一種差溫軋制的熱模擬方法
【專利摘要】本發(fā)明一種差溫軋制的熱模擬方法，屬于金屬材料工藝研究技術(shù)領(lǐng)域，該方法基于Gleeble熱模擬試驗(yàn)機(jī)，熱模擬試驗(yàn)機(jī)工作型腔腔體內(nèi)增設(shè)有噴氣冷卻裝置，實(shí)驗(yàn)步驟包括：制作、打磨試樣，焊接熱電偶，差溫軋制，淬火處理，實(shí)驗(yàn)分析。本方法利用Gleeble熱模擬試驗(yàn)機(jī)的加熱特性，改變常規(guī)的試樣尺寸，并使用輔助冷卻工具，提供一種實(shí)現(xiàn)差溫軋制工藝研究的熱模擬實(shí)驗(yàn)方法，為差溫軋制工藝的成熟應(yīng)用提供便捷的研究手段。
【專利說(shuō)明】
一種差溫軋制的熱模擬方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于金屬材料工藝研究技術(shù)領(lǐng)域，涉及鋼鐵材料差溫乳制工藝，具體涉及 利用Gleeble熱模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)鋼材進(jìn)行差溫乳制實(shí)驗(yàn)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 對(duì)于海洋、交通運(yùn)輸、能源和重大裝備等領(lǐng)域使用的厚規(guī)格鋼板和大規(guī)格線棒材， 其厚度在20mm以上，性能要求較高，常規(guī)熱乳存在厚度方向上變形不均勻的問(wèn)題。近年提出 的差溫乳制技術(shù)，是在乳制過(guò)程中邊快冷、邊乳制，冷卻來(lái)不及深入到內(nèi)部，在厚度方向上 形成表層低溫、中心層仍維持高溫的狀態(tài)，表層的低溫硬化層會(huì)促使變形深入到心部，心部 的應(yīng)變量將大大提高，有利于消除心部缺陷、細(xì)化心部晶粒，改善厚度方向上的變形均勻性 和強(qiáng)度。該技術(shù)有效解決了傳統(tǒng)乳制方法在厚規(guī)格產(chǎn)品乳制過(guò)程中心部變形量小的問(wèn)題， 但是，差溫乳制工藝目前仍停留在理論階段，缺乏簡(jiǎn)便、低成本的實(shí)驗(yàn)研究手段，導(dǎo)致該方 法仍沒(méi)有較為成熟的工業(yè)生產(chǎn)工藝。
[0003] 為了確定合理的工藝制度與工藝參數(shù)，一些單位研制了大試樣平面應(yīng)變熱模擬實(shí) 驗(yàn)設(shè)備，設(shè)備包括獨(dú)特的加熱系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。大試 樣平面應(yīng)變熱模擬實(shí)驗(yàn)為材料開(kāi)發(fā)以及工藝研究提供了一種方法與手段，但目前應(yīng)用還不 廣泛，一些測(cè)控問(wèn)題還需要完善，并且由于試樣尺寸較大，應(yīng)變和溫度均勻性下降，造成同 一試樣溫度、變形和冷卻速度等工藝條件的較大差別，研究準(zhǔn)確性下降。
[0004] Gleeble熱模擬試驗(yàn)機(jī)屬美國(guó)DSI(Dynamic Systems Inc.)科技聯(lián)合體研制生產(chǎn) 的Gleeble系列，可用于鋼鐵材料的熱力耦合變形研究。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將試樣夾持在兩個(gè)壓頭之 間，模擬材料的加熱、變形和冷卻等工藝過(guò)程，觀察不同工藝條件下的組織形貌，測(cè)量材料 的力學(xué)性能。相對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)和其它模擬實(shí)驗(yàn)，Gleeble熱模擬實(shí)驗(yàn)試樣尺寸較小，常用的 試樣尺寸為Φ 8 X 12_、Φ 10 X 12_、Φ 10 X 15mm，可以對(duì)溫度、變形和冷卻速度等參量精確 模擬控制，所以研究結(jié)果準(zhǔn)確可靠。另外，Gleeble熱模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行加熱時(shí)，試樣沿 軸線方向的溫度分布呈現(xiàn)拋物線趨勢(shì)，兩端溫度較低，中間段溫度偏高，這種趨勢(shì)在試樣長(zhǎng) 度較小時(shí)并不明顯，但隨著試樣長(zhǎng)度的增加，這種趨勢(shì)將越來(lái)越明顯。怎樣利用Gleeble熱 模擬試驗(yàn)機(jī)及其加熱特性進(jìn)行差溫乳制實(shí)驗(yàn)是本發(fā)明亟待解決的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種差溫乳制的熱模擬方法，其利用Gleeble熱 模擬試驗(yàn)機(jī)的加熱特性并輔助冷卻裝置，加大常規(guī)的試樣長(zhǎng)度，以試樣長(zhǎng)度方向的溫度梯 度模擬厚鋼板厚度方向上的溫度梯度，為差溫乳制工藝的成熟應(yīng)用提供便捷的實(shí)驗(yàn)室研究 手段。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種差溫乳制的熱模擬方法，基于Gleeble熱模擬試驗(yàn)機(jī)， 包括加工試樣、焊接熱電偶、差溫乳制和性能分析在內(nèi)的步驟，關(guān)鍵在于該方法具體包括以 下步驟： A、 加工試樣:制作3-6根Φ 10mmX40-50mm、表面光滑的試樣； B、 焊接熱電偶:沿試樣軸向方向從中心位置至端部焊接3~5個(gè)熱電偶； C、 裝載試樣:借助安裝架在Gleeble熱模擬試驗(yàn)機(jī)的工作型腔內(nèi)設(shè)置噴氣冷卻裝置，并 將試樣夾持在工作型腔的兩個(gè)壓頭之間，所述噴氣冷卻裝置的噴氣口噴向試樣端部； D、 差溫乳制:根據(jù)需要模擬的乳制條件，對(duì)試樣升溫至1000-1200°C后保溫3-60min，然 后打開(kāi)噴氣冷卻裝置對(duì)試樣兩端進(jìn)行噴氣冷卻，冷卻時(shí)間為5s~10s，再對(duì)各試樣進(jìn)行乳制； E、 淬火處理:將經(jīng)步驟D處理的試樣從工作型腔內(nèi)取出并做淬火處理； F、 性能分析:將淬火處理后的試樣沿軸線縱切，對(duì)縱切面沿軸向從中心至端部分別進(jìn) 行金相分析和硬度測(cè)量。
[0007] 進(jìn)一步的，所述試樣兩個(gè)端面平行度公差不低于6級(jí)。
[0008] 進(jìn)一步的，所述步驟A中使用1500目的砂紙打磨試樣圓周表面，打磨完畢后用酒精 擦拭。
[0009] 進(jìn)一步的，所述步驟B中熱電偶的測(cè)量點(diǎn)連線與試樣的軸線相互平行。
[0010] 進(jìn)一步的，所述步驟D中進(jìn)行二道次、三道次或多道次模擬時(shí)，道次間隔為8-15S。
[0011] 進(jìn)一步的，所述步驟F中進(jìn)行金相分析和硬度測(cè)量的點(diǎn)包含焊接熱電偶的位置。
[0012] 進(jìn)一步的，所述噴氣冷卻裝置為兩組，對(duì)稱設(shè)置在兩壓頭之間。
[0013] 進(jìn)一步的，所述噴氣冷卻裝置包括噴腔、及與所述噴腔連通的進(jìn)氣管和噴氣管，所 述進(jìn)氣管與冷卻氣源相連接，噴氣管的噴氣口朝向試樣端部。
[0014] 進(jìn)一步的，所述噴氣管設(shè)置2個(gè)，對(duì)稱設(shè)置在試樣的兩側(cè)。
[0015] 進(jìn)一步的，所述噴氣口為設(shè)置在噴氣管上的3~5個(gè)直徑為0.5-1.5mm的噴氣孔。
[0016] 本技術(shù)方案中，將試樣長(zhǎng)度增加到40-50mm，相當(dāng)于厚鋼板乳前的厚度，充分利用 Gleeble熱模擬試驗(yàn)機(jī)沿試樣軸線方向的溫度分布呈拋物線形的特性，并對(duì)試樣兩端進(jìn)行 噴氣冷卻，使兩端與中心段形成溫度差，模擬出差溫乳制時(shí)乳件表層低溫、中心層高溫的狀 態(tài)，以多次實(shí)驗(yàn)，確定合理的差溫乳制工藝制度與工藝參數(shù)。
[0017] 本發(fā)明的有益效果為：（1)利用Gleeble對(duì)長(zhǎng)試樣的加熱特性，并借助噴氣冷卻裝 置對(duì)兩端快速冷卻，可以有效模擬差溫乳制時(shí)乳件表層低溫、中心層高溫的狀態(tài)，并精確控 制壓力模擬乳制過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室研究和對(duì)實(shí)際生產(chǎn)工藝的精確模擬，為實(shí)際生產(chǎn)提供 合理的工藝制度與工藝參數(shù)，該方法操作簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)費(fèi)用較低，實(shí)驗(yàn)周期短。（2)相對(duì)于實(shí)際 生產(chǎn)和其它模擬實(shí)驗(yàn)，Gleeble熱模擬實(shí)驗(yàn)試樣尺寸較小，應(yīng)變相對(duì)均勻，可以對(duì)溫度、變 形和冷卻速度等參量精確模擬控制，所以研究結(jié)果準(zhǔn)確可靠。
【附圖說(shuō)明】
[0018] 圖1為本發(fā)明安裝完畢后的立體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明噴氣冷卻裝置的立體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3a~圖3h為本發(fā)明模擬差溫乳制晶粒變化驗(yàn)證結(jié)果，其中，圖3a表示試樣進(jìn)行一道次 實(shí)驗(yàn)后端部1/8處的金相照片，圖3b表示試樣進(jìn)行一道次實(shí)驗(yàn)后1/2處的金相照片，圖3c表 示試樣進(jìn)行二道次實(shí)驗(yàn)后端部1/8處的金相照片，圖3d表示試樣進(jìn)行二道次實(shí)驗(yàn)后1/2處的 金相照片，圖3e表示試樣進(jìn)行三道次實(shí)驗(yàn)后端部1/8處的金相照片，圖3f表示試樣進(jìn)行三道 次實(shí)驗(yàn)后1/2處的金相照片，圖3g表示試樣進(jìn)行四道次實(shí)驗(yàn)后端部1/8處的金相照片，圖3h 表示試樣進(jìn)行四道次實(shí)驗(yàn)后1/2處的金相照片； 圖4為各道次乳前中心和端部的溫度曲線； 圖5為各道次乳制時(shí)中心的應(yīng)變情況； 圖6為各道次從中心到端部長(zhǎng)度方向上的硬度分布。
[0019]
【附圖說(shuō)明】：1代表壓頭，2代表噴氣冷卻裝置，3代表試樣，201代表進(jìn)氣管，202代表 出氣管，203代表噴腔，4代表安裝架，圖6中1線、2線、3線、4線分別代表第一、二、三、四道次 乳制后從中心到端部長(zhǎng)度方向上的硬度分布。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 該方法基于Gleeble熱模擬試驗(yàn)機(jī)，所述熱模擬試驗(yàn)機(jī)工作型腔腔體內(nèi)增設(shè)有噴 氣冷卻裝置2。參見(jiàn)圖1，噴氣冷卻裝置2為兩組，借助安裝架4對(duì)稱設(shè)置在兩壓頭1之間、試樣 3的兩端，包括噴腔203及連通噴腔203的進(jìn)氣管201和出氣管202,進(jìn)氣管201與冷卻氣源相 連接，出氣管202的噴氣口朝向試樣3端部。為了使冷卻均勻并增強(qiáng)冷卻效果，出氣管202設(shè) 置為兩個(gè)，對(duì)稱安裝在試樣3兩側(cè)。出氣管202的噴氣口為朝向試樣的3~5個(gè)噴氣孔，噴氣孔 的直徑為0.5-1.5mm，一般選用1mm。
[0021 ]該方法具體按照下述步驟進(jìn)行： A、 制作4根Φ 10mm X 40mm的模擬試樣3，試樣3兩個(gè)端面平行度公差不低于6級(jí)精度，并 將各試樣圓周表面使用1500目的砂紙進(jìn)行打磨，打磨完畢后使用酒精擦拭表面； B、 分別在各個(gè)試樣軸向中心位置和距離任一端部1mm處焊接一對(duì)熱電偶，將兩個(gè)已焊 好的熱電偶之間的距離等分為3份，并在等分節(jié)點(diǎn)位置焊接熱電偶； C、 將焊接好熱電偶的各試樣3放進(jìn)熱模擬機(jī)工作型腔內(nèi)，試樣3兩個(gè)端面分別與兩個(gè)壓 頭1貼合，將兩個(gè)噴氣冷卻裝置2分別固定在熱模擬機(jī)工作型腔內(nèi)，兩噴氣冷卻裝置2分別位 于試樣3的兩端，相對(duì)應(yīng)的兩出氣管202位于試樣3兩側(cè)，如圖1所示； D、 將試樣3升溫至1200°C后保溫5min，然后打開(kāi)噴氣冷卻裝置2,對(duì)試樣兩端進(jìn)行噴氣 冷卻，冷卻時(shí)間為5s ;同時(shí)保持30kgf的壓力，分別對(duì)四個(gè)試樣3進(jìn)行一道次、二道次、三道 次、四道次的乳制模擬，各道次的壓下量分別為30%、30%、25%、25%;進(jìn)行二道次、三道次、四 道次乳制的道次間隔時(shí)間為1 〇s; E、 各試樣3熱壓完畢后，馬上從工作型腔內(nèi)取出并做淬火處理； F、 將淬火處理后的各試樣3沿軸向從中間切開(kāi)，從端部到中心處對(duì)試樣做金相分析和 硬度測(cè)量，重點(diǎn)分析端部1/8處位置。
[0022] 步驟D中，圖4為各道次乳前中心和端部的溫度曲線，圖5為各道次乳制時(shí)中心的應(yīng) 變情況;將模擬后的各試樣3分別進(jìn)行F步驟處理后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3a~圖3b和圖6所示。
[0023] 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，統(tǒng)計(jì)出各道次不同位置的晶粒尺寸如表1所示。
[0024] 采用顯微硬度儀進(jìn)行硬度測(cè)試，試驗(yàn)力200克，保壓時(shí)間10秒。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，統(tǒng)計(jì) 出各道次不同位置的硬度值如表2所示。
[0025] 從圖3各道次顯微組織分析可知，第一道次乳制后，試樣中心位置晶粒較邊部位置 明顯細(xì)化，與應(yīng)力應(yīng)變曲線相對(duì)應(yīng)，說(shuō)明試樣心部?jī)?yōu)先發(fā)生變形，晶粒變形加劇，并發(fā)生動(dòng) 態(tài)再結(jié)晶過(guò)程，隨之在晶界上和晶粒內(nèi)的變形帶上出現(xiàn)大量的形核點(diǎn)，提高了形核率，而試 樣邊部由于變形量較小，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程不明顯。第二道次乳制和第三道次乳制可以明顯 看出試樣心部繼續(xù)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程，晶粒逐漸細(xì)化，而試樣邊部也開(kāi)始發(fā)生局部動(dòng)態(tài) 再結(jié)晶過(guò)程。第四道次后，試樣變形逐漸擴(kuò)展到邊部，試樣晶粒從心部細(xì)化到邊部，從而使 心部和邊部的晶粒大小變得較為均勻。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，統(tǒng)計(jì)得到各道次試樣不同位置處的 晶粒平均尺寸大小，見(jiàn)上表。試樣經(jīng)第一道次乳制后，由于變形集中在心部，心部晶粒尺寸 減小59.9 %。經(jīng)四道次乳制后，試樣1/8位置處晶粒較變形前減小76.9 %，試樣心部晶粒尺 寸減小78.6 %。
[0026] 對(duì)沿軸線切開(kāi)后的乳制試樣進(jìn)行顯微硬度測(cè)量，得到各道次試樣從邊部位置到心 部位置的硬度分布，如圖6所示。分析可知，隨著乳制道次的進(jìn)行，每道次沿厚度方向的硬度 分布擬合直線的斜率逐漸減小，即第一道次乳制后，試樣從邊部到心部的硬度值逐漸增大， 并且心部硬度明顯高于邊部，隨著后續(xù)道次的乳制變形，試樣心部的硬度值稍微有所增加， 同時(shí)試樣邊部和試樣心部的硬度差值逐漸變小，第四道次后，試樣從邊部到心部的硬度分 布已經(jīng)接近均勻的狀態(tài)。這與上述試樣晶粒變化規(guī)律相符合，晶粒越小顯微硬度越大。
[0027] 從金相顯微組織和顯微硬度分析結(jié)果可知，本發(fā)明所述方法可以便捷地進(jìn)行差溫 乳制工藝的實(shí)驗(yàn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種差溫乳制的熱模擬方法，基于Gleeble熱模擬試驗(yàn)機(jī)，包括加工試樣、焊接熱電 偶、差溫乳制和性能分析在內(nèi)的步驟，其特征在于該方法具體包括以下步驟： A、 加工試樣:制作3-6根Φ 10_X40-50mm、表面光滑的試樣(3); B、 焊接熱電偶:沿試樣(3)軸向方向從中心位置至端部焊接3~5個(gè)熱電偶； C、 裝載試樣:借助安裝架(4)在Gleeble熱模擬試驗(yàn)機(jī)的工作型腔內(nèi)設(shè)置噴氣冷卻裝置 (2)，并將試樣(3)夾持在工作型腔的兩個(gè)壓頭（1)之間，所述噴氣冷卻裝置(2)的噴氣口噴 向試樣(3)端部； D、 差溫乳制：根據(jù)需要模擬的乳制條件，對(duì)試樣（3)升溫至1000-1200°C后保溫3-60min，然后打開(kāi)噴氣冷卻裝置(2)對(duì)試樣(3)兩端進(jìn)行噴氣冷卻，冷卻時(shí)間為5s~10s，再對(duì) 各試樣(3)進(jìn)行乳制； E、 淬火處理:將經(jīng)步驟D處理的試樣(3)從工作型腔內(nèi)取出并做淬火處理； F、 性能分析:將淬火處理后的試樣(3)沿軸線縱切，對(duì)縱切面沿軸向從中心至端部分別 進(jìn)行金相分析和硬度測(cè)量。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種差溫乳制的熱模擬方法，其特征在于:所述試樣（3)兩個(gè) 端面平行度公差不低于6級(jí)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種差溫乳制的熱模擬方法，其特征在于:所述步驟A中使用 1500目的砂紙打磨試樣(3)圓周表面，打磨完畢后用酒精擦拭。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種差溫乳制的熱模擬方法，其特征在于:所述步驟B中熱電 偶的測(cè)量點(diǎn)連線與試樣(3)的軸線相互平行。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種差溫乳制的熱模擬方法，其特征在于:所述步驟D中進(jìn)行 二道次、三道次或多道次模擬時(shí)，道次間隔為8-15s。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種差溫乳制的熱模擬方法，其特征在于:所述步驟F中進(jìn)行 金相分析和硬度測(cè)量的點(diǎn)包含焊接熱電偶的位置。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種差溫乳制的熱模擬方法，其特征在于:所述噴氣冷卻裝置 (2 )為兩組，對(duì)稱設(shè)置在兩壓頭（1)之間。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種差溫乳制的熱模擬方法，其特征在于:所述噴氣冷卻裝置 包括噴腔(203)、及與所述噴腔(203)連通的進(jìn)氣管(201)和噴氣管(202)，所述進(jìn)氣管(201) 與冷卻氣源相連接，噴氣管(202)的噴氣口朝向試樣端部。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種差溫乳制的熱模擬方法，其特征在于:所述噴氣管（202) 設(shè)置2個(gè)，對(duì)稱設(shè)置在試樣(3 )的兩側(cè)。10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種差溫乳制的熱模擬方法，其特征在于:所述噴氣口為設(shè) 置在噴氣管(202)上的3~5個(gè)直徑為0.5-1.5mm的噴氣孔。
【文檔編號(hào)】G01N3/40GK106018458SQ201610315595
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月12日
【發(fā)明人】王玉輝, 邢鵬達(dá), 曹文全, 周學(xué)鳳, 王志蒙, 王天生, 彭艷
【申請(qǐng)人】燕山大學(xué)