補(bǔ)去掉熱處理工藝后帶來的性能損失,最終實(shí)現(xiàn)軋制之后控制冷卻。

圖8 線膨脹曲線測(cè)定相變溫度點(diǎn)示意

圖9 試驗(yàn)鋼的動(dòng)態(tài)CCT連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線

1.5 焊接性能評(píng)價(jià)

通過焊接熱循環(huán)試驗(yàn),可模擬環(huán)焊縫的熱影響區(qū)性能。

無縫管線管通過合理設(shè)計(jì)成分和采用合理的工藝后,均能使母材滿足強(qiáng)韌性要求。然而在焊接熱循環(huán)的作用下,管線鋼的熱影響區(qū)易出現(xiàn)組織惡化和韌性下降的問題[12-15],尤其是在粗晶區(qū)和多道焊中的臨界粗晶區(qū),因此其環(huán)焊縫熱影響區(qū)的沖擊韌性和對(duì)裂紋的敏感性必須要進(jìn)行研究??梢酝ㄟ^Gleeble 3500焊接熱循環(huán)試驗(yàn)來模擬環(huán)焊縫的熱影響區(qū),然后通過研究焊接工藝參數(shù)來改善焊接熱影響區(qū)的性能和裂紋敏感性問題,這也是接下來的重點(diǎn)工作之一。

2 結(jié) 語

目前,Gleeble 3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)為天津鋼管的產(chǎn)品開發(fā)、工藝與數(shù)學(xué)模型的參數(shù)優(yōu)化提供了重要的試驗(yàn)數(shù)據(jù),天津鋼管也在熱塑性研究方面積累了一定的數(shù)據(jù)和研究結(jié)果。今后,應(yīng)該進(jìn)一步結(jié)合天津鋼管的科研項(xiàng)目和產(chǎn)品研發(fā)學(xué)術(shù)發(fā)展方向,致力于設(shè)備功能的開發(fā)和試驗(yàn)方法的研究,充分發(fā)揮該Gleeble 3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)在產(chǎn)品開發(fā)、軋鋼、連鑄等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用。

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