邢 釗,梁曉軍,郝英敏

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999)

1 概述

在流程型過(guò)程中,基于深度分析大生產(chǎn)工藝—性能數(shù)據(jù),可以獲得很好的工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。這種工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)首先是基于大量的實(shí)際數(shù)據(jù),通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí),以條件概率分布等方式為基礎(chǔ),結(jié)合信息熵表達(dá),直接建立起工藝(Process)—性能(Property)之間的關(guān)聯(lián),然后通過(guò)這種關(guān)聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)工藝—性能的預(yù)測(cè)(如圖1所示),最終實(shí)現(xiàn)工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)。這種優(yōu)化設(shè)計(jì)方式往往內(nèi)聚性比較好,對(duì)于某些產(chǎn)量大、要求單一的鋼種,通過(guò)獲取到的足量且準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),借助大數(shù)據(jù)分析模型計(jì)算,預(yù)測(cè)變化趨勢(shì),對(duì)于一些工藝參數(shù)、性能提升的完善均有一定的輔助作用。但是這種方法也存在一定的局限性,首先是許多模型以黑匣子的形式存在,對(duì)于內(nèi)部參數(shù)含義及調(diào)節(jié)后的影響并非顯而易見(jiàn),調(diào)整參數(shù)具有一定的難度;其次擬合出的產(chǎn)品工藝相對(duì)于當(dāng)前產(chǎn)線可能具有優(yōu)良的預(yù)測(cè)性,尤其是對(duì)于模型內(nèi)插值數(shù)據(jù)表現(xiàn)出良好的預(yù)測(cè)性,但是鋼鐵組織性能的影響因素較多,各因素之間也可能存在強(qiáng)相關(guān)性,一旦參數(shù)選擇不當(dāng)可能會(huì)出現(xiàn)模型收斂不佳,造成擬合結(jié)果較差或是由于過(guò)擬合造成泛化能力不足,無(wú)法得到廣泛應(yīng)用。尤其是在新產(chǎn)品、新工藝研發(fā)階段,原大生產(chǎn)數(shù)據(jù)外延推測(cè)不一定起到良好的預(yù)測(cè)效果,而在初始研發(fā)階段,也無(wú)法獲取到大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù),通過(guò)大量的大生產(chǎn)過(guò)程去獲取機(jī)器學(xué)習(xí)所需的數(shù)據(jù)也不現(xiàn)實(shí),風(fēng)險(xiǎn)性很大。因此,在材料產(chǎn)品性能控制上,尤其是在研發(fā)階段,大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)該與專業(yè)知識(shí)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)。由基本層次的數(shù)據(jù)概率分布預(yù)測(cè),上升到更高層次的知識(shí)預(yù)測(cè)層,形成知識(shí)層面的數(shù)據(jù)循環(huán)反饋系統(tǒng),以數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)獲取知識(shí),以獲取知識(shí)指導(dǎo)研發(fā)試驗(yàn),以研發(fā)試驗(yàn)獲取新的數(shù)據(jù)并進(jìn)行學(xué)習(xí),逐漸形成一種具有自我優(yōu)化能力的智慧研發(fā)輔助系統(tǒng)。

圖1 基于工藝—性能的預(yù)測(cè)方式流程圖

具體而言,對(duì)于材料產(chǎn)品研發(fā)的專業(yè)知識(shí)主要體現(xiàn)在材料組織方面。材料性能的改變其本質(zhì)是組織的變化,而組織的變化依賴于工藝在材料本身的體現(xiàn),新的預(yù)測(cè)手段是在工藝—性能中間加入了顯微組織特征,結(jié)合傳統(tǒng)材料學(xué)專家經(jīng)驗(yàn)以及材料的組織特征量化提取尋找組織與工藝和性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系,通過(guò)調(diào)整工藝改善組織以改進(jìn)材料性能的過(guò)程(如圖2所示)。多年來(lái),材料圖像數(shù)據(jù)在科學(xué)研究中的應(yīng)用主要依賴于人工經(jīng)驗(yàn)性的分析和信息提取,遺漏了大量的材料學(xué)信息和隱含的知識(shí),缺乏科學(xué)定量的描述,成為構(gòu)建材料本構(gòu)關(guān)系的短板[1]。

圖2 基于工藝—組織—性能的材料工藝改進(jìn)及性能預(yù)測(cè)過(guò)程

2 研究目的

本研究開(kāi)發(fā)的新型管線鋼產(chǎn)品,除了必須具備常規(guī)管線鋼的強(qiáng)度、塑性、韌性等要求外,-10 ℃ DWTT性能也是其關(guān)鍵性能指標(biāo)。該新型的管線鋼因一些特定性能的要求,采用了有別于常規(guī)管線采用的工藝,但由于缺乏有效的數(shù)據(jù)支撐,結(jié)合圖1所示的過(guò)程,基于PIDAS積累的大量歷史數(shù)據(jù),結(jié)合專業(yè)知識(shí)、特殊的約束條件設(shè)計(jì)了新鋼種的基本工藝路徑。第一次進(jìn)行了兩塊鋼板的試制,兩塊鋼板在工藝上有所區(qū)別以做對(duì)比。

試制后的新型管線鋼強(qiáng)度、塑性和韌性等性能滿足要求。在生產(chǎn)結(jié)束后在每塊鋼板在距離頭部100 mm區(qū)域的寬度方向1/4處各取2塊制成壓制缺口試樣并按照《GB/T 8363—2018鋼材撕裂落錘試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)[2],結(jié)果如表1所示,典型斷口形貌如圖3所示。數(shù)據(jù)表明試驗(yàn)料的DWTT性能無(wú)法滿足使用需求,這與前述的基于大數(shù)據(jù)模型預(yù)測(cè)面臨的問(wèn)題基本一致。作為機(jī)器學(xué)習(xí)的工藝—性能直接預(yù)測(cè)手段,由于這兩塊鋼板的一部分工藝數(shù)據(jù)落在了原來(lái)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)集之外,而且計(jì)算機(jī)基于歷史學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù),對(duì)于新工藝可能產(chǎn)生的失敗可能性基本沒(méi)有預(yù)見(jiàn)性,因此出現(xiàn)了預(yù)測(cè)大幅偏離的情況。

表1 鋼板1和2在-10 ℃的DWTT性能實(shí)績(jī)

圖3 DWTT斷口照片

第一次生產(chǎn)試制的結(jié)果表明,原生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)模式不能很好地解決DWTT性能問(wèn)題,存在明顯的偏差。該鋼種基本工藝參數(shù)超出了常規(guī)的大生產(chǎn)數(shù)據(jù)所涵蓋的范圍,由于工藝參數(shù)范圍的大幅度改變,其從加熱到冷卻過(guò)程各個(gè)工藝階段對(duì)最終產(chǎn)品的組織貢獻(xiàn)就有了顯著變化,必然影響到最終的性能。本研究在分析影響DWTT性能關(guān)鍵組織特征的基礎(chǔ)上,結(jié)合前期開(kāi)發(fā)的組織特征的定量分析結(jié)果,確定影響性能的工藝因素,從而改進(jìn)工藝以得到良好的DWTT性能。

3 基于PSP的分析與優(yōu)化

3.1 材料組織分析

此類管線鋼的組織類型主要為針狀鐵素體、粒狀貝氏體、部分多邊形鐵素體以及M/A島組織。通過(guò)強(qiáng)化材料的低溫抗撕裂能力可以提升DWTT試驗(yàn)的剪切面積百分比(SA),較高的剪切面積百分比意味著材料在低溫下的韌性越好,抗撕裂能力越強(qiáng)。在基體組織中,M/A島的含量及尺寸對(duì)韌性有一定的影響,當(dāng)其含量較高并且集中在晶界處呈鏈狀分布時(shí)會(huì)促使裂紋擴(kuò)展,嚴(yán)重惡化材料的抗撕裂能力,而當(dāng)組織中有少量彌散的M/A島組織并伴以較小的針狀鐵素體、粒狀貝氏體存在時(shí),由于界面增加,在裂紋擴(kuò)展時(shí)發(fā)生滑移的晶粒數(shù)目增多,不易造成應(yīng)力集中而形成裂紋[3]。

在DWTT試樣近斷口端10 mm切取金相試樣,經(jīng)拋磨及4%硝酸酒精腐蝕后,在卡爾蔡司Image.M2m型顯微鏡進(jìn)行金相觀察,對(duì)金相照片通過(guò)插值縮放以及中值濾波的方式進(jìn)行預(yù)處理,以改善拍攝圖像的邊緣特征,降低拍攝噪聲造成的影響,提升圖片處理速度。經(jīng)過(guò)處理后的鋼板1典型金相圖片如圖4所示。

圖4 鋼板1 典型金相圖片

結(jié)合前期開(kāi)發(fā)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法對(duì)M/A島組織進(jìn)行識(shí)別。選取鋼板1、2典型金相組織照片中的M/A島進(jìn)行了識(shí)別(如圖5所示),并對(duì)鋼板1、2的M/A島識(shí)別后的二值化圖片進(jìn)行含量統(tǒng)計(jì),如圖6所示。

圖5 對(duì)鋼板1和2 M/A島組織識(shí)別及分布圖

從識(shí)別結(jié)果及分布情況看,與鋼板2相比,鋼板1組織中M/A島的含量相對(duì)較多,約占5.5%左右,同時(shí)組織內(nèi)M/A島在晶界處分布較為集中,并且呈現(xiàn)鏈狀分布,在變形過(guò)程中易產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展,劣化材料韌性,導(dǎo)致DWTT性能惡化。結(jié)合鋼板實(shí)際冷卻工藝可知,出現(xiàn)M/A島粗大并且成大片鏈狀分布的主要原因是冷速過(guò)慢以及終冷溫度過(guò)高造成[4]。

圖6 鋼板1和2 M/A島含量統(tǒng)計(jì)

除上述M/A島含量有所區(qū)別外,在對(duì)鋼板2金相典型組織進(jìn)行分析的過(guò)程中出現(xiàn)了與鋼板1明顯的不同,如圖7所示,鋼板2組織中出現(xiàn)了較粗大的晶粒,組織均勻性較鋼板1差(如圖4所示)。利用機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行邊界識(shí)別的方式將大尺寸晶粒進(jìn)行標(biāo)識(shí),如圖8所示。

圖7 鋼板2典型組織圖片

圖8 鋼板2大尺寸晶粒識(shí)別分布

通過(guò)對(duì)封閉邊界內(nèi)的像素?cái)?shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),依據(jù)像素尺寸與比例尺的關(guān)系進(jìn)行面積計(jì)算,可以得出基于像素區(qū)分的大顆粒尺寸信息,鋼板2大晶粒的等效直徑尺寸接近鋼板1平均晶粒尺寸的1.5～2.0倍,出現(xiàn)了比較明顯的混晶情況。結(jié)合前述經(jīng)驗(yàn)可以得出,由于大尺度粒狀貝氏體晶粒的出現(xiàn)減少了晶界間的接觸界面,在發(fā)生外力作用的時(shí)候?qū)τ诹鸭y擴(kuò)展的阻隔作用將大大降低,劣化了DWTT性能。對(duì)兩塊板的軋制道次進(jìn)行了對(duì)比,鋼板2單道次壓下量較工藝1減少了約10%～20%,造成組織均勻性較差的原因是在軋制過(guò)程中單道次壓下量較小造成的原始晶粒破碎不完全出現(xiàn)大晶粒,在較快的冷速下大晶粒被保留下來(lái)而造成混晶組織。

3.2 生產(chǎn)工藝優(yōu)化

通過(guò)上節(jié)第一次試制兩組工藝下組織進(jìn)行量化分析與實(shí)際生產(chǎn)工藝的對(duì)照關(guān)系可知,鋼板1組織相對(duì)均勻,但由于冷卻異常造成大量呈鏈狀M/A島的產(chǎn)生,鋼板2由于軋制過(guò)程中道次壓下量不足造成晶粒粗大,使組織中出現(xiàn)混晶的情況。結(jié)合兩塊鋼板的組織與工藝差異,在制定第二輪兩塊鋼板(鋼板3、4)的軋制工藝3時(shí)進(jìn)行了有針對(duì)性的改進(jìn),首先保持較大的壓下量,保證晶粒破碎充分,提高組織均勻性,同時(shí)結(jié)合M/A島組織與冷卻速度、終冷溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系,通過(guò)降低終冷溫度提高冷卻速度保證控制基體以及晶界處的M/A島含量[5]。

經(jīng)過(guò)工藝3生產(chǎn)后的典型金相組織圖片如圖9所示,M/A島的分布如圖10所示,含量的識(shí)別統(tǒng)計(jì)如圖11所示。相較于第一次試驗(yàn)生產(chǎn)的兩塊鋼板,第二次軋制鋼板的M/A島含量有較為顯著的下降,說(shuō)明控制冷卻后對(duì)M/A島組織有明顯的改善。

圖9 鋼板3和4典型組織圖片

圖10 M/A島分布圖

圖11 鋼板3、4 M/A島含量統(tǒng)計(jì)與鋼板1、2對(duì)比

鋼板3和4通過(guò)對(duì)典型組織中較大晶粒的識(shí)別得到如圖12所示結(jié)果,針對(duì)圖中6顆較大晶粒進(jìn)行基于像素?fù)Q算的等效晶粒直徑尺寸晶粒度接近鋼板1的水平,組織更均勻,符合管線鋼使用條件,同時(shí)從金相照片上也可以看出通過(guò)道次的壓下量控制使組織均勻性得到顯著提升。在隨后的-10 ℃ DWTT試驗(yàn)中也得到了SA接近100%,如表2所示,性能指標(biāo)滿足使用的需要。

4 結(jié)論

本研究是在傳統(tǒng)工藝—性能預(yù)測(cè)模型無(wú)法給出有效預(yù)測(cè)的情況下,基于對(duì)組織特征進(jìn)行識(shí)別量化并結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)建立組織與工藝、性能之間關(guān)系的探索性嘗試,結(jié)合PIDAS系統(tǒng)的工藝—性能數(shù)據(jù),通過(guò)組織數(shù)據(jù)的量化分析進(jìn)行反饋修正,經(jīng)過(guò)少量試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)新設(shè)計(jì)材料DWTT性能優(yōu)化與控制。研究表明,基于材料組織的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化與量化分析可以更直觀準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)組織間的差異,工藝—性能中加入組織結(jié)構(gòu)特征分析進(jìn)行材料開(kāi)發(fā)與性能預(yù)測(cè),解決了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型由于過(guò)于依賴樣本以及權(quán)重參數(shù)的選擇等造成的工藝—性能預(yù)測(cè)偏差的問(wèn)題,從組織結(jié)構(gòu)機(jī)理上解決工藝優(yōu)化問(wèn)題,形成組織—工藝—性能學(xué)習(xí)的循環(huán)反饋預(yù)測(cè)系統(tǒng),大幅減少純物理模擬及大量試驗(yàn)所造成的時(shí)間浪費(fèi)以及開(kāi)發(fā)成本的上升,通過(guò)該路徑可望大大降低材料新試的研制周期與成本。

圖12 鋼板3和4典型組織大晶粒識(shí)別結(jié)果

表2 鋼板3和4的-10 ℃ DWTT性能實(shí)績(jī)