杜海明 費(fèi)新剛 晁代坤 劉艷紅 王丹丹

(1.安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司； 2.湖北新冶鋼有限公司)

安鋼Gleeble 3800熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)的應(yīng)用

杜海明1費(fèi)新剛2晁代坤1劉艷紅1王丹丹1

(1.安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司； 2.湖北新冶鋼有限公司)

Gleeble3800型熱模擬試驗(yàn)機(jī)是一套具有模擬金屬材料的熱加工、物理性能測(cè)試及過(guò)程模擬的熱/力模擬分析系統(tǒng)。本文介紹了安鋼引進(jìn)的Gleeble 3800 熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)選配的2個(gè)測(cè)試單元的結(jié)構(gòu)及功能，通過(guò)選配合適的測(cè)試單元，可進(jìn)行不同的熱模擬試驗(yàn)。同時(shí)結(jié)合安鋼生產(chǎn)實(shí)際，介紹了熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)在新產(chǎn)品研發(fā)和工藝改進(jìn)中的應(yīng)用。

熱模擬技術(shù) 熱模擬試驗(yàn)機(jī) 模擬試驗(yàn)

0 前言

Gleeble 熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)是一種物理模擬試驗(yàn)裝置，對(duì)材料和熱加工工藝來(lái)說(shuō)，物理模擬是利用小試樣在試驗(yàn)裝置上再現(xiàn)材料在制備或熱加工過(guò)程中的受熱或同時(shí)受熱與受力的物理過(guò)程，充分而精確地暴露與揭示材料在熱加工過(guò)程中的組織性能變化規(guī)律，為制定合理的加工工藝以及研制新材料提供理論指導(dǎo)和技術(shù)依據(jù)。目前，在冶金領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用的是美國(guó)DSI(Dynamic Systems Inc.)科技聯(lián)合體的Gleeble系列熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)和日本富士電波工機(jī)株式會(huì)社研制的Thermecmastor系列熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)[1-3]。在我國(guó)冶金領(lǐng)域，Gleeble系列熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)擁有量最多，應(yīng)用也最廣泛。其中，Gleeble 3800是熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)中功能最多，技術(shù)最先進(jìn)的試驗(yàn)機(jī)，根據(jù)不同的試驗(yàn)要求，選擇相應(yīng)的單元組成測(cè)試系統(tǒng)，體現(xiàn)了Gleeble熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)的多功能性。筆者介紹了安鋼引進(jìn)的Gleeble 3800在實(shí)際生產(chǎn)中的模擬應(yīng)用。

1 Gleeble 3800構(gòu)成

安鋼引進(jìn)的Gleeble 3800熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)主要由控制柜、測(cè)試單元和液壓動(dòng)力單元3個(gè)主要部分組成，Gleeble 3800系統(tǒng)如圖1所示。它是通過(guò)電阻加熱方式，利用電液伺服閥驅(qū)動(dòng)加力系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)采用Ⅲ型數(shù)字控制系統(tǒng)。此外，還配有真空泵系統(tǒng)、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)和空氣壓縮機(jī)等附屬設(shè)備。其中測(cè)試單元分為通用系統(tǒng)和液壓楔系統(tǒng)，這兩個(gè)移動(dòng)單元通過(guò)超級(jí)螺栓與主機(jī)單元的主軸緊固相聯(lián)，它們根據(jù)不同的試驗(yàn)?zāi)康?，可以分別和控制單元相配合使用。

圖1 Gleeble 3800系統(tǒng)

Gleeble 3800熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)各部分連接框圖如圖2所示。測(cè)試單元的更換不會(huì)對(duì)試樣的加熱以及數(shù)據(jù)傳遞產(chǎn)生影響，實(shí)現(xiàn)熱和力學(xué)系統(tǒng)變量信號(hào)的閉環(huán)控制，從而保證了溫度、應(yīng)力、應(yīng)變以及應(yīng)變速率等熱加工工藝參數(shù)的精確控制。根據(jù)各系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，選配相應(yīng)的控制模塊，能夠完成不同的熱模擬試驗(yàn)。

圖2 Gleeble 3800熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)的主要組成部分及連接

2 Gleeble 3800熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)的應(yīng)用

2.1 焊接熱影響區(qū)(HAZ)模擬試驗(yàn)

焊接熱循環(huán)主要參數(shù)是：加熱速度、峰值溫度、高溫停留時(shí)間以及冷卻速度，這些參數(shù)可以通過(guò)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行表達(dá)和計(jì)算。數(shù)學(xué)模型不但可以描述影響熱循環(huán)基本參數(shù)各物理量的關(guān)系，而且也是建立焊接熱模擬軟件的理論基礎(chǔ)。Gleeble 3800熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)的焊接熱影響區(qū)(HAZ)編程軟件中內(nèi)嵌了5種數(shù)學(xué)模型，即實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)模型-F(s, d)Table，Hannerz公式，Rosenthal模型，雷卡林模型(焊件二維導(dǎo)熱、焊件三維導(dǎo)熱)。通過(guò)焊接熱影響區(qū)(HAZ)編程軟件與Origin軟件連接，可以預(yù)先繪制溫度曲線。對(duì)加工的尺寸為11 mm×11 mm×71 mm的Q345qE試樣選定加熱速度、峰值溫度、高溫停留時(shí)間以及冷卻速度等參數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)模型-F(s, d)Table公式，模擬試驗(yàn)后繪制Q345qE單道次焊接熱循環(huán)曲線如圖3所示。為編制出更接近實(shí)際的試驗(yàn)程序，還可以將程序轉(zhuǎn)化成編程更靈活的腳本語(yǔ)言文件(GSL)。對(duì)焊接熱模擬后的試樣做相應(yīng)的力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)合金相組織分析、硬度分析等手段，確定最佳的焊接工藝。

圖3 Q345qE單道焊接熱循環(huán)曲線

2.2 連鑄工藝模擬試驗(yàn)

影響鑄件質(zhì)量的主要因素是合金的化學(xué)成分、鑄型的材料與結(jié)構(gòu)、冷卻條件以及應(yīng)變速率等。因此鑄造物理模擬的主要任務(wù)是盡可能妥善地控制熔化與結(jié)晶，再現(xiàn)凝固結(jié)晶條件，研究金屬的鑄造特性和高溫性能，優(yōu)化合金成分，確定合理的鑄造工藝。鑄造模擬的主要參數(shù)是冷卻速度、溫度梯度以及冷卻時(shí)的應(yīng)力與應(yīng)變。連鑄過(guò)程中，帶液芯的坯殼承受來(lái)自鋼水的靜壓力、熱應(yīng)力、彎曲-矯直力、摩擦力等外力作用。如果這些外力綜合作用超過(guò)了鋼的高溫臨界強(qiáng)度和臨界應(yīng)變，鑄坯就會(huì)產(chǎn)生開裂[4]。研究金屬熱塑性的更廣泛的試驗(yàn)方法是熱拉伸試驗(yàn)，熱塑性拉伸試驗(yàn)時(shí)，高溫力學(xué)性能的評(píng)定指標(biāo)主要是強(qiáng)度極限和斷面收縮率，熱塑性曲線(R.A-T)及強(qiáng)度曲線(σb-T)是表征鋼的高溫力學(xué)性能的特征曲線，圖4和圖5為X70管線鋼熱塑性和強(qiáng)度曲線。從圖4高溫塑性變化曲線中可以發(fā)現(xiàn)三個(gè)低塑性區(qū)，研究連鑄鋼在不同溫度區(qū)的塑性變化規(guī)律及其影響因素，對(duì)于制定合理的連鑄工藝具有極其重要的指導(dǎo)意義。

圖4 X70管線鋼熱塑性-斷面收縮率曲線

圖5 X70管線鋼熱強(qiáng)性曲線

2.3 板帶退火試驗(yàn)

Gleeble 3800熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)帶有板帶退火系統(tǒng)，用來(lái)研究不同的熱循環(huán)參數(shù)對(duì)材料組織和性能的影響規(guī)律。在Gleeble 3800熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行板帶連續(xù)退火試驗(yàn)時(shí)，冷卻速度是控制的關(guān)鍵參數(shù)，配備的水(氣)噴頭裝置可以使冷卻介質(zhì)均勻分布于試樣表面，在冷卻過(guò)程中形成較大的均溫區(qū)。比較典型的板帶退火工藝曲線如圖6所示。對(duì)退火模擬后的試樣做力學(xué)性能檢測(cè)和金相組織觀察，進(jìn)而分析加熱工藝與組織和性能的關(guān)系，從而確定最佳的熱處理規(guī)范。

圖6 板帶退火工藝曲線

2.4 動(dòng)態(tài)CCT試驗(yàn)

動(dòng)態(tài)CCT圖可以系統(tǒng)的顯示出熱變形參數(shù)及在線冷速對(duì)相變開始溫度、相變進(jìn)行速度和相變組織的影響情況，是優(yōu)化鋼種成分以及選擇合適的熱變形工藝的重要依據(jù)。用物理模擬的方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)CCT曲線的測(cè)定，多采用圓柱體單向壓縮試驗(yàn)，先將試樣在1 200 ℃～1 250 ℃以上保溫一段時(shí)間，使奧氏體均勻，然后降至某一溫度(奧氏體溫度或奧氏體+鐵素體兩相溫度區(qū))，按照預(yù)定軋制工藝進(jìn)行壓縮變形，然后以不同冷速進(jìn)行冷卻，用熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)上的附件徑向傳感器記錄膨脹-溫度曲線，用切線法確定出不同冷卻速度試樣的相變開始點(diǎn)溫度及結(jié)束點(diǎn)溫度及對(duì)應(yīng)的時(shí)間，將各相變點(diǎn)相連，即構(gòu)成所謂的動(dòng)態(tài)CCT曲線圖，在CCT試驗(yàn)中為了準(zhǔn)確地判斷組織類型，可采用金相分析和硬度分析方法對(duì)組織進(jìn)行鑒別。采用加工的Φ6 mm×71 mm的AG100L圓環(huán)鏈盤條試樣做不同冷速的冷卻曲線，最終繪制的AG100L的CCT曲線如圖7所示。

圖7 AG100L形變后的CCT曲線

2.5 多道次連軋模擬試驗(yàn)

變形抗力是表征金屬塑性加工性能的一個(gè)最基本量，變形抗力不僅表示材料本身的加工性能，也是設(shè)備選擇和工藝制定的技術(shù)依據(jù)，因此，對(duì)于材料在壓力加工時(shí)變形抗力的研究，具有重要意義。影響變形抗力的因素，除了材料本身的冶金因素外，還取決于變形溫度、變形量及變形速度等。從理論上講，可以用物理模擬和數(shù)值模擬的方法建立變形抗力(或流變應(yīng)力)與各影響因素之間關(guān)系的物理模型和數(shù)學(xué)模型。目前在Gleeble 3800 熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行軋制變形抗力的測(cè)定，主要是在液壓楔系統(tǒng)上進(jìn)行流變應(yīng)力壓縮試驗(yàn)和平面應(yīng)變壓縮試驗(yàn)。

控制液壓楔系統(tǒng)的軟件編程類似一組多機(jī)架軋機(jī)機(jī)組，該編程軟件將從加熱爐至控冷機(jī)組的一系列參數(shù)自動(dòng)轉(zhuǎn)換成實(shí)驗(yàn)控制參數(shù)來(lái)控制試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)的應(yīng)變及應(yīng)變速率，選擇適當(dāng)?shù)牟蓸宇l率，通過(guò)Origin數(shù)據(jù)處理軟件，可以繪制出多道次變形應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖8所示。結(jié)合金相組織分析可研究軋制溫度、變形量、變形速率、保溫時(shí)間和軋制道次對(duì)材料組織和性能的影響。

圖8 六道次變形應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3 結(jié)論

隨著熱模擬技術(shù)水平的不斷提高，熱模擬設(shè)備的功能不斷開發(fā)，模擬精度逐漸提高，熱模擬試驗(yàn)機(jī)在焊接、鍛壓、鑄造、熱處理等加工領(lǐng)域，以及新材料的研制、工程部件與結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性和安全可靠性的評(píng)定方面做出卓越貢獻(xiàn)，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。Gleeble 3800 熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)在安鋼的使用，為新產(chǎn)品研發(fā)和工藝的優(yōu)化改進(jìn)提供了方便，解決了很多的困難和難題，大大降低了研發(fā)成本，縮短了研發(fā)周期。

[1] 牛濟(jì)泰.材料和熱加工領(lǐng)域的物理模擬技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1993:15-33

[2] Chen Wayne. Gleeble System and Application [M]. USA: Gleeble System Training School, 1998.

[3] Fuji Dempa Kori Co, Ltd. Specification of Thermecmastor -Z High Temperature Deformation Simulation and Mechanical Testing Machine [M]. Japan: Tokyo, 1996.

[4] 蔡開科，黨紫九.連鑄鋼高溫力學(xué)性能.北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1993:15-16.

APPLICATION OF GLEEBLE 3800 THERMAL SIMULATION TESTING MACHINE IN ANYANG STEEL

Du Haiming1Fei Xingang2Chao Daikun1Liu Yanhong1Wang Dandan1

(1.Anyang Iron and Steel Stock Co., Ltd； 2.Hubei Xinye Steel Co.,Ltd)

Gleeble 3800 thermal simulation testing machine is a thermal processing with analog metallic materials, physical properties testing and simulation of thermal/mechanical simulation analysis system. The structure and function of two optional testing units for Gleeble 3800 of Angang thermal simulated test machine are introduced. A series of thermal simulated test can be carried out by selecting the proper testing units. And also combined with the actual production of Anyang Steel, the application of thermal simulated test machine in new products development and the manufacturing processes optimization is discussed in detail.

thermal simulation technique thermal simulated test machine simulated test

明，助理工程師，河南.安陽(yáng)(455004)安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心；

2016—7—25