武汉科技大学

表2.1WDL610钢的化学成分(质量分数,%)实验试样为Ф8mm×12mm的圆柱体,如图2.1所示,试样以10℃/s的加热速度将试样加热到变形温度,保温5min开始变形。变形温度范围为400℃~750℃,应变速率分别为0.01s-1和0.1s-1,真应变为0.69,变形结束后立即淬火保留组织。图2.1热模拟实验过程示意图2.4实验结果与分析(a)应变速率0.01s-1;(b)应变速率0.1s-1图2.2变形温度对流动应力的影响(a)变形温度450℃;(b)变形温度650℃图2.3变形速率对流动应力的影响WDL610钢在不同变形条件下的应力-应变曲线如图2.2和图2.3所示,其他条件一定时,随温度升高流动应力逐渐减小,峰值应力与其相对应的峰值应变也减小[59,60],因为随着变形温度的升高,热振动时金属原子的振幅增大,滑移阻力将减小,新的滑移不断产生,同时增加了晶间黏性流动和非晶扩散机理,使流动应力进一步减小。当应变大于0.075时,变形速率对流动应力的影响较大,随变形速率增加流动应力逐渐增大,峰值应力及其对应的峰值应变增加,这是因为变形速率较高时,加工硬化作用明显,而软化机理来不及起作用促使流动应力变大,变形温度对再结晶的影响大于变形速率的影响[58]。图2.3(a)中应力-应变曲线在应变不超过0.6、变形温度在450℃时,应力-应变曲线基本属于动态回复型,流变应力达到峰值后加工硬化和动态回复基本达到平衡。图2.3(b)中应力-应变曲线变形温度在650℃时,应力-应变曲线基本属于动态再结晶型,当变形量达到动态再结晶的临界应变量后,累积的位错能和热能满足动态再结晶所需的能量,导致部分晶粒开始发生动态再结晶,应力从而随变形增加速度变慢。变形继续,随着动态再结晶晶粒的增多,应力到达峰值后开始下降,但未见稳态应力平台出现,属于部分动态再结晶过程[44]。2.5低温流动应力模型的建立2.5.1热变形激活能的确定由于温度和应变速率在热变形过程中对流动应力的影响很大。不同热加工数据表明,热变形激活能可用下列几式.确定[55,61,62]:式中,A,α,n—与钢种有关的材料常数,α变化很小,取值为0.012;Q-热变形激活能,kJ/mol;-气体常数,取值为8.314J/(mol.K);T-温度,K。由式2.1)和式2.2得:当温度一定时,当应变速率一定时,利用实验数据得到的相关参数见表2.2表2.2WDL610钢不同条件下的参数分别对数据进行线性回归,作出、的关系曲线图,如图2.4(a)、(b)。图2.4(a)和(b)关系曲线如图2.4(a)、(b),利用实验数据,通过计算得出n值约为4.08、b值约为11.7、热变形激活能Q为397.01kJ/mol。2.5.2流动应力模型的确定热变形过程中的金属或合金的流动应力取决因素很多,本文通过对WDL610钢低温流动应力的研究,在变形两个阶段分别建立模型。根据再结晶特征一般可将其流动应力曲线分为两个阶段,第一个阶段为加工硬化-动态回复阶段,第二个阶段为动态再结晶阶段。(1)加工硬化-动态回复阶段在金属发生热变形开始时期,加工过程增加的位错密度和动态回复导致位错密度的降低共同决定材料内部位错密度的增加,可以用下式[55,61]表示:式中,ρ-位错密度;-应变;U-加工硬化;Ω-动态回复产生的软化量。同时引入应力-位错关系[9],即可得到:式中,-加工硬化-动态回复阶段的流动应力,MPa;-峰值应力,MPa;-初始应力,MPa;εc-发生动态再结晶时的临界应变。(2)动态再结晶阶段材料内部开始发生动态再结晶时,其应变开始大于临界应变。可用下式[55]描述动态再结晶动力学:式中,-动态再结晶体积分数;和为材料相关常数,为定值-峰值应变。应力参数与动态再结晶体积分数之间的关系又可以用下式表示:式中,-饱和应力(假设动态再结晶没有发生,变形过程中材料内部动态回复机制和加工硬化相互作用最终达到平衡,流动应力曲线将趋于饱和,这个极值应力就成为饱和应力),MPa;-稳态应力,MPa;;-瞬时流动应力,MPa。结合式2.7和式2.8,则有:2.5.3流动应力模型参数的确定大量研究结果[47,55,61,63]表明初始晶粒相同条件下,峰值应力,初始应力,饱和应力,稳态应力和动态回复产生的软化量Ω均可表示为Z的函数。临界应变通常为的0.65~0.95倍,本文取=0.83。通过实验结果分析和流动应力参数的计算方法,分别回归得到=2.08,=2.81,WDL610钢低温变形流动应力模型中各参数的计算结果如下:2.6模型预测与分析(a)应变速率0.1s-1;(b)应变速率0.01s-1图2.5模型实测值与预测值比较图2.5(a)、(b)给出了WDL610钢低温区应力-应变曲线的预测值与实测值的比较,可以说明本模型计算的应力-应变曲线与实测值误差较小,能够较准确地反映WDL610钢低温热变形过程中的动态回复-加工硬化与动态再结晶应力-应变曲线的变化规律,可以通过这一模型很好的确定中厚板低温矫直过程中的工艺参数和进一步改善材料的力学性能,以便更好的根据材料性能要求来设定变形条件。2.7本章小结本章详细论述金属流动应力的影响因素,以WDL610高强度压力容器为研究对象,给出其完整流动应力模型,为矫直力能参数计算提供依据。(1)在实验的基础上,分析了变形条件对WDL610钢低温区流变应力的影响,建立了描述低温区各特征应力、特征应变与Z参数关系的数学模型;(2)通过回归计算,确定了WDL610钢低温热变形的应力指数n及热变形激活能Q分别为4.08和397.01kJ/mol;(3)根据WDL610钢低温流动应力曲线特征,分别建立了低温区加工硬化-动态回复和动态再结晶流变应力模型,模型预测值与实验值吻合较好。目前在中厚板生产中,压力矫直机一般适用于矫直大截面且曲率变化不大的加工件。针对原始曲率很大且曲率方向变化频繁的加工件通常采用连续式辊式矫直机矫直。大多数情况下,钢板的原始曲率大小和方向都是不确定的,因此属于具有原始曲率轧件多值的矫直问题[6]。采用的一般矫直原理是:采用逐步递减压下量的矫直方法,加工件经过交替配置的多个矫直辊,使之经受多次反复弯曲,最终达到将其矫平。而板材通常是采用辊式矫直机进行矫直,并分为两种:冷矫和热矫。因为中厚板的规格、尺寸以及材质的不同,所以需要的反弯次数也都不同。辊式矫直机的辊数也不相同,一般中厚板矫直机辊数主要为5~13个,其中5~9辊的矫直机常用于中厚板矫直。按照每个矫直辊使加工件产生变形程度的大小可分为小变形方案和大变形方案[9]。(1)小变形方案图3.1小变形矫直方案时各矫直辊上金属材料断面变形和应力分布图该方案的矫直原理是:假设上排各个矫直辊都能够单独调整压下量,进入该辊的加工件经过反弯和弹复后,用以消除加工件在前一辊上产生的最大原始曲率,从而达到消除该辊最大残余曲率的目的。如图3.1所示,原始曲率为0~±的加工件采用小变形方案矫直的曲率变化过程。为简化矫直模型,假设该加工件的厚度为2,则=1,因此可推导出表层应变为:ε=+,该加工件为-曲率的部位在2号辊上经过第一次反弯,此时的反弯曲率为。这时,截面OC旋转到1C的部位。但加工件离开2号辊时,1C截面经弹性回复后,最后回复到C2的垂直位置,该位置得到矫直。因此经过2号矫直辊后,最大原始曲率-基本得以消除。则压缩和拉伸残余应力对点C的力矩相等,即。最大原始曲率+的位置经过2号矫直辊时曲率不发生改变。而经过反弯曲率的3号矫直辊时,经过回弹时该部位得到平直,因此最大原始曲率+能够完全消除。之前被矫直的部位经过3号矫直辊经受反弯曲率,经过回弹后,截面从C2回弹到C的位置,则该位置离开3号矫直辊后的残余曲率为-。然后工件经过4号矫直辊时,其最大残余曲率-经过反弯和弹复最终得到消除,之前被矫直的部位经过4号矫直辊后残余曲率为+。加工件再经过5号矫直辊时,最大残余曲率+得以消除,但又产生新的残余曲率-。继续反复这个过程,工件的残余曲率越来越小,最终得到完全矫直。总而言之,在小变形方案中,加工件每经过一个矫直辊时,其残余曲率越来越小,即。(2)大变形矫直方案加工件在多值原始曲率的条件下,弯曲变形总曲率愈大,则弹复曲率的差值将愈小,最终弹复后加工件的残余曲率变化值愈小。根据这个特点,可以在2、3辊上采用很大的反弯曲率,使加工件各个部分的总弯曲变形总曲率值达到最大,则弹复曲率可以接近于同方向的某一个数值,这样就可以使残余曲率的不均匀性较快地减小。到第四矫直辊后,加工件的反弯曲率逐渐减小。然后经过这样几次反弯,加工件趋于平直。这种矫直方案为大变形矫直方案。图3.2大变形矫直方案时各矫直辊上金属材料断面变形和应力分布图利用大变形方案矫直加工件时,其断面应力与变形如图。由图3.2可以看出,当不同原始曲率经过2、3号矫直辊时,加工件会经受很大的反弯变形。弹复后的残余曲率的差值在线段2~处变小。据此特点可以采用较少的矫直辊便能得到理想的矫直效果,并且还能提高效率。大变形矫直方案对于加工硬化严重和大截面加工件,该方案会增大材料内部残余应力和增加能量消耗[9,16]。由于生产中材料的原始曲率难以精确给出,因此大多数情况下采用大变形矫直方案。3.2弹塑性弯曲基本理论3.2.1弹塑性变形过程中的曲率从拉伸实验图3.3中σ-ε关系可知,金属在载荷作用下变形分为弹性变形和塑性变形两个阶段。当加载不超过A点时,变形为弹性变形,卸载后弹性变形将完全恢复,此时应力与应变遵循着一定的线性关系,即胡克定律[9]:式中σ-应力;E-弹性模量;ε-应变。图3.3金属材料拉伸曲线加载超过A点后,金属的变形进入塑性变形阶段。若加载到B点后卸载,保留下来的永久变形为O,而有一部分变形恢复了。值得注意的是弹性恢复过程中的应力和变形仍然能够保持一样的线性关系,即σ=E。金属的变形进入塑性变形阶段后,任意变形瞬间的总变形中都包含着弹性变形和塑性变形两部分。卸载后弹性变形的恢复是金属在变形过程积蓄变形势能作用的结果。图3.4加工件弯曲变形纵向纤维图在弯曲力矩M的作用下,中性层上下的纵向纤维分别受到拉伸和压缩,见图3.4。和拉伸实验条件相同,弯曲时若加工件表层的最大应力小于或等于材料的屈服极限,各层纵向纤维都处于弹性变形状态。外负荷去除后,弯曲变形能够全部恢复。这种弯曲变形属于弹性弯曲。随着矫直力矩的增大,加工件内部各层纤维受力产生变形。当外负荷增加到一定数值,加工件表面应力超过屈服极限时,将出现塑性变形。此时去除外负荷后,将有部分弯曲变形弹性恢复,该弯曲变形就称为弹性弯曲变形,而保留部分永久变形为塑性变形。弹、塑性变形阶段的任意变形瞬间,也同样是弹性变形和塑性变形共存状态。(a)(b)图3.5应力-应变示意图(a)弹塑性弯曲;(b)纯弹性弯曲;(c)纯塑性弯曲图3.6理想材料弹塑性应力-应变示意图为了工程上求解塑性问题,一些文献[9,16]中给出了简化的应力-应变关系模型。这些模型基本上分为两类:理想弹塑性模型和线性关系模型,如图3.5所示。线性关系模型与实际的应力-应变关系比较接近,不仅简单而且可行;当材料的加工硬化很弱时,采用理想弹塑性模型更为简单。按照理想弹塑性模型,弯曲变形时加工件截面上的应力-应变分布如图3.6所示。曲率是用于衡量物体弯曲程度的物理量。若某物体弯曲半径为r。它的曲率为C=。矫直时,与加工件弯曲变形过程有关的曲率如图3.7所示。(a)弹塑性弯曲阶段(b)弹性恢复阶段图3.7弹塑性弯曲时曲率变化示意图(1)原始曲率。加工件在矫直弯曲前所具有的曲率称为原始曲率,以b表示,其中为加工件原始曲率半径。曲率的方向一般用正负号表示,+表示凸度向上的弯曲曲率;-表示凸度向下的弯曲曲率;=0时表示加工件是平直的。(2)反弯曲率。在弯曲力矩M的作用下,将原始曲率为的加工件反方向弯曲后,超过平直时加工件所具有的反向弯曲的曲率称为反弯曲率,以表示。反弯曲率值是加工件是否能矫直的关键因素。(3)弹复曲率。当去除外负荷后,在弯曲变形时积蓄的弹性变形能的作用下,加工件弯曲变形将部分恢复。加工件弯曲