賈超文,韓培盛,朱曉宇,王效崗

(太原科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,太原 030024)

鋼鐵作為國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要經(jīng)濟(jì)支撐,幾乎90%以上的產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都離不開鋼材[1]。矯直工藝作為金屬加工中重要的工序,能夠消除板材缺陷和改善板材內(nèi)部殘余應(yīng)力的作用,被廣泛應(yīng)用在船舶、航天、機(jī)械裝備制造業(yè)、冶金工業(yè)和精密加工制造業(yè)[2]。國(guó)內(nèi)外關(guān)于矯直工藝的研究很多,其中,文獻(xiàn)[3]考慮了輥式矯直連續(xù)反彎過程中的應(yīng)力遺傳與反彎特性的耦合關(guān)系,得出不同初始曲率矯直過程中不同的變形歷史軌跡。Doege[4]通過實(shí)驗(yàn)分析了殘余曲率與殘余應(yīng)力的消減情況。詹光曹[5]研究得到,隨著矯直道次的增加,可以降低板材殘余應(yīng)力,改善板型。陳其安[6]通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)不同的矯直方式,影響材料的性能。Wang,J.[7]通過反復(fù)彎曲的實(shí)驗(yàn)研究了塑性變化引起的殘余應(yīng)力在分布,對(duì)材料結(jié)構(gòu)性能的影響。Aoki,H.[8]研究的熱矯直方法通常用于修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)的焊接變形。日本學(xué)者阿高松男通過對(duì)板材進(jìn)行多次矯直探究了矯直道次與板材殘余曲率和殘余應(yīng)力之間的關(guān)系。張祖光和李宜增[9-10]研究了矯直工藝對(duì)鋼軌力學(xué)性能、韌性和疲勞性能的影響。張偉福[11]通過對(duì)X80鋼矯直前后的性能實(shí)驗(yàn),研究了不同含碳量下材料性能變化規(guī)律。張有為[12]等人運(yùn)用微機(jī)液壓萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn),對(duì)比了自然時(shí)效和矯直對(duì)HRB400螺紋鋼的力學(xué)性能影響,發(fā)現(xiàn)自然時(shí)效對(duì)屈服強(qiáng)度的影響要大于矯直對(duì)屈服強(qiáng)度的影響。楊強(qiáng)華[13]通過建立矯直的力學(xué)模型對(duì)中厚板矯直的進(jìn)程進(jìn)行分析,開發(fā)出中厚板的冷矯直工藝,有效的保證了矯后鋼板的板型。張婧[14]通過速度控制模型實(shí)現(xiàn)了矯直過程中延伸率的良好控制效果。李崗[15]的研究結(jié)果顯示出矯直對(duì)材料力學(xué)性能產(chǎn)生變化的主要原因是產(chǎn)生了殘余應(yīng)力的結(jié)果。

以上研究大多都是進(jìn)行殘余曲率和殘余應(yīng)力方面的研究,關(guān)于矯直次數(shù)與壓下量對(duì)不同材料板材組織和性能的對(duì)比研究較少。本文利用十一輥全液壓矯直機(jī)試驗(yàn)平臺(tái),對(duì)S201、S304和碳鋼Q345、Q960進(jìn)行不同工藝的板材矯直試驗(yàn),通過材料性能及微觀組織研究分析了矯直對(duì)材料性能的影響及其規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

采用11輥全液壓矯直實(shí)驗(yàn)設(shè)備,該設(shè)備主要由門式機(jī)架、液壓平衡系統(tǒng)、數(shù)控式液壓壓下系統(tǒng)、液壓彎輥系統(tǒng)、控制臺(tái)等部分組成。其規(guī)格參數(shù)見表1.

表1 11-95/100-1200輥式矯直機(jī)參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料選用不銹鋼板S304、S201和碳鋼板Q345、Q960,其中S304和S201是經(jīng)過預(yù)平整處理的鋼板,Q345為正火態(tài)、Q960為淬火回火態(tài)板材,材料化學(xué)成分見表2所示。S304、S201、Q345初始尺寸選為500 mm×100 mm×5 mm,Q960初始尺寸選為500 mm×100 mm×3 mm,矯直過程中鋼板的移動(dòng)方向示意圖如圖1(a)所示,其中x方向?yàn)槌C直方向,y方向和z方向分別為板寬和板厚方向,對(duì)矯直實(shí)驗(yàn)后的材料分別進(jìn)行顯微硬度測(cè)量,圖1(b)為硬度實(shí)驗(yàn)取點(diǎn)位置的示意圖。

圖1 板材的矯直方向與取點(diǎn)方位示意圖

表2 實(shí)驗(yàn)材料的主要化學(xué)成分(%)

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

1.3.1 矯直工藝

通過曲率積分理論,把對(duì)曲率和彎矩的積分轉(zhuǎn)變?yōu)榍实淖兓糠e分,不考慮材料應(yīng)力應(yīng)變非線性關(guān)系和曲率非線性變化之間的耦合關(guān)系,假設(shè)板材與矯直輥的接觸點(diǎn)為(xi,yi),以接觸處鋼板的斜率與軌跡的接觸點(diǎn)斜率相等為收斂條件即:

dzi/dxi=tanθi

則矯直壓下量的關(guān)系可以用下列公式1、2進(jìn)行計(jì)算:

(1)

(2)

式中:θi表示矯直輥垂線與矯直輥與板材接觸點(diǎn)的傾角,δi表示第i輥的壓下量。

采用上述壓下量公式分別為設(shè)計(jì)了三種工藝進(jìn)行矯直,每種材料進(jìn)行三種壓下量、六次的矯直,并對(duì)每次矯直后的殘余曲率進(jìn)行測(cè)量。不同矯直工藝對(duì)應(yīng)的實(shí)際壓下量及矯直速度見表3.

表3 不同工藝矯直方案

1.3.2 拉伸試驗(yàn)

用電火花切割機(jī)線沿矯直方向和板寬方向切割取樣,選取矯直前和矯直后板材的拉伸試樣,取中間段的穩(wěn)定矯直區(qū)域分別制得試驗(yàn)所需的拉伸試樣,并對(duì)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn),拉伸速度為1.5 mm/min.

1.3.3 顯微硬度試驗(yàn)與顯微組織觀察

用線切割制取金相試樣,用亞克力粉快速鑲嵌固化劑對(duì)材料進(jìn)行冷鑲嵌露出待測(cè)表面,對(duì)待測(cè)表面依次使用80#、180#、320#、400#、600#、800#、1000#、1200#和1500#等型號(hào)的砂紙進(jìn)行研磨,之后對(duì)材料用拋光機(jī)進(jìn)行拋光,在拋光時(shí)注意將試樣均勻壓在拋光盤上,并噴灑拋光液打磨劃痕,在顯微鏡下觀察到?jīng)]有明顯劃痕后用4%的硝酸酒精溶液對(duì)待測(cè)表面進(jìn)行處理,將處理后的試樣用酒精清洗并用冷風(fēng)吹干。

在板材的中性層和上下層選取硬度測(cè)量點(diǎn),每個(gè)待測(cè)區(qū)域的取點(diǎn)位置見圖1(b),圖中兩個(gè)點(diǎn)之間的距離為1mm左右,每個(gè)點(diǎn)的硬度值是三次測(cè)量的平均值。用顯微維氏硬度儀對(duì)不同壓下量矯直后的鋼板進(jìn)行顯微硬度測(cè)量。采用基恩士VHX-2000超景深三維顯微系統(tǒng)進(jìn)行顯微組織觀察和拍照。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 矯直后拉伸性能的研究

通過拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理,分別得到經(jīng)過三道次矯直后S201、S304、Q345與Q960拉伸試件的抗拉強(qiáng)度,通過與原材料的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比,得到隨矯直壓下量增大時(shí)材料沿板寬方向與矯直方向的抗拉強(qiáng)度變化圖,如下圖3所示。

從圖2中可以明顯看出:S201、S304與碳鋼Q345和Q960的屈服強(qiáng)度隨著矯直壓下量的增加而增大,說明隨著矯直壓下量的增大,矯直后材料的屈服強(qiáng)度隨之增大,由圖3中可以明顯看出:抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律與屈服強(qiáng)度的變化規(guī)律相同,說明其抗拉強(qiáng)度也隨之增大。四種材料沿著矯直方向的應(yīng)力值大于沿板寬方向上的應(yīng)力值,說明板材在矯直后沿矯直方向的抗拉強(qiáng)度要大于沿板寬方向的抗拉強(qiáng)度。

圖2 四種材料在不同道次矯直前后屈服強(qiáng)度應(yīng)力值變化

圖3 四種材料在不同道次矯直前后抗拉強(qiáng)度應(yīng)力值變化

矯直設(shè)備不僅應(yīng)用在傳統(tǒng)冶金鋼板生產(chǎn)過程中,零件的冷加工也較為廣泛,由于材料寬度和長(zhǎng)度方向抗拉性能的差異,造成板材后續(xù)加工變形過程出現(xiàn)各種浪形缺陷,通過矯直工藝形式的冷加工可以均衡長(zhǎng)寬方向的拉伸性能。有利于后續(xù)的使用和加工。

2.2 顯微組織分析

圖4表示S304沿x方向橫截面顯微組織圖,從圖中可以看出隨著矯直壓下量的增大,晶粒沿著矯直方向伸長(zhǎng),壓下量越大,晶粒的伸長(zhǎng)量越大。圖5表示S304沿z方向橫截面顯微組織圖,對(duì)比原材料和矯直后的材料可以發(fā)現(xiàn):隨著矯直壓下量的增大,材料的大晶粒數(shù)目逐漸減少,即晶粒變的越來越細(xì)密。

圖4 S304在不同壓下量下沿矯直方向顯微組織圖

圖5 S304在不同壓下量下沿板寬方向顯微組織圖

本文的矯直溫度為常溫,屬于冷矯直,金屬的變形為冷變形。晶粒細(xì)化的機(jī)理為:金屬在冷塑變形時(shí),金屬晶體在外力作用下,隨著變形量的增加,晶粒外形由原先的等軸晶粒逐漸改變?yōu)檠刈冃畏较虮焕L(zhǎng)或壓扁的晶粒。當(dāng)變形量很大時(shí),亞結(jié)構(gòu)細(xì)化,產(chǎn)生變形織構(gòu),導(dǎo)致強(qiáng)度增大。通過對(duì)比S304矯直前后的顯微組織圖可知:板材在矯直后沿板寬方向與矯直方向的晶粒有明顯的差別,材料沿矯直方向的晶粒比沿板寬方向的晶粒要細(xì)密,沿矯直方向的晶粒在矯直后有明顯的拉伸痕跡。在三種道次的矯直工藝下,隨著壓下量的增大,板材中金屬晶體的晶粒沿矯直方向被拉長(zhǎng),亞結(jié)構(gòu)細(xì)化,晶粒分布更加均勻,有效提高材料的強(qiáng)度和硬度。隨著晶粒的細(xì)化,當(dāng)板材受到外力發(fā)生塑性變形時(shí),可分散在更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行,塑性變形均勻性有效提升,應(yīng)力集中較小;此外,隨著晶粒細(xì)化,晶界面積增大,晶界越曲折,越不利于裂紋的擴(kuò)展,有效提升板材在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。

圖6表示不銹鋼S304原材料與在三種矯直工藝下在上下層與中性層的硬度變化情況,其余三種材料在硬度方面的變化趨勢(shì)與該材料一致,可以明顯看出,板材經(jīng)過矯直后其硬度變大,說明隨著隨著矯直壓下量的增大,塑性變形增大,晶粒更細(xì),故硬度增加;硬度的大小分布為:上層的硬度大于等于下層的硬度大于中性層的硬度,這是由于矯直機(jī)上下輥數(shù)不同,在矯直過程中彎曲次數(shù)不同,造成了上下層硬度的差異。

圖6 S304在不同工藝下在上、中、下層的硬度變化

3 結(jié)論

(1)板材在矯直后沿矯直方向的抗拉強(qiáng)度要大于沿板寬方向的抗拉強(qiáng)度,但鋼板在矯直后材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均有所提升。

(2)在三種道次的矯直工藝下,隨著壓下量的增大,板材中金屬晶體的晶粒沿矯直方向被拉長(zhǎng),亞結(jié)構(gòu)細(xì)化,晶粒分布更加均勻,有效提高材料的強(qiáng)度和硬度。

(3)矯直會(huì)使材料的硬度提高,隨著壓下量的增大而增大,材料在中性層的硬度要小于在上下層的硬度。