轧制变形与工艺基础

第一节轧制变形基本原理1、金属的塑性变形与弹性变形1.1影响金属热塑性变形的主要因素影响金属热塑性变形的因素，有金属本身内部因素和加热等外部条件。1)钢中存在碳及其他合金元素，使钢的高温组织，除有奥氏体外，还有其他过剩相。这些过剩相降低钢的塑性。钢中的杂质也是影响金属热塑性变形的内在因素，钢中的硫能使钢产生热脆。2）影响热轧时塑性变形的外部条件有加热介质和加热工艺，对碳钢而言，当变形条件相同时，变形金属的化学成分及组织结构不同，温度对塑性的影响也不同，如图1-2-1。图中I、II、III、IV表示塑性降低区域（凹谷）；1、2、3表示塑性增高区域（凸峰）。I区中钢的塑性很低；II区（200-400℃）——“蓝脆”区中，钢的强度高而塑性低；III区（850-950℃）——相变温度区又称“热脆”区，钢通常一个相塑性好，另一个相塑性较差；IV区接近于钢的熔化温度，钢在该区加热时易发生过热或过烧，这时钢塑性最低。所以，碳素钢热加工时的最有利的温度范围是1000-1250℃。对合金钢而言，加热介质尤为重要。镍含量达2-3%以上的合金钢，在含硫气氛中加热时，硫会扩散到金属中，并在晶界上形成低熔点的Ni3S2化合物，因而降低了金属的塑性。含铜超过0.6%的钢，有时甚至是含铜0.2-0.3%的钢，如在强氧化气氛中较长时间的高温加热时，由于选择性氧化的结果，在钢的表面氧化铁皮下会富集一薄层熔点低于1100℃的富铜合金，这层合金在1100℃时熔化并侵蚀钢的表面层，使钢在热轧加工时开裂。3）热轧温度选择不合适，也会给金属带来不良的影响。当终轧温度过高时，往往会造成金属的晶粒粗大；若终轧温度过低时，又会造成晶粒沿加工方向伸长的组织，并有一定的加工硬化。在这两种情况下，金属的性能都会变坏。所以，合理控制金属的热轧温度范围，对获得所需要的金属组织和性能，具有重要意义。1.2金属的弹性变形金属晶格在受力时发生歪扭或拉长，当外力未超过原子之间的结合力时，去掉外力之后晶格便会由变形的状态恢复到原始状态，也就是说未超过金属本身弹性极限的变形叫金属的弹性变形。多晶体发生弹性变形时，各个晶粒的受力状态是不均匀的。2、轧制过程图1-2-1碳素钢塑性曲线2.1轧制过程基本概念轧制过程是轧件由摩擦力拉进旋转轧辊之间，受到压缩进行弹性变形的过程，通过轧制使金属具有一定的尺寸、形状和性能。2.2咬入条件轧制过程的咬入条件为摩擦角β大于咬入角α。如图1-2-2所示，轧制时轧件与轧辊表面接触的弧线叫咬入弧。咬入弧所对的圆心角称作咬入角。咬入角由压下量决定。在实际生产中不同条件下允许的最大咬入角不同，咬入角的大小与轧辊表面状态、轧制温度以及轧辊转速等因素有关，即与轧辊、轧件间的摩擦系数有关。当咬入角大于允许的最大咬入角时，轧件不能咬入。当咬入角小于或等于允许最大咬入角时轧件才能咬入。当轧件线速度为1.5-2.5m/s时，其允许的最大咬入角为15º-24º。1）轧件咬入与摩擦力的关系当轧件与轧辊接触时，轧件以力P作用在轧辊上，而每个轧辊以大小相等，方向相反的力P作用于金属上。同时，由于轧件与轧辊运动时相互接触，所以在轧件与轧辊之间产生摩擦力F。F在水平方向有一分力Fx，靠水平分力Fx将轧件拉入轧辊（如图1-2-3）,称Fx为拉入力。轧辊对轧件的压力P的水平分力为Px，其方向与Fx相反，阻碍轧件进入轧辊，称Px为推入力。当拉入力Fx等于或小于推出力Px时，即Fx≤Px时，轧件不能进入轧辊。只有在拉入力Fx大于推出力Px的条件下，轧件才能被拉入轧辊，实现正常咬入。由上可知，轧件与轧辊的接触摩擦力的大小决定了轧件能否咬入轧辊。摩擦系数f为：PFftanf图1-2-2轧件在轧辊间的变形图1—轧辊；2—轧件；3—接触弧；4—咬入角图1-2-3轧辊咬入轧件1—轧辊；2—轧件式中β——轧辊与轧件的摩擦角。上式两式说明，只有当轧辊与轧件之间的摩擦系数大于摩擦角的正切值，或摩擦角大于咬入角（β＞α）时，轧件才能被轧辊咬入。2）咬入角的计算计算公式：)1(cos1Dh式中α——咬入角；Δh——压下量，mm；D——轧辊工作直径，mm。也可用近似公式计算：式中R——轧辊工作半径，mm。2）摩擦角的计算f=tanβ式中β——摩擦角；f——摩擦系数，TFf，式中：F为摩擦力,N；P为正压力,N。摩擦系数的大小与轧制温度、轧辊材质和轧辊表面状态等因素有关。轧钢生产中的摩擦系数一般根据下面的经验公式计算：对钢轧辊：f=1.05-0.0005t轧-0.056ν对铁轧辊：f=0.94-0.0005t轧-0.056ν式中f——摩擦系数；t轧——轧制温度，℃；ν——轧制速度，m/s。计算出摩擦系数后，查三角函数表便可求得摩擦角。2.3改善咬入条件的措施咬入角和摩擦系数是影响轧辊咬入轧件的两个因素。当摩擦系数一定时，为了使轧件易于咬入，必须减少咬入角。减少咬入角的方法有以下两种：1）当压下量一定时，增加轧辊直径；2）当轧辊直径一定时，减小压下量。但是轧机确定后，轧辊直径一般改变不大，而减少压下量又对提高生产率不利，为了解决这一矛盾，常采用以下几种措施：a)降低咬入时的轧制速度，增加摩擦系数。RhRh32.57180b)增加轧辊粗糙度，从而增加摩擦系数。c)利用冲击力改善咬入条件2.4变形区的主要参数2.4.变形区长度轧制时从轧件与轧辊接触开始至轧件离开轧辊的一段区域称为变形区。如图所以，下接触面abcd与上接触面ABCD之间的区域称为变形区。接触面ABCD（abcd）水平投影的长度称为变形区长度。如图1-2-4。变形区长度计算公式：42hhRl如果忽略42h，则hRl式中l——变形区长度；R——工作辊半径；Δh——绝对压下量。2.4.2绝对变形量hHhHhLLLHhBBB式中：Δh、ΔL、ΔB——绝对压下量、延伸量、宽展量；h、H——轧件轧后、轧前高度；hL、HL——轧件轧后、轧前长度；hB、HB——轧件轧后、轧前宽度。2.4.3相对压下量HhHε式中：ε——相对压下率；H——轧前厚度；H——轧后高度。图1-2-4轧制变形区示意图a—轧制时纵向变形示意图；b—轧制时横向变形示意图1—轧辊；2—轧件；ABCD—上接触面积；abcd—下接触面积；l—变形区长度；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ—变形区内金属流动方向2.4.4延伸系数轧制后的轧件长度与轧制前的轧件长度之比叫延伸系数。Ll式中——延伸系数。延伸系数也可以用轧制前、后轧件的横截面面积之比表示，有时把这个面积之比叫做压缩比，用它来衡量轧件的变形程度。式中0S——轧制前轧件的断面面积；1S——轧制后轧件的断面面积。当轧件宽带材和板材时，宽展量可略去不计，即轧制前后轧件的宽度相等（B=b），这时的延伸系数就等于轧制前后轧件高度的比值（压下系数）：hH总延伸系数计算公式：0Llx总式中总——总延伸系数计算公式；xl——轧件最终长度，mm；0L——轧件原始长度，mm。总延伸系数等于各道次延伸系数的乘积，即x......321总式中x......321——各相应道次的延伸系数。2.4.5变形速度变形速度以轧件通过变形区单位时间的相对压下量来表示，其计算公式为：变lhHh)(2式中——变形速度，1/s；△h——变形量，mm；——轧制速度，mm/s；H——轧前厚度，mm；h——轧后厚度，mm；变l——变形区长度，mm。10SS变形速度对金属的变形抗力及塑性都有影响。当变形程度一定时，在热加工温度范围内，随着变形速度的增加，变形抗力有比较明显的增加。2.5轧制过程中的宽展2.5.1宽展的概念轧制时轧件的高度减小，被压下的金属在长度方向上延伸外，还有一部分金属沿横向流动，使轧件的宽度发生变化，这种横向变形叫宽展。轧件在轧制前后的宽度差叫宽展量。2.5.1宽展的种类1）自由宽展在平辊上或在沿宽度方向上有很大富裕空间的扁平孔型内轧制矩形或扁平形断面轧件时，在宽度方向上金属流动不受孔型侧壁限制，可以自由地宽展，此时轧件宽度的增加叫自由宽度。2）限制宽展当轧件在孔型内轧制时，轧件不能自由地展宽，宽展量比自由宽展少。宽展量甚至可以变成负数（即轧后宽度比轧前宽度小）。这类宽展叫限制宽展。3）强迫宽展轧制过程中迫使金属大量地向宽度方向流动，造成轧件宽度有很大的增加，轧件获得较大的宽展，这种宽展就叫做强迫宽展。2.5.2影响宽展的因素1）压下量的影响压下量是影响宽展的主要因素，压下量越大宽展量越大。2）轧辊直径对宽展的影响在其他条件不变的情况下，随着轧辊直径的增加，变形区长度增加，宽展值相应增大。3）轧件宽度对宽展的影响随着轧件宽度的增加，变形区的金属在横向流动的阻力增加，导致宽展量减小。4）轧辊工作表面对宽展的影响轧辊表面越粗糙，摩擦系数越大，轧件的宽展量越大。5）轧制速度与温度对宽展的影响当轧制速度超过2m/s时，轧制速度越高，摩擦系数越低；轧制温度越高，摩擦系数越低，从而轧件宽展量减小。2.5.3宽展系数宽展量与压下量的比值叫做宽展系数。用下式表示：hbc式中c——宽展系数；b——宽展量，mm；h——压下量，mm。2.6轧制过程的前滑和后滑在轧制变形中金属与轧辊间有相对运动，存在着金属相对于轧辊向后流动的后滑区和相对于轧辊向前流动的前滑区。在变形区内靠近轧辊的出口处，金属的纵向流动速度大于轧辊在该处的线速度，这种现象称为前滑。在变形区内靠近轧辊的入口处，金属的纵向流动速度小于轧辊在该处的线速度，这种现象称为后滑。设轧件的出口速度为ν出口，轧辊的圆周速度为ν辊，则前滑值S前滑就是其速度差的相对值，用下式表示：%100S辊辊出口前滑轧制时前滑值通常按3-6%考虑。3、轧制压力3.1轧制压力的概念轧制压力是轧件变形时金属作用在轧辊上的垂直于接触面积水平投影的力。如图1-2-5所示。变形区内单位面积上的轧制压力称为单位压力。单位压力由两部分组成，一部分是克服轧件内部滑移阻力所需要的力，以K表示，称为钢的变形抗力试验证明，单位压力在变形区内的分布是不均匀的。一般在变形区进、出口处的单位压力较小，在变形区内某一中间位置的单位压力最大。单位压力在变形区内的这种分布不均匀性，造成轧制压力计算十分困难。因此，在实际生产中常用平均单位压力进行计算。为了得到较准确的数据，采用测定的方法得到轧制压力。3.2影响轧制压力的因素影响轧制压力的主要因素有：1）绝对压下量在轧辊直径和摩擦系数相同的条件下，随着绝对压下量的增加，轧件与轧辊的接触面积加大，轧制压力增加，同时接触弧长增加，外摩擦的影响加剧，平均单位压力增加，轧制压力也随着增大。2）轧辊直径在其他条件一定时，随着轧辊直径的加大，接触面积增加，同时接触弧长增加，外摩擦的影响加剧。因而轧制压力增大。3）轧件宽度随着轧件宽度的增加，接触面积增加，轧制压力增大。4）轧件厚度随着轧件厚度的增加，轧制压力减小；反之，轧件越薄，轧制压力越大。5）轧制温度随着轧制温度的升高，变形抗力降低，平均单位压力降低，轧制压力减小。6）摩擦系数随着摩擦系数的增加，外摩擦影响加大，平均单位压力增加，轧制压力增加，轧制压力增大。7）轧件的化学成分在相同条件下，轧件的化学成分不同，金属的内部组织和性能不同，轧制压力也不同。8）轧制速度随着轧制速度的增加，变形抗力增加，轧制压力增加。图1-2-5轧制时的轧制压力4、轧制时的弹塑性曲线4.1轧件的塑性曲线用图标表示轧制压力与厚度的关系叫塑性曲线，如图所示，纵坐标表示轧制压力，横坐标表示厚度。如图1-2-6所示，当变形抗力越大时，曲线2越陡。在同样轧制压力下，所轧成的轧件厚度要厚一些。同样，摩擦系数越大，压力越大，轧件厚度越大。张力对厚度的影响却相反，当张力越小，曲线2越陡，厚度越厚。4.2轧机的弹性曲线在轧制压力作用下轧机（轧辊、机架、轴承）产生弹性压扁和弯曲，把它相加起来就构成轧辊的弹性变形，表示轧机弹性变形和压力的关系的曲线叫轧辊的弹性曲线，如图所示。理论上弹性曲线是一条直线；实际上在最初有一弯曲阶段。所以精轧要压1