不锈钢棒材应变不均匀对两相微观结构演变的影响.pdf

实验研究不锈钢棒材应变不均匀对两相微观结构演变的影响叶沐曦 帅美荣 王建梅 田 奇(.太原科技大学 高端重型机械装备研究院 山西 太原(.山西太钢不锈钢股份有限公司 山西 太原)摘 要:双相不锈钢热轧制备过程中应力应变分配不均 导致奥氏体相和铁素体相软化、相变竞争激烈 组织结构演变和性能调控复杂 以热轧 双相不锈钢棒材为研究对象 采用有限元仿真技术对 棒材 道次热连轧过程进行三维热力耦合模拟 结果表明 棒材横截面上特征区域的应变与温度变化分布极不均匀 中心金属温度最高且塑性应变最大 对棒材不同特征区域的微观分析表明 在棒材表面和内部 两相体积占比不均匀且晶粒动态再结晶不协调 棒材表面 相变占据主导 然而在棒材内部区域 在高温高应变速率工况下 发生 逆相变 因此通过控制轧制工艺改善不锈钢两相协调变形行为 从而全面提升棒材力学性能关键词:双相不锈钢 应变不均匀 温度梯度 相转变中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):.:收稿日期:修订日期:基金项目:山西省先进钢铁材料重点科技创新平台建设项目()山西省重点研发计划()作者简介:叶沐曦()男 硕士研究生 主要研究方向:不锈钢棒材连轧技术通信作者:帅美荣()女 博士 教授 主要研究方向:金属塑性变形理论与技术 前言双相不锈钢具有 双相组织结构 兼有铁素体和奥氏体的双重特性 是一类高强度与高耐蚀性匹配良好的不锈钢 这类金属材料的重 型 机 械 性能随两相比例不同发生显著变化 当铁素体相比例高时 具有明显的 脆性 中、高温脆性及热导率高 线膨胀系数小等特性 反之 当奥氏体相比例高时 室温韧性提升 耐晶间腐蚀和焊接性能显著改善 近年来 双相不锈钢已广泛用于石油化工、海洋运输、深海炼油等高端领域制备压力容器、输送管道以及高强结构件等现代化轧制棒材生产速度很高 变形速率大多介于 之间 在连轧棒材制备过程中轧件内外表面温度梯度大 变形程度以及应变速率不均匀 导致两相软化 相变竞争激烈 组织结构演变和性能调控复杂 理清不同变形条件下两相回复再结晶软化机制、应变配分及两相比例变化 对于正确制定优化轧制工艺参数具有重要意义 因此 本文采用有限元模拟技术对 双相不锈钢热连轧过程进行仿真 旨在探索连轧过程中各道次轧件不同特征区域的温度、应力应变演化规律 对连轧后棒材不同特征区域进行微观结构分析 阐明双相不锈钢轧制变形参数与微观结构演变的内在联系 为不锈钢轧制形性一体化调控提供理论基础 棒材连轧有限元模型构建不锈钢材质:双相不锈钢 成分含量如表 所示 坯料规格:圆棒 采用“椭圆 圆”孔型系统 经 道次轧制为 棒材 各 道 次 延 伸 系 数 分 别 为 、图 所示为 双相不锈钢高温流变应力曲线表 双相不锈钢各元素质量分数元素质量分数/余量图 双相不锈钢高温流变应力曲线 金属热轧过程中 轧辊的弹性变形很小 对轧件塑性变形的影响也甚小 故轧辊定义为恒温刚性体 轧件定义为变形体 变形体网格类型为:八结点热耦合六面体单元 划分网格共计 个 轧件开轧温度 环境温度 定义高温轧件与低温轧辊间的接触为面接触 接触换热系数与接触面积、界面温度、介质材料等因素密切有关 一般设为 /()轧件与周围空气发生对流热交换系数为 /()热功转换系数设置为 摩擦类型为剪切摩擦 摩擦因子 材料屈服准则为 准则 金属流动遵循的是 流动准则 棒材 道次连轧有限元模型如图 所示图 棒材 道次连轧有限元模型 模拟结果分析与讨论 等效应变场分析从图 中可以看出 各道次连轧过程中 轧件内部等效塑性应变分布是不均匀的 在开始轧制阶段 即轧制第一道次和第二道次 由于变形温度高 且道次变形量大 棒材的变形已经由表层渗入到心部 此时表面和心部金属的应变差异 重 型 机 械并不明显 随着轧制继续进行 尤其在第三道次 从轧件的表面到中心 等效塑性应变差异显著增大 中心最大值为 表面最小值为 二者相差约 这主要是由于轧辊与轧件的热传导效应导致轧件表面与中心存在较大温度梯度 心部温度高 变形抗力小 因此心部金属更容易发生变形 造成表面及中心变形不协调 二者之间会产生拉应力 不利于轧坯内部裂纹孔洞等缺陷的闭合 改善方法之一就是提高开轧温度 降低棒材横断面上的温度梯度 且适当加大道次变形量 迫使表面及中心金属的塑性变形大且基本相当图 热轧棒材 道次等效应变场 温度场分析轧件的温度场分布是影响金属及合金微观结构及力学性能优劣的重要因素 为了深入分析轧件在稳定轧制过程中任意横截面的温度场分布规律 在轧件边缘(质点)/处(质点)及中心位置(质点)选点进行对比分析如图 所示为连轧过程中各质点温度随轧制时间的变化曲线 边缘质点 的温度呈现起伏状变化 温度最低降至约 此时该点处于轧辊与轧件接触区 均出现在椭圆孔型奇数轧制道次 在连轧道次间隙 由于轧件内部热源提供热量 边缘质点 的温度大幅升高质点 和 的温度变化基本相当 在整个轧制过程中 由于其塑性变形热导致温度保持升高状态 轧制结束后 轧件横断面温度梯度高达约 可见 对于双相不锈钢轧制而言 沿变形体横断面存在较大的温度梯度和金属流动变形差异 导致金属变形抗力、应变速率以及塑性变形量等金属内在性能和变形工况都存在较大差异使得双相不锈钢中铁素体和奥氏体承担不同程度的应力应变配分 再结晶软化以及两相占比严重不均匀 从而影响棒材内部缺陷的修复以及产品组织性能的调控图 棒材热连轧特殊质点位置及温度变化 热轧棒材微观结构分析 不同变形区域相组成分析将 的 不锈钢连铸坯开坯制成 的轧坯 然后经 道次“椭圆 圆”孔型连续轧制成 的棒材 参照图 在棒材横断面上任意选取三个特征区域 即边缘质点 区域 中心质点 区域/质点 区域通过分析各区域微观结构的变化 阐明变形不均匀对两相晶粒细化以及两相转变的影响机理图 所示为 轧坯、棒材不同区域两相微观形貌 灰色为铁素体相 黑色为奥氏体相 奥氏体相呈岛状分布在铁素体相中 轧坯不同区域奥氏体形貌变化显著 且在边缘 区域、/质点 区域以及中心区域重 型 机 械 奥氏体相占比依次约为:、和 经过 道次轧制后 奥氏体晶粒明显碎化且奥氏体相占比依次约为:、和 在棒材表面区域温度较低()此时 相变占据主导 导致两相占比仍然悬殊 在中心区域 两相占比逐渐趋于均匀 且从图 中明显看出在中心区域奥氏体相析出了少量的铁素体 王月香等研究结果也表明 在高应变速率下 双相不锈钢变形所需的应力水平升高 奥氏体的变形量、形变储能在奥氏体相中的存储量增加 导致奥氏体相变形容易开动 发生 逆相变的驱动力也就越大 越有利于 相变的进行 本文中轧制速率大于 说明棒材轧制过程中 已经发生了奥氏体 向铁素体 的转变 有利于提高不锈钢的热塑性图 和 棒材两相微观形貌 不同变形区域两相动态再结晶图 所示为 棒材不同区域两相动态再结晶统计图 边缘区域 铁素体和奥氏体动态再结晶分别为 和 /区域 两相动态再结晶分别为 和 中心区域 两相动态再结晶分别为 和 说明棒材中心高温区域 累计应变大的地方 铁素体和奥氏体都发生了较高程度软化 两相应变配分比较均匀 可见低温难以促使铁素体和奥氏体发生协同匹配的再结晶效应图 棒材不同区域晶粒动态再结晶统计 结论()双相不锈钢棒材在热连轧过程中大塑性变形导致应变已经渗透至金属内部 有利于抑制棒材心部缺陷的生成与发展 然而 轧件横截面存在较大温度梯度 导致铁素体和奥氏体 重 型 机 械应力应变配分不均以及两相转变不稳定等问题突出()轧坯经六道次连续轧制成为 棒材 奥氏体晶粒明显碎化 在棒材边缘低温区域 相变占据主导 在棒材内部区域 在高温高应变速率工况下 双相不锈钢变形所需的应力水平升高 形变储能在奥氏体相中的存储量增加 发生 逆相变 有利于提高不锈钢的热塑性()不锈钢棒材边缘和内部均存在两相占比不均匀和动态再结晶不协调 导致合金横断面上特征区域的软化机理与相变过程复杂 可以通过提高开轧温度 采取保温措施降低棒材温度梯度以及提高热轧速率的方式改善两相协调变形行为 全面提升棒材力学性能参考文献:.():.马明 丁桦 唐正友 等.双相不锈钢 热轧板微观组织及塑性变形的均匀性.材料与冶金学报 ():.:.:.郝建军 张瑞丰 宋耀辉 等.双相不锈钢的热加工图和组织研究.锻压技术 ():.():.李亮 帅美荣 李海斌 等.双相不锈钢本构模型及热加工参数优化.精密成形工程():./:.:.():洪慧平 冯富春 栾瑜 等.轴承钢棒材连轧过程的有限元模拟.特殊钢 ():.:.王立新 李花兵 李国平 等.和 双相不锈钢双道次热压缩条件下的微观组织演变及变形行为.材料研究学报 ():.王月香 刘振宇 王国栋 等.双相不锈钢热变形过程中形变诱导相变的探讨.轧钢():.重 型 机 械