姬亞鋒， 牛 晶， 王曉軍， 孫 杰

(1. 太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 山西 太原 030024； 2. 東北大學(xué) 軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 沈陽(yáng) 110819)

2205雙相不銹鋼具有精良的韌性、延展性及焊接性，并具有較奧氏體不銹鋼兩倍的屈服強(qiáng)度.除此之外，該類(lèi)鋼中的含鎳量極低，解決了工業(yè)用鎳資源的不足，使工業(yè)成本大大降低，因而經(jīng)濟(jì)型雙相不銹鋼在世界各個(gè)行業(yè)被廣泛應(yīng)用.但由于2205雙相不銹鋼軋制過(guò)程的熱加工性能相對(duì)較差，容易出現(xiàn)邊裂損傷，導(dǎo)致2205雙相不銹鋼的成材率降低[1].

目前大多數(shù)研究都是分析溫度、壓下量等軋制參數(shù)對(duì)不銹鋼軋制的影響，主要采用單目標(biāo)壓下量軋制.Thakur等[2]基于熱壓縮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并采用Arrhenius方程建立了Nb-V-Ti微合金鋼的本構(gòu)方程，計(jì)算了不同應(yīng)變下的材料常數(shù).Ji等研究了變厚度交叉軋制對(duì)鎂合金板帶損傷的影響，結(jié)果表明變厚度交叉軋制能夠有效減少板帶邊部損傷，并且通過(guò)優(yōu)化邊部變厚度曲線能夠提高組織均勻性，改善板帶邊部裂紋[3-5].Wang等[6]研究了變厚度軋制方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明變厚度軋制變形區(qū)應(yīng)力狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化.Jiang等[7]研究發(fā)現(xiàn)交叉軋制能夠有效提高奧氏體不銹鋼孿生因子，促進(jìn)多次孿生.齊艷陽(yáng)等[8]基于FEM研究了軋制預(yù)變形對(duì)AZ31B鎂合金熱軋板材邊部損傷的影響規(guī)律，結(jié)果表明,軋制預(yù)變形能夠顯著降低鎂合金板材邊部的損傷.段曉鴿等[9]分析了6016鋁合金板帶在不同軋制方式下的組織性能，結(jié)果表明交叉軋制能夠有效改善板帶組織均勻性和塑性各向異性.武曉剛等[10]通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了合理的差厚軋制工藝能夠有效改善鋼板變形滲透性與組織均勻性.江鴻等[11]研究多道次軋制和不同壓下量對(duì)板帶邊裂的影響，結(jié)果表明多道次小壓下量軋制有利于改善板形.

針對(duì)不銹鋼邊裂損傷問(wèn)題，采用變厚度交叉軋制分區(qū)域控制壓下率的策略，設(shè)計(jì)板帶變厚度軋制過(guò)程的邊部曲線形狀，分析了不同工藝條件下邊部損傷情況和金屬流動(dòng)規(guī)律，仿真實(shí)驗(yàn)表明變厚度交叉軋制能夠有效減小邊部損傷，改善板形并提高了板帶成材率.

1 2205雙相不銹鋼變厚度交叉軋制力學(xué)模型的建立

1.1 2205雙相不銹鋼熱變形行為

1.1.1 2205雙相不銹鋼熱變形本構(gòu)方程

首先通過(guò)Gleeble-3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)2205雙相不銹鋼在不同條件下的真應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在變形溫度為850～1 100 ℃，應(yīng)變速率為0.01～10 s-1的條件下，得到如圖1所示的真應(yīng)力應(yīng)變曲線.

圖1 2205雙相不銹鋼真應(yīng)力應(yīng)變曲線

(1)

式中：σ為流變應(yīng)力；n1，n為加工硬化指數(shù)；A1，A2，A代表不同應(yīng)力水平下的材料常數(shù)；α，β為材料有關(guān)常數(shù)，α為最優(yōu)化因子，且α=β/n1.

圖2 不同參數(shù)間的擬合關(guān)系圖

將所得參數(shù)代入式(1)可得不同溫度下A的值，A1=1.441×1018，A2=3.667×1019，A=1.86×1018.則2205雙相不銹鋼的熱變形本構(gòu)方程為

(2)

1.1.2 2205雙相不銹鋼變形抗力模型的建立

變形抗力是指變形材料抵抗塑性變形的能力.變形抗力數(shù)學(xué)模型的預(yù)測(cè)精度對(duì)軋制力模型的預(yù)測(cè)精度具有直接的影響，是軋制過(guò)程板厚控制最為重要的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型，一般應(yīng)用Z參數(shù)來(lái)表示應(yīng)變溫度及應(yīng)變速率對(duì)變形過(guò)程的影響，計(jì)算可得Z與其峰值應(yīng)力線性相關(guān)系數(shù)R2=0.98.

(3)

則可得峰值應(yīng)力與變形參數(shù)Z的關(guān)系為

σp=170.65ln{[Z/(1.86×1018)]1/3.526 3+{[Z/(1.86×1019)]2/3.526 3+1}1/2} .

(4)

將lnZ與σp線性擬合可知lnZ與σp之間存在兩種線性關(guān)系，臨界值為38，則

(5)

將Q代入式(3)計(jì)算Z，進(jìn)而得

(6)

1.2 2205雙相不銹鋼軋制力數(shù)學(xué)模型

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中軋制力的預(yù)測(cè)可以有效驗(yàn)證軋制過(guò)程的準(zhǔn)確性，軋制力模型一般采用Sims軋制力模型，基本形式如下：

(7)

(8)

K=1.15σp.

(9)

圖3為變厚度軋制過(guò)程板帶厚度隨時(shí)間變化示意圖.其中:I,II區(qū)域?yàn)闇p薄區(qū)；III區(qū)域?yàn)槠胀ㄆ杰垍^(qū)；IV,V區(qū)域?yàn)樵龊駞^(qū).

1) 變厚度軋制過(guò)程中不同軋制區(qū)域出口厚度(h)計(jì)算：

圖3 板帶厚度變化示意圖

(10)

2) 變厚度軋制主要有增厚軋制和減薄軋制兩種形式，如圖4所示.

圖4 軋制不同變形區(qū)示意圖

中性面高度(hγ)計(jì)算：

(11)

式中：D為軋輥直徑；γ為中性角；φ為變厚度軋制過(guò)程中的楔形角.

接觸弧長(zhǎng)計(jì)算：

(12)

咬入角計(jì)算：

(13)

中性角計(jì)算：

(14)

式中：λ為引入系數(shù)，對(duì)于增厚軋制λ為1，減薄軋制λ為-1；f為穩(wěn)定軋制時(shí)的摩擦系數(shù).

前滑值計(jì)算：

(15)

軋制寬展模型(古布金公式)：

(16)

(17)

2 仿真實(shí)驗(yàn)

為了分析不銹鋼在不同軋制工藝下的邊部損傷問(wèn)題，采用Deform-3D軟件對(duì)2205雙相不銹鋼軋制過(guò)程進(jìn)行仿真模擬分析，軋輥尺寸φ320 mm×360 mm，2205雙相不銹鋼板坯尺寸為100 mm×100 mm×4 mm，Deform-3D數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)中的熱軋參數(shù)如表1所示.將2205雙相不銹鋼坯料在1 000 ℃的初始溫度下進(jìn)行三道次普通平軋、交叉軋制和變厚度交叉軋制，軋制速度為1 m/s.不同軋制工藝流程如下：取4個(gè)試樣，對(duì)試樣1進(jìn)行三道次普通平軋；試樣2首先進(jìn)行第一道次普通平軋，然后將板帶逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°進(jìn)行第二道次軋制，之后順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°進(jìn)行第三道次軋制；試樣3和試樣4在第一道次調(diào)節(jié)輥縫軋制后軋制成為中間薄兩邊厚的“狗骨”形狀，第二、三道次同試樣2，每道次壓下量如表2所示,軋制過(guò)程如圖5所示.

表1 2205雙相不銹鋼熱軋參數(shù)Table 1 The hot-rolling parameters of 2205 duplex stainless steel

表2 各道次壓下量Table 2 Reduction in each pass

在第一道次軋制過(guò)程中，試樣3和試樣4通過(guò)調(diào)節(jié)軋輥輥縫實(shí)現(xiàn)變厚度軋制，其軋輥壓下速度及軋后形狀如圖6所示.

圖5 工藝流程圖

圖6 軋輥壓下速度及軋后形狀圖

3 分析及討論

3.1 板帶損傷因子分布云圖

損傷因子作為板帶材料的一個(gè)重要的物理量，反映材料的斷裂趨勢(shì).當(dāng)損傷因子達(dá)到或超過(guò)臨界損傷值時(shí)材料會(huì)發(fā)生斷裂，損傷因子越小，其斷裂的幾率就越小.通過(guò)有限元數(shù)值模擬，4個(gè)試樣在進(jìn)行不同的軋制工藝流程之后各板帶的損傷因子分布云圖如圖7所示，可以清晰地反映出軋制后板帶不同位置的損傷情況.

試樣1～4在三道次軋制后的最大損傷因子分布見(jiàn)圖7.

由圖7可知，不同軋制條件下板帶損傷的最大值都出現(xiàn)在不銹鋼板帶的邊部區(qū)域.試樣1在進(jìn)行三道次普通平軋后的最大損傷因子為1.02，其邊部損傷最為嚴(yán)重；試樣2在進(jìn)行三道次交叉軋制后的最大損傷因子為0.841，相對(duì)于試樣1較小，說(shuō)明交叉軋制相對(duì)于普通平軋能夠有效減小邊部損傷；試樣3和4在進(jìn)行變厚度交叉軋制后的最大損傷因子分別為0.793，0.823，相對(duì)于試樣2較小，說(shuō)明變厚度交叉軋制相對(duì)于普通交叉軋制更有利于減小板帶邊部損傷，同時(shí)試樣3的最大損傷因子相對(duì)于試樣4較小，說(shuō)明工藝3中的軋制方法相對(duì)于工藝4的軋制方法效果更為理想，可以更好地抑制邊裂損傷.

圖7 不同試樣軋后邊部損傷因子圖

3.2 邊部應(yīng)力曲線及金屬流動(dòng)規(guī)律分析

在不銹鋼板帶變形過(guò)程中，變形區(qū)內(nèi)金屬質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)遵從最小阻力定律，軋件變形區(qū)域中部的金屬沿軋制方向運(yùn)動(dòng)的阻力較小，而變形區(qū)域邊部的金屬沿軋制寬度方向的阻力較小.改變板帶軋制過(guò)程中變形區(qū)內(nèi)沿軋制方向(RD)、寬度方向(TD)和法向(ND)的三向應(yīng)力分布狀態(tài)是改善不銹鋼軋制邊部損傷的重要環(huán)節(jié).不同軋制方法下板帶變形區(qū)內(nèi)的三向應(yīng)力狀態(tài)存在較大差異，如圖8所示.

圖8 雙相不銹鋼板帶變形區(qū)應(yīng)力分布

對(duì)于普通平軋(工藝1)，軋件變形區(qū)中部區(qū)域的三向應(yīng)力均為壓應(yīng)力，邊部區(qū)域沿寬度方向和法向受到壓應(yīng)力作用，而軋制方向?yàn)槔瓚?yīng)力.由于軋件中部區(qū)域沿軋制方向的金屬流動(dòng)量要大于邊部區(qū)域的金屬流動(dòng)量，導(dǎo)致軋件邊部區(qū)域的延伸率比中部區(qū)域的延伸率小，從而使軋件邊部產(chǎn)生沿軋制方向上的拉應(yīng)力，因此軋后形狀沿軋制方向呈“舌頭”形狀，造成了2205雙相不銹鋼板帶邊部裂紋的產(chǎn)生，導(dǎo)致板帶邊部損傷較大.

對(duì)于變厚度交叉軋制(工藝3,4)，軋件在第一道次軋制過(guò)程中通過(guò)調(diào)節(jié)輥縫使軋件成為中間薄、兩邊厚的“狗骨”形狀，使軋件邊部和中部產(chǎn)生厚度差，這樣在第二道次軋制時(shí)軋件邊部區(qū)域相對(duì)于中部區(qū)域產(chǎn)生較大的壓下量，致使軋件邊部區(qū)域產(chǎn)生更大的延伸率，使得板帶邊部區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，產(chǎn)生沿軋制方向上的壓應(yīng)力，從而使軋件中部區(qū)域和邊部區(qū)域的金屬流動(dòng)形成同步性，軋件軋后形狀沿軋制方向呈“月牙”形狀.相對(duì)于普通平軋，變厚度軋制的板帶中部變形區(qū)域?qū)叢繀^(qū)域的拉伸作用較小，因而減少板帶邊部損傷.

為得到軋件在軋制過(guò)程中沿軋制方向上的應(yīng)力分布，每個(gè)試樣沿寬度方向不同厚度區(qū)域標(biāo)記9個(gè)點(diǎn)，如圖9所示.通過(guò)軟件的后處理功能得到軋件在第二道次軋制過(guò)程中沿軋制方向上的應(yīng)力分布及軋件X方向位移分布如圖10所示，應(yīng)力值大于0表示軋件受到拉應(yīng)力，小于0則表示軋件受到壓應(yīng)力.

由圖10a可知，在普通平軋過(guò)程中，軋件沿軋制方向的邊部區(qū)域受到拉應(yīng)力作用，而中部區(qū)域受到壓應(yīng)力作用，導(dǎo)致軋件邊部區(qū)域沿軋制方向的位移比中部區(qū)域的位移小1 mm；由圖10b可知，軋件邊部區(qū)域同樣受到拉應(yīng)力作用，邊部區(qū)域比中部區(qū)域沿軋制方向的位移小0.6 mm，相對(duì)于普通平軋較小，因而交叉軋制較于普通平軋能夠有效減小邊部損傷；由圖10c,10d可以看出變厚度交叉軋制過(guò)程中，軋件邊部厚區(qū)所受到的壓應(yīng)力大于中部薄區(qū)，這是由于在軋制過(guò)程中邊部增厚區(qū)域壓下量增大，使得軋件邊部厚區(qū)沿軋制方向上的延伸量相對(duì)于中部薄區(qū)的延伸量較大，因而，軋件邊部拉應(yīng)力顯著減小，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力.

圖9 試樣選點(diǎn)位置圖

因此變厚度交叉軋制可以改善軋件變形區(qū)域金屬流動(dòng)，使邊部區(qū)域和中部區(qū)域沿軋制方向盡可能同步流動(dòng).同時(shí)試樣3中的軋制方式使得軋件在邊部區(qū)域和中部區(qū)域均受到壓應(yīng)力作用，而試樣4中由于最邊部區(qū)域較薄，在邊部第一個(gè)點(diǎn)仍受到拉應(yīng)力作用，因此試樣3中的軋制方式更能有效減小板帶邊部損傷，使軋后板材形狀近似矩形，減小板帶切邊量，有效提高板材成材率.

圖10 軋制方向應(yīng)力曲線圖和位移圖

4 結(jié) 論

1) 基于2205雙相不銹鋼的熱壓縮模擬數(shù)據(jù)，建立其熱變形本構(gòu)方程及軋制力學(xué)模型，為2205雙相不銹鋼的熱軋制成形過(guò)程提供了理論依據(jù).

2) 根據(jù)變厚度軋制理論，采用變厚度交叉軋制實(shí)現(xiàn)板帶邊部和中部區(qū)域不同壓下率控制，使板帶邊部厚區(qū)沿軋制方向產(chǎn)生較中部薄區(qū)大的延伸量，以改善2205雙相不銹鋼板帶邊部應(yīng)力分布，使其由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，有效減小板帶邊裂損傷.

3) 分析不同工藝條件對(duì)2205雙相不銹鋼邊部損傷的影響，結(jié)果表明試樣3所采用的邊部變厚度曲線的軋制工藝方式能夠有效降低邊部損傷，比試樣1，2，4的最大損傷因子分別減小了22%，6%，4%，因此試樣3中邊部變厚度曲線可以顯著降低邊裂損傷，有效改善板形，提高板帶質(zhì)量.