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高强度线材热加工的组织演变和性能预报系统研究

作　者: 张云祥
导　师: 张海鸥；王桂兰
学　校: 华中科技大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 高碳钢高速线材组织演变力学性能再结晶奥氏体相变偏析计算机模拟
分类号: TG335.11
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

高强高碳钢热轧盘条的组织形态对金属制品的成型及性能有重要的影响,而钢在热轧时其内部显微组织发生的一系列演变是温度、变形和冶金现象之间复杂相互作用的结果,如热轧过程的多道次孔型变形增加了变形的复杂性,热机械历程对材料的储存能有重要影响,因此热轧是一个对力学性能产生重要影响的工艺过程。有效控制盘条力学性能就要控制热轧过程中的热机械条件、轧制及冷却过程中的组织变化等物理冶金过程。通过建立数学模型来模拟热轧中钢的显微组织演变是预报钢材显微组织和性能的有效方法,将为计算机控制钢材性能、自动设计新钢种和新工艺提供科学依据。高碳钢高速线材由于其高变形速率、高的变形热、断面尺寸小且不规则等特点增加了组织演变研究的困难,目前只是针对具体冶金过程如加热、轧制、冷却等单一过程进行实验获得再结晶和相变模型,而且缺乏工业试验的验证,难以准确预报和控制高碳钢盘条组织性能。另外,通过比较国内外高碳钢的化学成分发现,我国高碳钢成分含有少量的微量元素,导致了控轧特征和相变过程与国外提供的不同,进而影响到定量计算的微观组织演变模型,因此需要系统研究从铸坯加热到成品卷取整个生产过程的微观组织变化模型。本文通过热模拟试验,建立高碳钢再结晶演变模型和相变模型。在此基础上,编制了预报高碳钢组织性能的模拟软件,在工业大生产的情况下对所建立的组织模型进行验证,为生产提供优化工艺和理论指导。主要研究内容包括以下几个方面：(1)对高碳钢线材穿水过程采用了水对流换热以及水蒸气和空气辐射换热两种形式,根据穿水过程传热机制的不同分成三类不同换热边界条件,并用工业数据确定了相关传热系数,用傅立叶方程采用有限差分方法计算,结果表明精度较高,计算时间短符合在线控制要求。通过计算分析轧线冷却参数对线材断面温度的影响,结果表明为得到精准的线材温度应对水冷参数进行合理有效地设定。(2)通过不同变形工艺条件下的单道次热模拟实验,得到高碳钢的热变形激活能、再结晶发生条件和动态再结晶动力学方程。首次用热模拟实验机压缩实验对高温高应变速率条件下82B钢线材动态再结晶的临界应变进行深入研究,为确定高碳钢高速热轧时道次间再结晶软化机制提供了准确的判据。在工业实验的基础上筛选了其余的再结晶相关模型,从而建立了一整套计算轧制时奥氏体组织演变的模型。(3)在Thermomaster-Z热模拟及上用金相膨胀法建立了高碳钢82B钢的CCT连续冷却曲线。确定了相变开始温度范围,对CCT曲线后的试样进行组织分析表明在10℃／s的冷速下能够得到96%以上的索氏体组织,且珠光体片层间距为0.15-0.21μm。通过奥氏体等温相变实验,对比分析了不同奥氏体化下各种等温过程的转变规律,利用实验得到转变体积分数-时间曲线,在Avarim方程的基础上考虑奥氏体的晶粒尺寸对相变过程的影响,建立了82B钢的奥氏体向珠光体相变动力学方程。(4)利用生产数据通过回归分析方法建立起珠光体钢强度与片层间距模型。(5)集成上述模型组,用VB语言编写了模拟高碳钢高速线材生产的计算机软件。模拟软件的可靠性通过现场取样直接验证和实测轧线温度以及力学性能检验值间接验证。两种验证结果均表明所建立的组织演变模型准确,所选择的轧制变形参数模型及应用算法适合于线材生产实际,模拟计算结果与实测值十分吻合。所开发的软件具有友好的人机界面,能展示热轧过程组织演变的参数变化。(6)对拉丝断裂失效批次的盘条进行了成分、渗碳体、脱碳层及夹杂分析。结果表明高碳钢盘条断裂是由于铸坯中心成分偏析导致盘条脆断；偏析导致了盘条中心马氏体、网状渗碳体等脆性组织的生成。通过对不同偏析钢在不同冷却速度下组织的分析表明,连铸坯中心碳偏析指数最高不能大于1.12,否则易导致82B线材中心产生马氏体。综上所述,本研究软件预报系统深入的揭示了高速线材盘条生产过程组织性能控制的本质,所开发的模拟软件可以作为新产品试制和生产工艺过程参数优化的有效工具,同时为高速线材生产在线预报和控制系统的实施奠定了基础,具有重要的理论及应用价值。本文从理论和工艺实践上为组织性能研究的发展做了基础性的研究工作,研究方法和结果对其它新品种、新工艺研究也具有一定的参考价值。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-12
1.绪论  12-51
  1.1 课题的来源和意义  12-15
  1.2 微观组织演变的数值模拟方法  15-25
  1.3 基于物理冶金过程的组织演变数值模拟技术  25-49
  1.4 本课题主要研究内容的提出  49-51
2.轧制线上的设备及工艺条件  51-59
  2.1 车间概况  51-52
  2.2 工艺技术特点  52-53
  2.3 测温点的分布及水冷设备参数  53-56
  2.4 高碳钢主要品种轧制工艺  56-58
  2.5 线材生产微观组织演变过程  58-59
3.高碳钢线材轧制温度模型  59-85
  3.1 线材温度变化的数学模型  60-68
  3.2 差分方程的建立  68-71
  3.3 线材轧制和水冷过程温度模拟传热系数的确定  71-74
  3.4 程序流程图  74-76
  3.5 温度模型的应用  76-84
  3.6 本章小结  84-85
4.高碳钢热轧过程组织演变模型  85-110
  4.1 不同变形条件下的单道次热压缩模拟试验  87-98
  4.2 动态再结晶的临界应变模型  98-104
  4.3 奥氏体静态/亚动态再晶粒及长大模型  104-109
  4.4 本章小结  109-110
5.高碳钢线材冷却相变模型  110-145
  5.1 引言  110-111
  5.2 斯太尔摩风冷线实测温度  111-112
  5.3 高碳钢82B连续冷却曲线的测定  112-120
  5.4 高碳钢等温转变  120-144
  5.5 本章小结  144-145
6.高碳钢线材组织-性能预报系统软件开发  145-168
  6.1 模拟软件的程序结构和功能  145-149
  6.2 相关模型确定及应用算法  149-159
  6.3 程序开发及软件功能界面  159-162
  6.4 模拟软件计算结果的验证  162-167
  6.5 本章小结  167-168
7.高碳钢线材组织-性能预报系统软件应用  168-189
  7.1 模拟软件在工业生产中的应用  168-174
  7.2 轧制工艺参数对奥氏体晶粒尺寸的影响  174-179
  7.3 控冷工艺分析  179-183
  7.4 72AΦ5.5mm线材生产工艺的开发  183-185
  7.5 82BΦ12.5线材的强度沿纵向的分布研究  185-188
  7.6 本章小结  188-189
8.高碳钢成分偏析行为研究  189-211
  8.1 高碳钢盘条拉丝断裂原因分析  189-193
  8.2 高碳钢盘条断口分析  193-196
  8.3 高碳钢盘条质量分析  196-199
  8.4 夹杂物分析  199-202
  8.5 高碳钢连续相变过程偏析行为的研究  202-210
  8.6 本章小结  210-211
9.结论与展望  211-215
  9.1 结论  211-213
  9.2 主要创新点  213-214
  9.3 展望  214-215
致谢  215-216
参考文献  216-232
附录1 作者攻读博士学位期间发表的论文  232-233
附录2 作者攻读博士学位期间的研究及成果  233

高强度线材热加工的组织演变和性能预报系统研究

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