?；瘻囟葘θ∠蚬桎摾浼庸ば缘挠绊?/h1>
2021-12-02 10:48柳金龍張一凡賈志偉
上海金屬 2021年6期
李 莉 柳金龍 張一凡 賈志偉
(1.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009； 2.東北大學 材料各向異性與織構教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110006； 3.鞍鋼股份冷軋廠，遼寧 鞍山 114009)
取向硅鋼通常含有3.0%～3.4%(質量分數(shù))的硅元素，其固溶強化作用導致鋼板冷變形抗力明顯上升，冷加工性能惡化[1]。基于取向硅鋼的成分特點，其冷軋過程中易發(fā)生斷帶事故，導致生產效率和成材率降低，生產成本提高。除冷軋工藝條件外，軋材材質及軋前組織狀態(tài)是影響取向硅鋼冷加工性的主要內在因素[2-6]。因此，本文研究了?；瘻囟葘Π颁?7AG高磁感取向硅鋼組織特征及冷加工性的影響，為取向硅鋼冷軋工藝的設計和優(yōu)化提供參考。
1 試驗材料與方法
試驗材料為鞍鋼生產的27AG高磁感取向硅鋼熱軋板，其?；に嚾绫?所示。
表1 ?；に嘥able 1 Normalization processes
常化處理后，通過鞍鋼φ450 mm可逆式冷軋機組進行冷軋試驗。利用Zwick/Roell Z100型拉伸試驗機測定取向硅鋼冷軋板的主要力學性能，并采用斷裂力學模型對其冷加工性進行表征。分別沿常化板、冷軋板軋向取樣，經鑲嵌、磨拋后用體積分數(shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕，然后置于光學顯微鏡下觀察顯微組織，并測定珠光體含量及晶粒尺寸。最后，采用SUPRATM55 SAPPHIRE型場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察冷軋板拉伸斷口形貌，確定斷裂類型及原因。
2 試驗結果與分析
2.1 取向硅鋼冷軋板斷裂韌度的確定
取向硅鋼冷軋邊裂是在軋制過程中帶鋼表層萌生裂紋和裂紋擴展導致的。軋材材質和軋制工藝等因素導致冷軋過程產生邊裂甚至斷帶事故。許多學者對帶鋼裂紋萌生及擴展條件進行了研究[7-9]，并采用裂紋尖端應力強度因子KI和材料斷裂韌度KIC作為判定鋼材斷裂的條件。其中，KI表示軋制載荷、裂紋幾何參數(shù)等使裂紋尖端承受載荷或變形的外在因素；KIC則反映材料成分、組織等內在因素抵抗裂紋擴展的能力[10-12]。當裂紋尖端應力強度因子KI達到材料斷裂韌度臨界值KIC(即KI≥KIC)時，裂紋將失穩(wěn)擴展，最終導致斷裂?；跀嗔蚜W現(xiàn)有成果[13]，采用斷裂韌度KIC表征取向硅鋼冷軋板材質特性，可以作為評定取向硅鋼冷加工性的理論依據(jù)。斷裂韌度與常規(guī)力學性能之間的關系[14]可表示為：
(1)
式中：KIC-D為韌性狀態(tài)下的斷裂韌度，MPa·mm1/2；n為加工硬化指數(shù)；E為彈性模量，MPa；σs為屈服強度，MPa；εf為臨界應變，mm；
(2)
式中：KIC-B為脆性狀態(tài)下的斷裂韌度，MPa·mm1/2；σc為材料斷裂強度，MPa；ρ0為裂紋尖端的曲率半徑，mm。
2.2 常化溫度對冷加工性的影響
表2為不同溫度?；娜∠蚬桎摾滠埌宓募庸び不笖?shù)。通過式(1)、式(2)對1號、2號試樣的斷裂韌度進行計算和加工性評定，結果如圖1所示，發(fā)現(xiàn)KIC值隨?；瘻囟鹊纳叨鴾p小。此外，KIC值隨冷軋板厚度減小而逐漸增加，前2道次斷裂韌度相對較小(加工性差)，易導致邊裂萌生及擴展。
圖1 不同溫度?；娜∠蚬桎摾滠埌宓臄嗔秧g度Fig.1 Fracture toughness of the cold-rolled oriented silicon steel plate normalized at different temperatures
表2 不同溫度?；娜∠蚬桎摾滠埌宓募庸び不笖?shù)Table 2 Work-hardening exponents of the cold-rolled oriented silicon steel plate normalized at different temperatures
圖2為不同溫度?；娜∠蚬桎摾滠埌宓娘@微組織，為鐵素體和珠光體。在軋制過程中，硬相珠光體和軟相鐵素體的不均勻塑性變形易引起應力集中而產生裂紋。此外，鋼板表層為完全再結晶的等軸晶粒，這種粗大等軸晶導致晶間結合強度降低，易造成冷軋板邊部裂紋的萌生或向內擴展。但在鋼板亞表層、心部大量纖維狀組織及細小未完全再結晶晶粒的阻礙作用下，表層裂紋不易向內擴展。對于?；瘻囟容^低的1號試樣，其平均晶粒尺寸及珠光體含量均小于2號試樣(如表3所示)，因此，1號試樣的斷裂韌度KIC值小于2號試樣，冷加工性更優(yōu)。
表3 不同溫度?；幚淼睦滠埌宓慕M織特征Table 3 Microstructure characteristics of the cold-rolled plate normalized at different temperatures
圖2 不同溫度?；娜∠蚬桎摾滠埌宓娘@微組織Fig.2 Microstructures of the cold-rolled oriented silicon steel plate normalized at different temperatures
圖3為不同溫度常化處理的冷軋板拉伸試樣的斷口形貌。可見，1號試樣斷口存在大量河流狀花紋，屬于典型的解理斷口。解理裂紋在鐵素體中擴展，遇到珠光體時受阻，發(fā)生轉折或繞過珠光體，中止于珠光體邊界[15]。裂紋擴展也受到鐵素體晶界的阻礙，越過晶界時裂紋擴展轉向另一解理面。2號試樣斷口特征主要為解理裂紋上分布著大小不一的微裂紋，軋制過程中這些微裂紋在應力作用下發(fā)生擴展，進而導致加工性降低。
圖3 不同溫度?；幚淼睦滠埌謇煸嚇拥臄嗫谛蚊睩ig.3 Micrographs of fracture of tensile samples of the cold-rolled plate normalized at different temperatures
2.3 常化開始冷卻溫度對冷加工性的影響
表4為?；^程中從不同溫度水冷的取向硅鋼冷軋板的加工硬化指數(shù)。隨著開始冷卻溫度的升高，斷裂韌度KIC值隨之減小。圖4為根據(jù)式(1)、式(2)計算的不同開始冷卻溫度下的斷裂韌度，發(fā)現(xiàn)3號和4號試樣的冷加工性差異隨著冷軋道次的增加略有增大。
表4 ?；^程中從不同溫度水冷的取向硅鋼冷軋板的加工硬化指數(shù)Table 4 Work hardening exponents of the cold-rolled oriented silicon steel plate water-cooled from different temperatures during normalizing
圖4 ?；^程中從不同溫度水冷的取向硅鋼冷軋板的斷裂韌度Fig.4 Fracture toughness of the cold-rolled oriented silicon steel plate water-cooled from different temperatures during normalizing
圖5為?；^程中從不同溫度水冷的取向硅鋼冷軋板的顯微組織。對比發(fā)現(xiàn)：4號試樣由于開始冷卻溫度較高，其平均晶粒尺寸大于3號試樣(見表5)，表層易產生微裂紋。3號試樣的亞表層和心部平均晶粒尺寸相對較小，由于細晶強化作用強度較高、表層裂紋不易向內擴展。此外，3號試樣的珠光體含量略低(見表5)，在冷軋過程中珠光體和鐵素體的不均勻塑性變形程度減小，因而不易產生應力集中而形成微裂紋。相應地，4號試樣表層晶粒粗大容易萌生裂紋，且由于晶界弱化及珠光體不均勻變形等因素的影響，其表面易產生裂紋并向內擴展，冷加工性相對較低。
表5 常化過程中從不同溫度水冷的取向硅鋼冷軋板的組織特征Table 5 Microstructure characteristics of the cold-rolled oriented siticon steel plate water-cooled from different temperatures during normalizing
圖5 ?；^程中從不同溫度水冷的取向硅鋼冷軋板的顯微組織Fig.5 Microstructures of the cold-rolled oriented siticon steel plate water-cooled from different temperatures during normalizing
圖6為?；^程中從不同溫度水冷的冷軋板拉伸試樣的斷口形貌。對比可見，兩種試樣的斷口形貌均具有解理斷裂特征。其中3號試樣的斷口河流狀花樣指向部分解理面，其原因為心部纖維狀組織發(fā)生回復且晶粒再結晶程度低，導致晶界結合強度降低，裂紋易沿晶界擴展。相比3號試樣，4號試樣的斷口微裂紋明顯較多，其原因為開始冷卻溫度升高，晶粒尺寸增大、珠光體含量增加，在應力集中和晶界弱化的共同作用下，易形成微裂紋并擴展。因此4號試樣的冷加工性低于3號試樣。
圖6 ?；^程中從不同溫度水冷的冷軋板拉伸試樣的斷口形貌Fig.6 Micrographs of fracture of tensile samples of the cold-rolled plate water-cooled from different temperatures during normalizing
3 結論
(1)結合取向硅鋼常規(guī)力學性能和斷裂韌度KIC值模型對取向硅鋼冷加工性進行表征，其結果符合取向硅鋼冷軋的實際情況，滿足快速評價取向硅鋼冷加工性的要求。
(2)隨著常化溫度及開始冷卻溫度的降低，取向硅鋼的斷裂韌度KIC值增加，冷加工性提高。
(3)取向硅鋼內部微裂紋是在細晶強化和軟、硬相的不均勻變形的共同作用下產生的；在心部纖維狀組織及細小晶粒的阻礙作用下，表層裂紋不易向內擴展。
(4) 取向硅鋼斷口均具有為解理斷裂特征，并存在微裂紋。這是粗大心部回復組織降低晶界結合強度形成裂紋，同時裂紋擴展受到珠光體或鐵素體阻礙而轉向另一解理面所致。
猜你喜歡
球墨鑄鐵行走輪的低溫正火工藝金屬熱處理(2022年9期)2022-10-21 無取向硅鋼邊部線狀缺陷分析及改進措施山東冶金(2022年2期)2022-08-08 城市的韌度民生周刊(2022年16期)2022-08-03 提升珠光體組織的耐磨性能以及熱穩(wěn)定性航空制造技術(2022年5期)2022-07-15 0.10 mm與0.23 mm取向硅鋼在不同運行工況下磁特性的測量與對比分析中國電力(2022年2期)2022-03-02 凍融循環(huán)對聚合物改性瀝青混合料的抗裂性能影響內蒙古公路與運輸(2021年4期)2021-12-13 稀土Y 對6.5%Si 高硅鋼拉伸性能的影響有色金屬科學與工程(2021年1期)2021-03-04 蠕墨鑄鐵RuT400與RuT450的拉伸與疲勞性能上海金屬(2020年4期)2020-08-25 Ⅰ型裂紋的高強混凝土梁斷裂性能試驗研究科學技術與工程(2020年12期)2020-06-06 Al元素對高碳珠光體鋼連續(xù)緩慢冷卻相變行為的影響武漢科技大學學報(2019年4期)2019-07-04
李 莉 柳金龍 張一凡 賈志偉
(1.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009； 2.東北大學 材料各向異性與織構教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110006； 3.鞍鋼股份冷軋廠，遼寧 鞍山 114009)
取向硅鋼通常含有3.0%～3.4%(質量分數(shù))的硅元素，其固溶強化作用導致鋼板冷變形抗力明顯上升，冷加工性能惡化[1]。基于取向硅鋼的成分特點，其冷軋過程中易發(fā)生斷帶事故，導致生產效率和成材率降低，生產成本提高。除冷軋工藝條件外，軋材材質及軋前組織狀態(tài)是影響取向硅鋼冷加工性的主要內在因素[2-6]。因此，本文研究了?；瘻囟葘Π颁?7AG高磁感取向硅鋼組織特征及冷加工性的影響，為取向硅鋼冷軋工藝的設計和優(yōu)化提供參考。
1 試驗材料與方法
試驗材料為鞍鋼生產的27AG高磁感取向硅鋼熱軋板，其?；に嚾绫?所示。
表1 ?；に嘥able 1 Normalization processes
常化處理后，通過鞍鋼φ450 mm可逆式冷軋機組進行冷軋試驗。利用Zwick/Roell Z100型拉伸試驗機測定取向硅鋼冷軋板的主要力學性能，并采用斷裂力學模型對其冷加工性進行表征。分別沿常化板、冷軋板軋向取樣，經鑲嵌、磨拋后用體積分數(shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕，然后置于光學顯微鏡下觀察顯微組織，并測定珠光體含量及晶粒尺寸。最后，采用SUPRATM55 SAPPHIRE型場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察冷軋板拉伸斷口形貌，確定斷裂類型及原因。
2 試驗結果與分析
2.1 取向硅鋼冷軋板斷裂韌度的確定
取向硅鋼冷軋邊裂是在軋制過程中帶鋼表層萌生裂紋和裂紋擴展導致的。軋材材質和軋制工藝等因素導致冷軋過程產生邊裂甚至斷帶事故。許多學者對帶鋼裂紋萌生及擴展條件進行了研究[7-9]，并采用裂紋尖端應力強度因子KI和材料斷裂韌度KIC作為判定鋼材斷裂的條件。其中，KI表示軋制載荷、裂紋幾何參數(shù)等使裂紋尖端承受載荷或變形的外在因素；KIC則反映材料成分、組織等內在因素抵抗裂紋擴展的能力[10-12]。當裂紋尖端應力強度因子KI達到材料斷裂韌度臨界值KIC(即KI≥KIC)時，裂紋將失穩(wěn)擴展，最終導致斷裂?；跀嗔蚜W現(xiàn)有成果[13]，采用斷裂韌度KIC表征取向硅鋼冷軋板材質特性，可以作為評定取向硅鋼冷加工性的理論依據(jù)。斷裂韌度與常規(guī)力學性能之間的關系[14]可表示為：
(1)
式中：KIC-D為韌性狀態(tài)下的斷裂韌度，MPa·mm1/2；n為加工硬化指數(shù)；E為彈性模量，MPa；σs為屈服強度，MPa；εf為臨界應變，mm；
(2)
式中：KIC-B為脆性狀態(tài)下的斷裂韌度，MPa·mm1/2；σc為材料斷裂強度，MPa；ρ0為裂紋尖端的曲率半徑，mm。
2.2 常化溫度對冷加工性的影響
表2為不同溫度?；娜∠蚬桎摾滠埌宓募庸び不笖?shù)。通過式(1)、式(2)對1號、2號試樣的斷裂韌度進行計算和加工性評定，結果如圖1所示，發(fā)現(xiàn)KIC值隨?；瘻囟鹊纳叨鴾p小。此外，KIC值隨冷軋板厚度減小而逐漸增加，前2道次斷裂韌度相對較小(加工性差)，易導致邊裂萌生及擴展。
圖1 不同溫度?；娜∠蚬桎摾滠埌宓臄嗔秧g度Fig.1 Fracture toughness of the cold-rolled oriented silicon steel plate normalized at different temperatures
表2 不同溫度?；娜∠蚬桎摾滠埌宓募庸び不笖?shù)Table 2 Work-hardening exponents of the cold-rolled oriented silicon steel plate normalized at different temperatures
圖2為不同溫度?；娜∠蚬桎摾滠埌宓娘@微組織，為鐵素體和珠光體。在軋制過程中，硬相珠光體和軟相鐵素體的不均勻塑性變形易引起應力集中而產生裂紋。此外，鋼板表層為完全再結晶的等軸晶粒，這種粗大等軸晶導致晶間結合強度降低，易造成冷軋板邊部裂紋的萌生或向內擴展。但在鋼板亞表層、心部大量纖維狀組織及細小未完全再結晶晶粒的阻礙作用下，表層裂紋不易向內擴展。對于?；瘻囟容^低的1號試樣，其平均晶粒尺寸及珠光體含量均小于2號試樣(如表3所示)，因此，1號試樣的斷裂韌度KIC值小于2號試樣，冷加工性更優(yōu)。
表3 不同溫度?；幚淼睦滠埌宓慕M織特征Table 3 Microstructure characteristics of the cold-rolled plate normalized at different temperatures
圖2 不同溫度?；娜∠蚬桎摾滠埌宓娘@微組織Fig.2 Microstructures of the cold-rolled oriented silicon steel plate normalized at different temperatures
圖3為不同溫度常化處理的冷軋板拉伸試樣的斷口形貌。可見，1號試樣斷口存在大量河流狀花紋，屬于典型的解理斷口。解理裂紋在鐵素體中擴展，遇到珠光體時受阻，發(fā)生轉折或繞過珠光體，中止于珠光體邊界[15]。裂紋擴展也受到鐵素體晶界的阻礙，越過晶界時裂紋擴展轉向另一解理面。2號試樣斷口特征主要為解理裂紋上分布著大小不一的微裂紋，軋制過程中這些微裂紋在應力作用下發(fā)生擴展，進而導致加工性降低。
圖3 不同溫度?；幚淼睦滠埌謇煸嚇拥臄嗫谛蚊睩ig.3 Micrographs of fracture of tensile samples of the cold-rolled plate normalized at different temperatures
2.3 常化開始冷卻溫度對冷加工性的影響
表4為?；^程中從不同溫度水冷的取向硅鋼冷軋板的加工硬化指數(shù)。隨著開始冷卻溫度的升高，斷裂韌度KIC值隨之減小。圖4為根據(jù)式(1)、式(2)計算的不同開始冷卻溫度下的斷裂韌度，發(fā)現(xiàn)3號和4號試樣的冷加工性差異隨著冷軋道次的增加略有增大。
表4 ?；^程中從不同溫度水冷的取向硅鋼冷軋板的加工硬化指數(shù)Table 4 Work hardening exponents of the cold-rolled oriented silicon steel plate water-cooled from different temperatures during normalizing
圖4 ?；^程中從不同溫度水冷的取向硅鋼冷軋板的斷裂韌度Fig.4 Fracture toughness of the cold-rolled oriented silicon steel plate water-cooled from different temperatures during normalizing
圖5為?；^程中從不同溫度水冷的取向硅鋼冷軋板的顯微組織。對比發(fā)現(xiàn)：4號試樣由于開始冷卻溫度較高，其平均晶粒尺寸大于3號試樣(見表5)，表層易產生微裂紋。3號試樣的亞表層和心部平均晶粒尺寸相對較小，由于細晶強化作用強度較高、表層裂紋不易向內擴展。此外，3號試樣的珠光體含量略低(見表5)，在冷軋過程中珠光體和鐵素體的不均勻塑性變形程度減小，因而不易產生應力集中而形成微裂紋。相應地，4號試樣表層晶粒粗大容易萌生裂紋，且由于晶界弱化及珠光體不均勻變形等因素的影響，其表面易產生裂紋并向內擴展，冷加工性相對較低。
表5 常化過程中從不同溫度水冷的取向硅鋼冷軋板的組織特征Table 5 Microstructure characteristics of the cold-rolled oriented siticon steel plate water-cooled from different temperatures during normalizing
圖5 ?；^程中從不同溫度水冷的取向硅鋼冷軋板的顯微組織Fig.5 Microstructures of the cold-rolled oriented siticon steel plate water-cooled from different temperatures during normalizing
圖6為?；^程中從不同溫度水冷的冷軋板拉伸試樣的斷口形貌。對比可見，兩種試樣的斷口形貌均具有解理斷裂特征。其中3號試樣的斷口河流狀花樣指向部分解理面，其原因為心部纖維狀組織發(fā)生回復且晶粒再結晶程度低，導致晶界結合強度降低，裂紋易沿晶界擴展。相比3號試樣，4號試樣的斷口微裂紋明顯較多，其原因為開始冷卻溫度升高，晶粒尺寸增大、珠光體含量增加，在應力集中和晶界弱化的共同作用下，易形成微裂紋并擴展。因此4號試樣的冷加工性低于3號試樣。
圖6 ?；^程中從不同溫度水冷的冷軋板拉伸試樣的斷口形貌Fig.6 Micrographs of fracture of tensile samples of the cold-rolled plate water-cooled from different temperatures during normalizing
3 結論
(1)結合取向硅鋼常規(guī)力學性能和斷裂韌度KIC值模型對取向硅鋼冷加工性進行表征，其結果符合取向硅鋼冷軋的實際情況，滿足快速評價取向硅鋼冷加工性的要求。
(2)隨著常化溫度及開始冷卻溫度的降低，取向硅鋼的斷裂韌度KIC值增加，冷加工性提高。
(3)取向硅鋼內部微裂紋是在細晶強化和軟、硬相的不均勻變形的共同作用下產生的；在心部纖維狀組織及細小晶粒的阻礙作用下，表層裂紋不易向內擴展。
(4) 取向硅鋼斷口均具有為解理斷裂特征，并存在微裂紋。這是粗大心部回復組織降低晶界結合強度形成裂紋，同時裂紋擴展受到珠光體或鐵素體阻礙而轉向另一解理面所致。
猜你喜歡
金屬熱處理(2022年9期)2022-10-21
山東冶金(2022年2期)2022-08-08
民生周刊(2022年16期)2022-08-03
航空制造技術(2022年5期)2022-07-15
中國電力(2022年2期)2022-03-02
內蒙古公路與運輸(2021年4期)2021-12-13
有色金屬科學與工程(2021年1期)2021-03-04
上海金屬(2020年4期)2020-08-25
科學技術與工程(2020年12期)2020-06-06
武漢科技大學學報(2019年4期)2019-07-04
