《控軋控冷》課件控軋控冷與熱模擬（第一部分+補(bǔ)充）

1、 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2/46RALNEU（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(gè)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(jiǎn)化條件，或代

2、用材料，用試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)代替原型的研究。例如，宇航員的太空環(huán)境模擬試驗(yàn)艙。（2）對(duì)材料和熱加工工藝來(lái)說(shuō)，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(guò)程中的受熱，或同時(shí)受熱與受力的物理過(guò)程，充分而精確地暴露與揭示材料或構(gòu)件在熱加工過(guò)程中的組織與性能變化規(guī)律，評(píng)定或預(yù)測(cè)材料在制備或熱加工時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)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(guò)程中進(jìn)行的試驗(yàn)，另一種為模擬完成后進(jìn)行的試驗(yàn)。RALNEU4/46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(píng)價(jià)工藝方案對(duì)材料性能或產(chǎn)品質(zhì)量的影響，多采用實(shí)驗(yàn)

3、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(shí)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(guò)程中變化的全面規(guī)律，更不可能探索更普遍的問(wèn)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(cè)某特定工藝下的結(jié)果，而且能顯示工藝過(guò)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。RALNEU5/46（二）模擬技術(shù)及試驗(yàn)裝置的發(fā)展概況6/46（1）1946年，美國(guó)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(guó)制造艦艇的需要，為了研究熔焊規(guī)范對(duì)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)

4、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(tái)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(guò)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)用以及測(cè)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RALNEU7/46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

5、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(guó)DSI公司）1979年研制RALNEU8/46 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)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(guò)程中的受熱或同時(shí)受熱及受力的物理過(guò)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

6、，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(guò)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型熱模擬試驗(yàn)機(jī)，用于研究小型試樣的快速膨脹過(guò)程。（5）與美國(guó)、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

7、試驗(yàn)裝置的發(fā)展概況12/46RALNEU模擬技術(shù)及試驗(yàn)裝置的發(fā)展概況RALNEU13/46（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(guò)程中的受熱或受力的物理過(guò)程；（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(píng)定或預(yù)測(cè)材料在制備或熱加工時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)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15/46RALNEU（1）什么是物理模擬：熱模擬試驗(yàn)中的物理模擬過(guò)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(guò)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

8、16/46RALNEU（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(guò)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、回熔加工硬化、軟化形變組織的動(dòng)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17/46RALNEU（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(guò)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RA

9、LNEU（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(guò)程模擬鍛造、連鑄半固態(tài)加工TMCP（軋制、鍛造、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(guò)程、熱裂紋敏感性評(píng)價(jià)、冷裂紋敏感性評(píng)價(jià)、淬硬脆斷傾向評(píng)價(jià)、焊接工工優(yōu)化 擴(kuò)散連接熱處理過(guò)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(guò)程（1）連鑄過(guò)程模擬（2）TMCP過(guò)程模擬（3）熱成形過(guò)程（4）焊接過(guò)程模擬（5）CCT/SHC

10、CT圖建立21/46RALNEU（1）連鑄過(guò)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12345678將裝有精煉好鋼水的鋼包運(yùn)至回轉(zhuǎn)臺(tái)，回轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)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(dòng)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(zhǎng)度的板坯。 22/46RALNEU 連鑄過(guò)程模擬（1）連鑄過(guò)程模擬鑄坯拉矯過(guò)程模擬23/46RALNEU 連鑄過(guò)程模擬（1）連鑄過(guò)程模擬鑄坯熱塑性試驗(yàn)連鑄坯生產(chǎn)過(guò)程中, 鋼液由結(jié)晶器冷

11、卻結(jié)成坯殼, 由二冷段繼續(xù)冷卻而凝固。在這一過(guò)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(shí), 才能保證鑄坯凝固時(shí)的質(zhì)量, 防止鑄坯表面和內(nèi)部產(chǎn)生裂紋。24/46RALNEU 連鑄過(guò)程模擬（2）TMCP過(guò)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25/46RALNEU 控軋控冷工藝（2）TMCP過(guò)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)26/46RALNEU 控軋控冷

12、工藝（2）TMCP過(guò)程模擬單軸壓縮多道次變形的實(shí)現(xiàn)-液壓楔系統(tǒng)27/46RALNEU 控軋控冷工藝（2）TMCP過(guò)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)28/46RALNEU 控軋控冷工藝（2）TMCP過(guò)程模擬多道次變形模擬的流變應(yīng)力曲線29/46RALNEU 控軋控冷工藝（2）TMCP過(guò)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30/46RALNEU 控軋控冷工藝（2）TMCP過(guò)程模擬TMCP后的力學(xué)性能測(cè)試31/46RALNEU 控軋控冷工藝（3）熱成形過(guò)程 (A) 熱塑性試驗(yàn)(B) 溫度梯度對(duì)熱塑性的影響(C)溫度梯度對(duì)斷面收

13、縮率的影響ABC32/46RALNEU 熱成形工藝（3）熱成形過(guò)程溫度梯度對(duì)高溫強(qiáng)度的影響33/46RALNEU 熱成形工藝（3）熱成形過(guò)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 displacement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)34/46RALNEU 熱成形工藝（4）焊接過(guò)程模擬1. 電弧焊焊接熱循環(huán)過(guò)程模擬2. 激光焊焊接熱循環(huán)過(guò)程模擬3. 熱裂紋敏感性評(píng)價(jià)4. 冷裂紋敏感性評(píng)價(jià)5. 脆斷傾向評(píng)價(jià)、焊

14、接工藝優(yōu)化35/46RALNEU 焊接工藝（4）焊接過(guò)程模擬 1. 電弧焊焊接熱循環(huán)過(guò)程模擬36/46RALNEU 熱成形工藝（4）焊接過(guò)程模擬 2. 激光焊焊接熱循環(huán)過(guò)程模擬37/46RALNEU 熱成形工藝（4）焊接過(guò)程模擬3. 熱裂紋敏感性評(píng)價(jià)38/46RALNEU 熱成形工藝（5）CCT/SHCCT圖建立39/46RALNEU 模擬工藝過(guò)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8mm15mm。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)

15、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(duì)某種試驗(yàn)?zāi)康?，如何進(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(gè)試驗(yàn)過(guò)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(lái)說(shuō)，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(shí)，對(duì)試樣進(jìn)行一定的壓縮變形。 40/46RALNEU 模擬工藝過(guò)程舉例（1）單道次壓縮實(shí)驗(yàn)-單道次應(yīng)力-應(yīng)變曲線 41/46RALNEU 模擬工

16、藝過(guò)程舉例（2）CCT曲線測(cè)定 動(dòng)態(tài)CCT采用壓縮試樣，壓縮卡具。選擇鎳鉻-鎳鋁熱電偶。動(dòng)態(tài)CCT實(shí)驗(yàn)采用單道次壓縮或多道次壓縮實(shí)驗(yàn)界面完成試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)取一組多個(gè)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(guò)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(shí)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(shí)，利用高靈敏徑向傳感器（C-Strain傳感器）測(cè)量試樣直徑的變化。具體參數(shù)輸入情況請(qǐng)參照單向壓縮實(shí)驗(yàn)。 繪制整個(gè)試驗(yàn)過(guò)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

17、間和結(jié)束點(diǎn)，記下這些點(diǎn)的溫度-時(shí)間坐標(biāo)。依次按照不同冷速對(duì)各個(gè)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-時(shí)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(lái)研究測(cè)定動(dòng)態(tài)CCT曲線。 42/46RALNEU 模擬工藝過(guò)程舉例（2）CCT曲線測(cè)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(guò)程中的熱膨脹曲線，進(jìn)行動(dòng)態(tài)CCT曲線測(cè)

18、定。43/46RALNEU 模擬工藝過(guò)程舉例（2）CCT曲線測(cè)定 44/46RALNEU 模擬工藝過(guò)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(7501300)，保溫30s，以應(yīng)變速率2.5S-1，拉伸至斷后空冷。冷卻后測(cè)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(shí)，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(shí)，很難保證其內(nèi)部組織均勻，其內(nèi)部各晶粒，甚至一個(gè)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(guò)20%30%。 45/46RALNEU 模擬工藝過(guò)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/MPa75077.0259.580081.5225.985077.9212.