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调质过程中厚板尺寸的变化
[ 作者:姜洪生,张庆峰,马轲菲 | 时间:2012-09-18 | 点击次数: ]

调质过程中厚板尺寸的变化

姜洪生1,张庆峰2,马轲菲 [1]

1. 宝山钢铁股份有限公司 厚板厂,上海 200941; 2.宝山钢铁股份有限公司 研究院,上海  201900

摘要:通过60 kg级钢淬火过程的埋偶试验和ABAQUS软件模拟计算对比,确认ABAQUS软件可以模拟厚板淬火过程的温度变化。在此基础上,通过应力应变曲线的测定,模拟计算出淬火过程中厚板尺寸的变化规律,调质过程中厚板的厚度减薄,宽度、长度增加,随着原始厚度的增加,厚度减薄率下降。经过对工业生产厚板尺寸的测量、对比,认为其模拟计算的厚度、宽度变化较为准确,而长度偏差较大。

关键词:厚板;调质;尺寸变化

中图分类号:TG156.6        文献标志码A      文章编号: 0254-6051

Dimension variation in heavy plate during quenching and tempering process

JIANG Hong-sheng1ZHANG Qing-feng2MA Ke-fei1

1. Heavy Plate Plant,Baoshan Iron & Steel Co., Ltd.,Shanghai 200941, China; 2.Research Institute,Baoshan Iron & Steel Co., Ltd.,Shanghai        201900, China

Abstract: The quenching test for a 60kg grade steel implanted with thermalcouples was carried out, and the process was also simulated by using ABAQUS software, the simulated temperature variations of the steel fit the measured results well. Then the dimension variation trend of heavy plate during quenching process was investigated based on numerical simulations, in which the stress-stain curves were obtained by testing, and it is concluded that the thickness of the heavy plate decreases while the width and length increase during the quenching and tempering. With the increasing of original thickness, the reduction ratio of thickness drops. Measurements of the industrial produced heavy plate were conducted to confirm the simulations, it shows that the simulated varations of thickness and width are accurate enough, while the prediction error of length variation is some large.

Key words: heavy platequenching and tempering dimension variation

宝钢调质厚板的生产包括板坯加热、轧制、火焰切割(宽度定尺)、抛丸、热处理、取样(包括长度定尺)。出厂的厚板成品除要保证性能合格外,还要保证尺寸(包括厚度、宽度和长度)合格;高的轧制精度是保证调质厚度尺寸合格的前提,但有关的文献和实际生产操作都表明,在调质处理过程中,工件通常要发生尺寸和形状的变化。掌握调质过程中尺寸变化规律,对提高调质厚板的成材率和尺寸合格率尤其重要,已有的文献大多研究调质过程中机械零件形状的变化[1]和调质钢板如何保证板形[2],未见厚板调质过程中尺寸变化的研究。通过实际测量厚板调质前后的尺寸,可以研究厚板调质过程尺寸的变化,但缺点是实测的工作量太大,并且所得到的只是特定工况条件下的结果。

本文结合宝钢60 kg级调质厚板生产的经验,根据厚板淬火过程埋偶试验结果和ABAQUS软件模拟计算,确认该软件可以较准确地模拟厚板淬火过程;利用该软件对工业生产淬火厚板进行模拟,考虑温度和冷却速度对60 kg级调质钢应力应变曲线的影响,确定了厚板调质过程中尺寸变化的规律,并将模拟计算结果与工业生产厚板的实测数据进行了对比。

1  试验材料和方法

1.1  试验材料

试验材料从宝钢厚板厂现场生产的60 kg级厚板上截取,其化学成分如表1所示。对试样进行不同温度不同冷速条件下的应力应变曲线测定。


 

1  60 kg级调质钢的化学成分(质量分数,%)

Table 1  Chemical composition of 60 kg grade quenched and tempered steel(wt%)

C

Si

Mn

P

S

Ti

Ni

Mo

V

Cu

Cr

0.08

0.22

1.41

0.008

0.002

0.009

0.25

0.10

0.041

0.04

0.02

1.2  应力应变曲线测定

将试样加工成φ6 mm×10 mm圆形试样,在Thermecmastor-Z型热模拟试验机上进行模拟试验。试验过程为:将试样加热到1200 ℃,保温3 min后,分别以1471013 ℃/s的速度冷却到不同温度,再保温5 s,设定应变为40%,随后迅速冷至室温,记录不同温度不同冷速条件下的应力应变曲线。  

1.3  大生产条件下的埋偶试验

埋偶试验的试板尺寸为50 mm×3000 mm×8000 mm,在距钢板边部1500 mm处,加工直径φ4 mm孔,深度至1/2处,以便埋入热电偶采集试验过程中的温度值。将试板在宝钢厚板厂热处理炉中加热到860 ℃,适当保温,出炉进淬火机淬火至室温。

1.4 计算机模拟

1.4.1 埋偶试验试板的冷却过程模拟

采用ABAQUS软件模拟埋偶试验试板在辊压式淬火机中的淬火过程,建立与埋偶试验试板尺寸相同的模型。验证模拟方法和过程的正确性。冷却介质温度设定为30 ℃,淬火机辊道运行速度1.2 m/min

1.4.2 工业生产调质钢板尺寸变化的模拟

为了掌握调质钢板调质前后的尺寸变化,采用ABAQUS软件模拟不同厚度不同辊道速度(不同冷速速度)钢板的淬火过程钢板尺寸的变化。淬火温度为910 ℃;钢板的尺寸:厚度分别为1217303650 mm,宽度为3000 mm,长度为10000 mm;淬火机辊道运行速度分别为1.2581722 m/min;冷却介质温度为30 ℃,淬火机各区域的水量按工业生产设置。

2 结果和分析

2.1 埋偶试验及对应数值模拟结果

    150 mm试板淬火过程埋偶测温和模拟温度计算结果的比较,实测值和计算值均为钢板头部中心1/2厚度位置点的温度值,钢板初始温度857 ℃(同实测值),出炉空冷81 s开始淬火,从图中可以看出计算值与实测值能够很好吻合,实测800 ℃冷至500 ℃的平均冷速为9.71 ℃/s,计算值为9.84 ℃/s。由此可见,采用ABAQUS软件模拟计算的结果可靠,可以用作淬火机淬火过程温度的计算。

1 50mm调质板淬火温度实测和计算结果的比较

Fig.1 Comparison of calculated and measured temperature of 50mm quenched and tempered steel during queching

2.2  应力应变曲线

260 kg级调质钢在不同温度不同冷速条件下的应力应变曲线,根据曲线可以求得不同温度下材料的弹性模量、真应力、真应变大小。由于测得的应力应变大小是在不同温度不同冷速条件下获取的,而不同温度和冷速条件下材料的组织组成不同,因此应力应变曲线必然存在差异,这就意味着该曲线实际上已经将组织转变的因素考虑在内,不同冷速下的应力应变曲线反映了含有不同组织的钢板力学特性,所以说采用这种实测的应力应变曲线进行淬火过程计算是比较合理的,除相变体积变化造成的组织应力外,该方法不仅包含了温度变化不均引起的热应力的影响,也包括了组织转变不同步引起的材料力学性能变化造成的附加组织应力的影响。

2  不同温度不同冷速条件下60kg调质钢应力应变曲线

(a) 500℃应力应变曲线;(b) 750℃应力应变曲线

Fig.2  Stress-strain curves of 60 kg grade quenched and tempered steel at different temperatures and cooling rates

(a)Stress-strain curves at 500(b)Stress-strain curves at 750

.2.3  淬火过程尺寸变化模拟

3是钢板淬火过程尺寸变化的模拟,不同厚度规格钢板淬火过程均出现厚度减薄、宽度和长度增加的规律,而且,随着厚板原始厚度的增加,厚度的减薄率下降。

3 不同厚度规格钢板淬火过程尺寸变化对比曲线

(a)长度变化量比较;(b)宽度变化量比较;(c)厚度变化量比较;(d)厚度变化率比较

Fig.3 Dimension variation curves of different plate thickness during quenching process

(a) Comparisons on change of length(b) Comparisons on change of width

(c) Comparisons on change of thickness(d) Comparisons on percent change of thickness

 

 

2.4  调质过程尺寸变化的分析

调质过程为淬火+回火。对于回火过程而言,60 kg级调质钢回火温度一般不高于650 ℃,由于低温下材料的屈服强度较高,因此回火时内应力难于引起钢板尺寸的变化,调质过程尺寸的变化可以看成是淬火过程中尺寸的变化。

计算和实测结果表明(图3),不同厚度规格钢板淬火过程均出现厚度减薄宽度和长度增加的规律,而且从图3d)可以看出,随着厚板原始厚度的增加,厚度的减薄率下降。淬火过程钢板体积产生变化的原因有两个:热胀冷缩和组织转变。淬火前加热,钢板温度升高,体积膨胀;淬火过程钢板温度降低,体积发生收缩;钢板从室温加热至奥氏体化温度后淬火至室温,初始温度和终了温度近似相等,因此淬火工序由于热胀冷缩而导致的体积变化并不明显。淬火过程中冷却速度和终冷温度的不同将会导致最终组织的不同,不同组织的比容不同,淬火冷却时,钢中发生奥氏体向马氏体(或贝氏体)转变的过程,奥氏体比容小于马氏体(或贝氏体),随着转变的深入,钢板将产生显著的体积膨胀。开始淬火冷却时,其表面首先发生马氏体转变,体积要膨胀,而此时心部仍为奥氏体,且温度高,屈服强度低,心部阻止表面体积膨胀使钢板表面处于压应力状态,而心部则处于拉应力状态,并且导致高温的心部被拉细拉长;继续冷却时,钢板表面转变结束,体积不再膨胀,而心部发生转变,心部体积要膨胀。此时表面已经形成一层硬壳,相对心部温度更低,屈服强度更高,不易发生变形。由于钢板长度远大于宽度,宽度远大于厚度,组织应力造成的变形结果是长度和宽度变长,厚度减薄;随着厚板原始厚度的减小,钢板越易淬透,钢中马氏体(或贝氏体)组织生成量增加,引起更大的组织应力,从而造成厚度减薄率和长度宽度方向伸长量的增加。

2.5  工业生产验证

对工业生产的若干钢板,在调质前后实测,并与模拟值对比,对比结果如表2所示。

2 调质过程尺寸变化模拟值和实测值的比较

Table 2 Comparison of calculated and measured dimension variation data during quenching and tempering process

厚度/mm

方向

变化模拟值/mm

变化实测值/mm

17

长度

22.6

51.0

宽度

9.3

11.1

厚度

0.16

0.2

12

长度

21.4

54.0

宽度

9.4

13.3

厚度

0.14

0.18

 

计算结果中厚度和宽度变化量较为准确,长度变化量偏小。

3  结论

1)采用ABAQUS软件模拟计算的结果可靠,可以用作淬火过程温度计算。

2)不同厚度规格钢板淬火过程均出现厚度减薄宽度和长度增加的规律,而且,随着厚板原始厚度的增加,厚度的减薄率下降。

3)计算结果中厚度和宽度变化量较为准确,长度变化量计算值偏小。

 

参考文献:

[1]   . 套类零件淬火变形分析[J]. 热加工工艺,20083710):6870.

[2] 孙朝阳,曾  攀,赵书行,等. 装甲防护厚板淬火过程形状畸变的预测[J]. 金属热处理,2008338):7577.

 

 

 

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