馬勁紅，李慧

(河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北唐山063009)

H型鋼是一種平行腿工字鋼，具有優(yōu)良的力學(xué)性能和使用性能，斷面模數(shù)、慣性矩及相應(yīng)剛度等力學(xué)性能都優(yōu)于同類工字鋼。在各應(yīng)用領(lǐng)域中，不論是承受彎曲力矩、壓力載荷、還是偏心載荷，H型鋼都顯示出其獨(dú)特的優(yōu)勢［1］。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，如高層建筑，石油平臺等，都對H型鋼的組織性能提出了更高的要求，因此運(yùn)用有限元軟件對產(chǎn)品熱成型過程和微觀組織演變進(jìn)行數(shù)值模擬，對提高軋后產(chǎn)品的綜合機(jī)械性能具有重要的參考價值。

1 建立模型

以津西鋼鐵公司的成品尺寸為200mm×200 mm×12 mm×8 mm的H型鋼為例，用DEFORM－3D軟件對其成型過程和再結(jié)晶過程進(jìn)行模擬。坯料尺寸為BD機(jī)開坯后的坯料尺寸294 mm×218 mm×59 mm×32 mm，在模擬過程中其長度取1000 mm，平輥直徑為1000 mm，立輥直徑為800 mm，采用全連軋的軋制方法。為簡化計(jì)算，取橫截面的1/4建模。坯料材料為25號鋼，對應(yīng)選擇美國標(biāo)準(zhǔn)牌號為AISI－1025的碳鋼。有限元模型如圖1所示。

圖1 H型鋼連軋模型

2 再結(jié)晶模型設(shè)置

再結(jié)晶分為動態(tài)再結(jié)晶和靜態(tài)再結(jié)晶。動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生在變形過程中，在流動應(yīng)力達(dá)到峰值之前，動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生時的臨界應(yīng)變與對應(yīng)最大流動應(yīng)力的應(yīng)變之間差值相對較小。如果發(fā)生再結(jié)晶，應(yīng)形成沒有預(yù)應(yīng)變的晶粒。對于不同金屬，微觀組織模型存在差異，下面是描述C－Mn鋼演變的Yada模型［2］，其動態(tài)再結(jié)晶機(jī)理的關(guān)系式如(1)至(5)式所示。

式中，εc為動態(tài)再結(jié)晶開始時的臨界應(yīng)變;T——絕對溫度。

式中，Z——Zenor－h(huán)ollomon參數(shù);ddyn為獨(dú)立于原始晶粒大小的動態(tài)再結(jié)晶晶粒大小，只由Z參數(shù)決定;

式中，Q為實(shí)驗(yàn)中得到的活動能量，數(shù)值為267.1kJ/mol;R為氣體常數(shù)為應(yīng)變率

式中，Xdyn為動態(tài)再結(jié)晶的體積百分比;ε0.5為再結(jié)晶過程達(dá)到50%時的應(yīng)變。

式中，d0為原始晶粒直徑

將變形組織置于高溫中，經(jīng)一段時間后將發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶。理論上，當(dāng)變形材料回火處理時靜態(tài)再結(jié)晶才會發(fā)生，動態(tài)再結(jié)晶和靜態(tài)再結(jié)晶在形式無本質(zhì)區(qū)別，唯一的不同在于動態(tài)再結(jié)晶與變形能量有關(guān)，而靜態(tài)再結(jié)晶與前一階段的變形程度、回火溫度等因素有關(guān)。C－Mn鋼在卸載狀態(tài)下發(fā)生的靜態(tài)再結(jié)晶微觀組織演變遵循(6)至(9)式。

式中，X為靜態(tài)再結(jié)晶體積百分比;t0.5為發(fā)生50%靜態(tài)再結(jié)晶所需要的時間;t為發(fā)生再結(jié)晶的時間

式中，SV為單位體積的晶界面積。

式中，drex為靜態(tài)再結(jié)晶晶粒大小。

再結(jié)晶完成后新組織是亞穩(wěn)定的，為獲得更穩(wěn)定的組織，需要釋放晶粒內(nèi)部的潛能。因此，再結(jié)晶完成后，再發(fā)生進(jìn)一步的晶粒長大來減少單位體積內(nèi)的晶界面積，從而消耗晶粒內(nèi)部潛能。長大后晶粒尺寸及晶粒長大激活能可由(10)和(11)式計(jì)算。

式中，d為長大后的晶粒尺寸;Qgg為晶粒長大激活能;A為再結(jié)晶晶粒長大速率常數(shù)。

在Yanagimoto等［3-5］的組織演變增量模型中，也基于相同的思想引入了位錯密度變化。將該增量模型與能夠以增量形式給出應(yīng)變、應(yīng)變率及溫度計(jì)算結(jié)果的變形和傳熱有限元模型相結(jié)合，就可以通過基于位錯密度變化的流動應(yīng)力模型同步考慮組織變化對金屬流動和變形載荷的影響。

3 模擬結(jié)果及分析

用DEFORM-3D軟件將變形程度、變形速度、溫度和組織演變耦合起來。所采用的軋制規(guī)程與現(xiàn)場一致，表1給出了現(xiàn)場軋制規(guī)程。通過數(shù)值模擬，提取了斷面平均晶粒尺寸、動態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)和靜態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)等進(jìn)行分析。

表1 現(xiàn)場軋制規(guī)程

由于道次壓下率不大，最大相對道次壓下率為21.25%，因此，軋制速度較低，應(yīng)變也比較小。軋制過程中，只有應(yīng)變達(dá)到臨界應(yīng)變的部位才會發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，在道次間發(fā)生亞動態(tài)再結(jié)晶和靜態(tài)再結(jié)晶，使晶粒細(xì)化，晶粒尺寸較小;在應(yīng)變較小的部位，由于未能達(dá)到動態(tài)再結(jié)晶的臨界值，軋制變形過程中沒有發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，在道次間僅發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶，而且由于軋制速度低，變形速率也小，靜態(tài)再結(jié)晶速率也很小，此時由于溫度較高，靜態(tài)再結(jié)晶所引起的晶粒細(xì)化與晶粒長大所引起的晶粒尺寸增大大致相等，甚至一些部位的晶粒長大速率要高于靜態(tài)再結(jié)晶速率，這就造成了這些部位的晶粒尺寸略有增大。

在H型鋼生產(chǎn)過程中軋件的變形是不均勻的，這種情況會影響到軋件在軋制過程中的動態(tài)再結(jié)晶。由于生產(chǎn)中第一道次和第二道次孔型不同，為了能更直觀看到這種影響，所以取模擬過程中第一道次和第二道次的橫截面平均晶粒尺寸的圖像進(jìn)行分析。設(shè)定第一道次相對壓下量是21.25%，第二道次相對壓下量為21.03%，第一道體積分?jǐn)?shù)為61.93%，第二道次體積分?jǐn)?shù)為60.76%。圖1給出了DEFORM-3D軟件模擬再結(jié)晶時，第一道次和第二道次軋制后橫斷面平均晶粒尺寸分布。由圖1可以比較清晰、直觀地看出平均晶粒的大小、再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)等。

圖1 橫斷面平均晶粒尺寸分布

由圖1中可以看出，在軋制過程中，軋件的變形是不均勻的。由于第一道次的來料為X形，軋輥的孔型為H形，這樣軋件在進(jìn)入變形區(qū)之前，翼緣在水平輥側(cè)面的作用下首先產(chǎn)生塑性彎曲變形，造成軋件的局部變形;第二道次軋輥的孔型為X形，此時的軋件為H形，在立輥的作用下使翼緣再次產(chǎn)生附加的彎曲變形，晶粒尺寸從100μm減少到60μm;這樣就加劇了斷面各部位變形不均勻的程度。斷面變形不均勻造成斷面各部位的等效應(yīng)變和等效應(yīng)變率不均勻，引起斷面各部位有的發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，有的則沒有發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。從圖1可以明顯看出，翼緣與腹板連接處和翼緣受變形區(qū)均發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶。但是即便發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶的部位，由于等效應(yīng)變和等效應(yīng)變率不同，動態(tài)再結(jié)晶速率不同，獲得的晶粒尺寸也不相同。由此可見，斷面變形不均勻是造成斷面晶粒尺寸不均勻的主要原因［6］。

在軋制板帶時加大壓下量可以細(xì)化晶粒，但在H型鋼生產(chǎn)中有所不同，因?yàn)樗耸艿狡捷伒淖饔眠€受到立輥?zhàn)饔?。為了說明相對壓下量不同會帶來的影響，取不同壓下量時第一道次軋制后的截面圖進(jìn)行分析。圖2為壓下量分別為27.5%和21.25%時，第一道次橫斷面平均晶粒尺寸分布。由圖2可以看出，由于壓下量不同、變形不均勻，造成斷面晶粒尺寸也不均勻。相對壓下量從21.25%提高到27.5%后，在圓角交接處晶粒尺寸從70.3μm減小到26.7μm，腹板處的晶粒尺寸也由68.2μm減到24.6μm，晶粒細(xì)化顯著。數(shù)值模擬結(jié)果與朱宏楨［7］等對Q235鋼進(jìn)行的模擬結(jié)果一致，變形量大時鋼的組織有明現(xiàn)細(xì)化現(xiàn)象。此外，由于壓下量較大，附加彎曲變形所造成的不均勻性被減弱，使圓角附近呈現(xiàn)較為均勻的連續(xù)變化。

圖2 橫斷面平均晶粒尺寸分布(相對壓下量27.5%)

生產(chǎn)過程中除了動態(tài)再結(jié)晶還存在靜態(tài)再結(jié)晶，動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生在軋制變形區(qū)，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到臨界應(yīng)變時才會發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。應(yīng)變大于臨界應(yīng)變而小于峰值應(yīng)變時會產(chǎn)生靜態(tài)再結(jié)晶。為了清楚認(rèn)識到動態(tài)再結(jié)晶和靜態(tài)再結(jié)晶在軋制過程中的分布規(guī)律，圖3給出了第一道次和第二道次軋制后再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)。第一道次的相對壓下量為21.25%，變形區(qū)動態(tài)再結(jié)晶和靜態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)分別為92.10%和7.90%;第二道次的相對壓下量為21.03%，變形區(qū)動態(tài)再結(jié)晶和靜態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)分別為90.21%和9.79%。

H型鋼軋制時，變形區(qū)部位發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，在機(jī)架之間發(fā)生亞動態(tài)再結(jié)晶和靜態(tài)再結(jié)晶。第一道次的動態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)相對較大，而第二道次的動態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)相對較小，此時的晶粒尺寸也較第一道次小，這就是因?yàn)榈诙来诬堉坪筮€發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶，使晶粒尺寸變小、晶粒得到細(xì)化。

圖3 軋制過程中再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)

4 結(jié)論

本文采用DEFORM-3D軟件對H型鋼軋制過程中的再結(jié)晶過程進(jìn)行數(shù)值模擬。軋制速度不變的前提下，提高壓下量可以使晶粒尺寸減小，但加大壓下量會造成斷面晶粒尺寸不均勻程度增加。為了提高H型鋼產(chǎn)品的機(jī)械性能，制定軋制工藝時，在考慮設(shè)備能夠滿足剛度和強(qiáng)度要求的前提下，盡可能地提高道次壓下量;但是要注意避開使翼緣中出現(xiàn)了晶粒尺寸較大區(qū)域的溫度和軋制速度區(qū)域。這就是說，在制定軋制工藝時，要注意壓下量與軋制速度的匹配關(guān)系，避免在翼緣中出現(xiàn)晶粒尺寸較大的區(qū)域。

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