1、第21卷第6期2009年6月鋼鐵研究學(xué)報(bào)JournalofIronandSteelResearchVol.21,No.6June2009熱軋變形軋件內(nèi)部裂紋愈合實(shí)驗(yàn)研究和機(jī)理分析劉相華,喻海良(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)110004)摘要:對(duì)熱軋過(guò)程中軋件內(nèi)部裂紋的愈合行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)裂紋愈合經(jīng)歷了表面貼合、間斷性局部愈合、愈合區(qū)擴(kuò)展及完全愈合4個(gè)階段,以此為依據(jù)提出了軋件內(nèi)部裂紋愈合的機(jī)理。其要點(diǎn)是提出裂紋貼合深度新概念,指出隨軋制過(guò)程進(jìn)行裂紋貼合深度逐步減小,當(dāng)局部的貼合深度小于某臨界值時(shí),裂紋兩側(cè)原子互相作用形成統(tǒng)一晶格,使裂紋出現(xiàn)局部愈合及愈合區(qū)擴(kuò)展。

2、熱軋變形中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)能促進(jìn)裂紋愈合。關(guān)鍵詞:熱軋;裂紋愈合;變形中圖分類號(hào):TG33511文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):100120963(2009)0620036204AnalysisofCrackHealinginHotRolledDeformedLIUXiang2hua,YUliangKeywords:hotrolling;crackhealing;deformation軋制過(guò)程中軋件內(nèi)部裂紋在一定條件下能夠愈合,這已被生產(chǎn)實(shí)踐和很多實(shí)驗(yàn)研究所證實(shí)。人們對(duì)高溫?cái)U(kuò)散性裂紋愈合1,2及脈沖電流下3,4裂紋愈合行為與機(jī)理進(jìn)行了研究,但是對(duì)軋制變形條件下裂紋愈合機(jī)理研究不多,對(duì)裂紋愈合條件和促使裂紋愈合

3、的工藝參數(shù)范圍等不夠清楚。在用戶對(duì)軋制產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量越來(lái)越關(guān)注的情況下,需要深入開(kāi)展裂紋愈合的研究。軋制過(guò)程中有大量原子定向移動(dòng),出現(xiàn)塑性變形。在此過(guò)程中所謂裂紋愈合,應(yīng)該是裂紋兩側(cè)有大量的原子在定向移動(dòng)中相互穿越原有的裂紋表面與對(duì)面最臨近的原子構(gòu)成新的晶格點(diǎn)陣,導(dǎo)致原有裂紋表面消失。隨著變形量的增加,愈合點(diǎn)會(huì)逐步擴(kuò)大為局部愈合區(qū),最終實(shí)現(xiàn)完全愈合。顯然裂紋基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50634030)表面的清潔無(wú)氧化是裂紋完全愈合的一個(gè)重要條件。本文設(shè)計(jì)了一組實(shí)驗(yàn),研究軋制壓下率等參數(shù)對(duì)裂紋愈合行為的影響。在分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,提出熱軋變形過(guò)程中裂紋愈合的機(jī)理,給出了能使裂紋愈

4、合的臨界壓下率估算公式,為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)軋件內(nèi)部裂紋控制提供了基礎(chǔ)。1實(shí)驗(yàn)研究111實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)條件以普碳鋼為對(duì)象進(jìn)行裂紋愈合行為的實(shí)驗(yàn)研究,在東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的熱軋實(shí)驗(yàn)軋機(jī)上進(jìn)行熱軋實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)工藝的主要參數(shù)為:軋輥直徑<450mm,軋制速第6期劉相華等:熱軋變形軋件內(nèi)部裂紋愈合實(shí)驗(yàn)研究和機(jī)理分析37度114m/s,軋制溫度1160,帶有預(yù)置內(nèi)部裂紋的軋件軋前厚度(2h)25mm,軋前軋件寬度(w)60mm,軋前軋件長(zhǎng)度(l)100mm。按照表1的方案軋制成6種不同的厚度,觀察預(yù)置裂紋的愈合情況。預(yù)置內(nèi)部裂紋的軋件制作方法為:將鋼板加工成120mm&#

5、215;60mm×1215mm的試樣;將試樣表面用平面磨床磨平,用酒精清洗并干燥;將兩塊磨好的鋼板磨削面相對(duì)疊合、壓緊、四周焊合,不留任何縫隙,防止加熱和軋制過(guò)程中預(yù)置裂紋表面氧化。焊合后帶有預(yù)置內(nèi)部裂紋的軋件如圖1所示(H為軋件厚度方向,W為軋件寬度方向,L為軋件長(zhǎng)度方向)。將試樣加熱到1200,保溫2h,對(duì)含預(yù)置內(nèi)部裂紋的試樣進(jìn)行熱軋,將軋好的試樣放入石棉箱保溫、緩慢冷卻。沿垂直于軋制方向?qū)υ嚇舆M(jìn)行切割。將試樣的切割面進(jìn)行研磨、拋光,用無(wú)水乙醇清洗并干燥,用4%硝酸酒精對(duì)軋件進(jìn)行腐蝕,腐蝕時(shí)表1實(shí)驗(yàn)方案Table1Experimentalscheme方案13456圖1預(yù)置裂紋示意

6、圖Fig11Slabwithpre2cracks間為30s。將腐蝕好的試樣采用美國(guó)FEI公司的QUANTA600掃描電子顯微鏡觀察,了解裂紋的愈合情況。112實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖2)為5%時(shí),果。當(dāng)壓下率(;在10少,;20%時(shí),裂,但是還可以明顯地看出未愈;在30%40%(a)=5%;(b)=10%;(c)=20%;(d)=30%;(e)=40%;(f)=50%圖2裂紋愈合狀況的掃描照片F(xiàn)ig12SEMphotographofcrackhealing38鋼鐵研究學(xué)報(bào)第21卷合等幾個(gè)階段。從圖2還可以看出,裂紋在由連續(xù)變?yōu)殚g斷的過(guò)程中,其深度自裂紋尖端至裂紋中部逐漸增大,這反映出裂紋的愈合過(guò)程表現(xiàn)為裂紋

7、尖端的不連續(xù)收縮,以及同時(shí)發(fā)生的裂紋區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)新的愈合點(diǎn),這些現(xiàn)象為筆者提出新的裂紋愈合機(jī)理提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。貼合在一起,從局部上看,在dL0區(qū)域內(nèi)僅在i個(gè)點(diǎn)處裂紋的上下表面接觸,如圖3(c)所示。圖中H0為裂紋兩側(cè)凸凹不平表面之間的最大垂直距離,稱為初始裂紋貼合深度。(3)間斷性局部愈合:裂紋進(jìn)入變形區(qū)后,在壓應(yīng)力和軋件延伸的雙重作用下,微區(qū)內(nèi)dL0伸長(zhǎng)為dL1,H0壓縮到H1,同時(shí)圖3(c)中犬牙交錯(cuò)的粗造表面將在接觸點(diǎn)i處首先發(fā)生壓縮變形,出現(xiàn)接觸區(qū)Li1,如圖3(d)所示。接觸區(qū)內(nèi)裂紋兩側(cè)表面附近的原子將在塑性變形過(guò)程中與對(duì)面的原子發(fā)生相互作用,成為一個(gè)晶粒內(nèi)統(tǒng)一的晶格點(diǎn)陣,導(dǎo)致局部愈合

8、。需要指出,當(dāng)塑性變形中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)達(dá)到有愈合趨勢(shì)的裂紋局部區(qū)域時(shí),將對(duì)附近原子的重新排列起到促進(jìn)作用,一旦位錯(cuò)穿越裂紋貼合面進(jìn)入對(duì)面的晶體,標(biāo)志著裂紋局部愈合已完成。與僅僅依靠高溫?cái)U(kuò)散機(jī)制相比,(4):,微區(qū)長(zhǎng)H,愈合區(qū)比例超過(guò)50%,未愈合區(qū)成為斷續(xù)的裂紋殘骸。(5)完全愈合:在(4)的基礎(chǔ)上繼續(xù)變形,大部分裂紋殘骸也得以愈合,已經(jīng)看不到原來(lái)裂紋的痕跡,僅有個(gè)別夾雜或者被污染(如氧化)的點(diǎn)處表明這里曾經(jīng)有過(guò)裂紋,如圖3(f)所示。2裂紋愈合過(guò)程分析顯然壓應(yīng)力狀態(tài)有利于促進(jìn)裂紋的愈合,軋制過(guò)程中變形區(qū)內(nèi)的主導(dǎo)應(yīng)力狀態(tài)是壓應(yīng)力。軋制變形區(qū)中部厚度方向的壓應(yīng)力最強(qiáng),有利于裂紋愈合。在沿裂紋法線方向壓

9、應(yīng)力的作用下,在從變形區(qū)入口向出口塑性變形程度逐漸加大的過(guò)程中,在裂紋表面附近有大量原子離開(kāi)了它原來(lái)的平衡位置而找到其新的平衡位置,同時(shí)完成了裂紋上下兩個(gè)表面經(jīng)歷由分離到緊密貼合,局部愈合及愈合區(qū)擴(kuò)大直到完全愈合的過(guò)程,如圖3所示。從介觀的尺度來(lái)看,裂紋表面凹凸不平,具有一定的粗糙度。取裂紋中的一小段dL0來(lái)分析,合過(guò)程如下。(1)初始狀態(tài):裂紋,圖3(a),裂紋表面凸凹不平圖3(b(2)表面貼合:在連續(xù)的裂紋中,取dL0小段作為分析對(duì)象。在壓應(yīng)力的作用下,分離的裂紋表面圖3裂紋愈合過(guò)程示意圖Fig13Sketchofcracksurfacechangeduringcrackhealing第6

10、期劉相華等:熱軋變形軋件內(nèi)部裂紋愈合實(shí)驗(yàn)研究和機(jī)理分析39基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果,總結(jié)上面的分析,筆者提出如下軋制過(guò)程中裂紋愈合機(jī)理:軋制過(guò)程中內(nèi)部裂紋愈合經(jīng)歷了緊密貼合、間斷性局部愈合、愈合區(qū)擴(kuò)展及完全愈合4個(gè)階段,實(shí)現(xiàn)愈合的條件是當(dāng)裂紋貼合深度隨著塑性變形過(guò)程的進(jìn)行被壓縮到小于某一臨界值時(shí),塑性變形中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)大范圍穿越裂紋表面,導(dǎo)致裂紋表面兩側(cè)有大量原子發(fā)生相互作用,重新排列成為統(tǒng)一的晶格點(diǎn)陣,形成新的晶粒,實(shí)現(xiàn)裂紋愈合。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果與機(jī)理分析,提出如下計(jì)算裂紋愈合的估計(jì)式。把裂紋貼合深度記為Hy,初始貼合深度記為H0,開(kāi)始出現(xiàn)大面積愈合的臨界貼合深度記為Hc,軋件壓下率記為,實(shí)現(xiàn)裂紋愈合的臨

11、界壓下率記為c,假設(shè)裂紋所在的微區(qū)與軋件整體同步延伸,在壓應(yīng)力的作用下,由于有裂紋的微區(qū)厚度方向的壓縮率會(huì)大于軋件整體壓下率,引入一個(gè)稱為壓下作用放大因子的系數(shù)K來(lái)表征這種作用,從而有:)(1)Hy=H0×(1-K裂紋愈合條件為:2)HyHc(2),:結(jié)合式(1)、(3)Hc=H0×(1)由式(3),有:1-c=KH0需的臨界壓下率減小。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果中,試件經(jīng)平面磨床加工,表面粗糙度約為116m,裂紋的初始貼合深度為116m×2=312m,假設(shè)取圖2(e)中40%壓下率為臨界壓下率c,取不同的壓下作用放大因子K,可以對(duì)臨界貼合深度Hc做出估計(jì)。當(dāng)K=110時(shí),Hc為

12、1192m;K=115時(shí),Hc為1128m;K=210時(shí),Hc為0164m;K=212時(shí),Hc為0138m。壓下作用放大因子K可以通過(guò)對(duì)整個(gè)變形區(qū)及微區(qū)接觸點(diǎn)處進(jìn)行有限元數(shù)值分析做出估計(jì),此時(shí)需要考慮微區(qū)塑性變形與全局塑性變形相協(xié)調(diào)的關(guān)系。作為式(4)的一個(gè)應(yīng)用例子,假設(shè)某一種特定材料在特定溫度條件下其臨界貼合深度為1m,裂紋的初始貼合深度為10m,取放大因子K=115,代入式(4)可以估算出能使裂紋愈合的臨界軋制壓下率約為60%。3,發(fā)現(xiàn)裂紋愈合經(jīng)歷了表面緊密貼、愈合區(qū)擴(kuò)展及整體愈合4個(gè)階段。(2)利用塑性成形原理分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,指出軋制過(guò)程中裂紋愈合本質(zhì)上是由于在塑性變形中裂紋表面兩側(cè)有大量

13、原子在定向運(yùn)動(dòng)中穿越裂紋貼合區(qū)域表面,發(fā)生相互作用,使局部區(qū)域裂紋表面消失,形成統(tǒng)一的晶格點(diǎn)陣。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有利于促進(jìn)上述過(guò)程的進(jìn)行。(3)在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,提出裂紋貼合深度的概念,并用于分析裂紋愈合的臨界條件。給出了臨界貼合深度表達(dá)式和滿足裂紋愈合條件所需要的臨界軋制壓下率表達(dá)式。參考文獻(xiàn):1韋東濱,韓靜濤,謝建新.金屬材料內(nèi)部裂紋高溫愈合實(shí)驗(yàn)研(4)這里當(dāng)裂紋附近為壓應(yīng)力狀態(tài)時(shí):(5)1K<1/壓應(yīng)力越強(qiáng),K取值越大。式(4)可以用于估計(jì)滿足裂紋愈合條件所需要的臨界壓下率,并可用于分析影響裂紋愈合的3個(gè)因素。首先,能使裂紋的臨界貼合深度Hc加大的因素,如溫度適當(dāng)提高,裂紋表面兩側(cè)的原子熱振動(dòng)能量加大,位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)穿越裂紋表面的能力增強(qiáng),有利于裂紋愈合;軋制速度適當(dāng)減慢,接觸弧長(zhǎng)增加(軋輥直徑增大、壓下量增加),裂紋兩側(cè)的原子有充分的時(shí)間相互作用,有利于裂紋愈合;其次,能使裂紋的初始貼合深度H0減小的因素,如裂紋的尺寸小、表面粗糙度小(或模擬裂紋的表面加工光潔度好)以及晶粒尺寸較為細(xì)小時(shí),有利于裂紋愈合;再者,壓下作用放大因子K增大,變形區(qū)內(nèi)的壓應(yīng)力作用增強(qiáng),有利于裂紋愈合。簡(jiǎn)言之,Hc加大,H0減小,K增大,能使裂紋愈合所究J.北京科技大學(xué)學(xué)報(bào),2000,22(3):245.2KolmogorovVL,Smirn