D01:10.13374j.isml00103x.2009.0B.B9 第31卷第3期 北京科技大学学报 Vol.31 No.3 2009年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar.2009 利用热模拟技术优化DH36船板钢轧制工艺 潘红波)唐荻)胡水平) 苏岚)王潇潇) 张向葵2) 汪贺模) )北京科技大学高效轧制国家工程研究中心，北京1000832)宝钢分公司厚板厂，上海200941 摘要利用自行研制的大试样平面应变热力模拟试验机.对宝钢DH36船板钢的轧制工艺进行了热模拟与优化.测量了变 形过程中材料的流变曲线，并对模拟后的试样进行了显微组织、圆棒拉伸、夏比冲击等分析.结果显示，大试样平面应变模拟 技术不仅能满足常规热模拟系统分析的要求，而且模拟后的试样能进行力学性能分析.实验数据表明所模拟的船板钢具有优 异的力学性能 关键词船板钢：轧制工艺：大试样平面应变：热力模拟：力学性能分析 分类号TG335.1 Rolling process optimization of DH36 ship plate steel by hot simulation technology PAN Hong bo.TANG Di.HU Shui-ping.SU Lan.WANG Xiao-xiao,ZHANG Xiang-kui.WANG He-mo) 1)National Engineering Research Center for Advanced Rolling Technology.University of Science and Technology Beiing Beijing 100083,Chima 2)Heavy Plate Plant,Baosteel Branch Company.Shanghai 200941,China ABSTRACT Rolling process parameters of DH36 high strength ship plate steel in Baosteel were simulated and optimized with a self developed and designed largespecimen plane strain thermomechanical simulator.The flow stress was measured in the process of de- formation.Microstructure observations,round stick tension and Charpy V-notch impact tests of simulated specimens were carried out.The results show that large-specimen plane strain simulation technology not only meets the requirement of microstructure analysis like a general thermo-simulation system.but also the mechanical properties of the specimens can be analy zed after simulation.Experi- mental data show that the simulated ship plate stee provides with excellent mechanical properties. KEY WORDS ship plate steek rolling process large specimen plane strain thermomechanical simulation;mechanics property analysis 热轧产品的质量是由其显微组织与力学性能来 分工艺过程.为了预测多合金与微合金技术钢复杂 综合评价的.它们不仅与化学成分有关，而且与轧制 的热机械处理结果，实验室的物理模拟是最好的方 过程中的受力状态与温度制度有很大的关系，最重 法与手段刂， 要的影响因素是压下制度、温度与时间.在现场轧 目前实验室对热轧过程模拟的主要方法有实验 机上研究工艺参数与最后成品质量之间的复杂关系 室轧机与Ge山le系列的热力模拟系统.Gleeble系 是不可能的，唯一切实可行的方法是开发一种比较 列的热力模拟系统试样尺寸小，无法进行连续几道 适合的模拟方法.模拟包括数值模拟与物理模拟. 次的模拟变形，而且变形后的试样无法进行力学性 热轧过程数值模拟需要描述所有相关参数的本构方 能分析，而且小试样模拟与现场生产差别很大☒， 程及其求解，如奥氏体化、晶粒长大、粒子的溶解与 实验轧机都是由人工操作，各参数不易控制，特别是 析出、加工硬化、回复与再结晶软化以及最后组织结 温度、时间对变形比较重要的参数根本无法实现：而 构的相变过程的数学模型.许多科学工作者建立了 且无法对加热、变形、冷却过程中的关键数据进行采 些相关的数学模型，但研究对象仅是普碳钢的部 集.针对上述不足，对板带钢热轧模拟进行了研究 收稿日期：200806-14 基金项目：教有部211工程重点资助项目 作者简介：潘红波(1978一），男，博士研究生；唐获(1955一），男，教授，博士生导师，E-maik targdi@near,ush.cu.cm
利用热模拟技术优化 DH36 船板钢轧制工艺 潘红波1) 唐 荻1) 胡水平1) 苏 岚1) 王潇潇1) 张向葵2) 汪贺模1) 1) 北京科技大学高效轧制国家工程研究中心, 北京 100083 2) 宝钢分公司厚板厂, 上海 200941 摘 要 利用自行研制的大试样平面应变热力模拟试验机, 对宝钢 DH36 船板钢的轧制工艺进行了热模拟与优化, 测量了变 形过程中材料的流变曲线, 并对模拟后的试样进行了显微组织、圆棒拉伸、夏比冲击等分析.结果显示, 大试样平面应变模拟 技术不仅能满足常规热模拟系统分析的要求, 而且模拟后的试样能进行力学性能分析.实验数据表明所模拟的船板钢具有优 异的力学性能. 关键词 船板钢;轧制工艺;大试样平面应变;热力模拟;力学性能分析 分类号 TG335.1 Rolling process optimization of DH36 ship plate steel by hot simulation technology PAN Hong-bo 1) , TANG Di 1) , HU Shui-ping 1) , SU Lan 1) , WANG X iao-xiao 1) , ZHANG X iang-kui 2) , WANG He-mo 1) 1) National Engineering Research Center f or Advanced Rolling Technology, Universit y of Science and Tech nology Beijing, Beijing 100083, C hina 2) Heavy Plate Plant, Baosteel Branch Company, Shanghai 200941, China ABSTRACT Rolling process parame ters of DH36 high streng th ship plate steel in Baosteel were simulated and optimized with a selfdeveloped and desig ned larg e-specimen plane strain thermo-mechanical simulato r.The flow stress w as measured in the process of deformation.Microstructure observa tio ns, round stick tension and Charpy V-no tch impact tests of simulated specimens were carried out .The results show that large-specimen plane strain simulation technology not only meets the requirement of microstructure analysis like a general thermo-simulatio n system, but also the mechanical properties of the specimens can be analy zed af ter simulation.Experimental data show that the simulated ship plate steel provides with excellent mechanical properties. KEY WORDS ship plate steel;rolling process;large specimen plane strain;thermo-mechanical simulation ;mechanics property analysis 收稿日期:2008-06-14 基金项目:教育部“ 211 工程”重点资助项目 作者简介:潘红波( 1978—) , 男, 博士研究生;唐 荻( 1955—) , 男, 教授, 博士生导师, E-mail:tangdi@nercar .ustb.edu.cn 热轧产品的质量是由其显微组织与力学性能来 综合评价的, 它们不仅与化学成分有关, 而且与轧制 过程中的受力状态与温度制度有很大的关系, 最重 要的影响因素是压下制度、温度与时间.在现场轧 机上研究工艺参数与最后成品质量之间的复杂关系 是不可能的, 唯一切实可行的方法是开发一种比较 适合的模拟方法 .模拟包括数值模拟与物理模拟 . 热轧过程数值模拟需要描述所有相关参数的本构方 程及其求解, 如奥氏体化 、晶粒长大 、粒子的溶解与 析出 、加工硬化 、回复与再结晶软化以及最后组织结 构的相变过程的数学模型 .许多科学工作者建立了 一些相关的数学模型, 但研究对象仅是普碳钢的部 分工艺过程 .为了预测多合金与微合金技术钢复杂 的热机械处理结果, 实验室的物理模拟是最好的方 法与手段[ 1] . 目前实验室对热轧过程模拟的主要方法有实验 室轧机与 Gleeble 系列的热力模拟系统 .Gleeble 系 列的热力模拟系统试样尺寸小, 无法进行连续几道 次的模拟变形, 而且变形后的试样无法进行力学性 能分析, 而且小试样模拟与现场生产差别很大[ 2] . 实验轧机都是由人工操作, 各参数不易控制, 特别是 温度、时间对变形比较重要的参数根本无法实现 ;而 且无法对加热、变形、冷却过程中的关键数据进行采 集 .针对上述不足, 对板带钢热轧模拟进行了研究, 第 31 卷 第 3 期 2009 年 3 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .31 No.3 Mar.2009 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2009.03.039
第3期 潘红波等：利用热模拟技术优化DH36船板钢轧制工艺 331。 开发了大试样平面应变热力模拟系统.此系统的变 1实验材料及方案 形过程与现场轧制接近，而且变形后试样能进行显 微组织与力学性能分析 实验用钢为宝钢宽厚板厂连铸坯上截取的 随着船舶工业的高速发展，对高强度船用钢板 DH36船板钢试样，尺寸为60mmX60mmX 的需求也快速增加，因此关于船舶用高强度钢的研 100mm,化学成分见表1.试样在自主研发的大试 究也己成为热点之一，船舶用钢一般采用控轧控冷 样平面应变热力模拟试验机上进行6道次变形，第 工艺来控制钢的显微组织以及产生碳氨化物析出强 1道次模拟再结晶区轧制，细化原始奥氏体品粒大 化，在热轧状态下获得高强度、高韧性、高可焊接性 小：随后的5道次模拟未再结晶区轧制，分析船板钢 和良好成型性能等最佳力学性能配合的工程结构材 的精轧过程.根据宝钢船板钢加工工艺，采用两种 料).本文结合船板钢开发工艺，在新开发的热 不同的工艺对DH36船板钢工艺进行模拟与优化. 力模拟系统上对其工艺进行了模拟与优化，通过调 其工艺方案如图1所示.两种工艺下水冷终冷温度 整工艺参数来得到最佳的综合性能. 均为500℃，然后进行空冷. 表1试样钢的化学成分（质量分数） Table I Chemical composition of steel % C Si Mn P 0 H N Als 012 0.35 1.12 0.0080 00034 00019 000013 0.0027 0034 1100℃/300s (a) 1100℃/300s (b) \960℃ 960℃ 60-42860℃ 40520 60-43840℃ 820℃ 45-3830℃760℃ 24→21 簧 25-22 13℃·s 18℃-s1 时间s 时间s 图1热加工工艺示意图.(a)工艺1：(b)工艺2 Fig.I Schematic diagram of hot defomation:(a)Scheme 1;(b)Scheme 2 对变形后变形区金属进行金相组织观察、 要求，控制系统由硬件与软件两部分组成，硬件主要 5mm圆棒拉伸及低温夏比冲击力学性能测试实 由工控机、数据采集板卡以及各种传感器组成，软件 验.用德国ZEISS公司生产的SUPRA55型场发射 由VC程序自主开发，其功能性强，实时性高，能对 扫描电镜对拉伸断口进行观察， 各阶段数据实时采集与实时显示.图2为采用两种 方案条件下，变形过程的流变曲线.图中每道次变 2新型热模拟技术简介及热模拟实验 形后（除最后1道次），其流变曲线上的真应变都有 大试样平面应变热力模拟实验系统主要由加热 一个返回值，此值即为设备的弹跳”，因此在控制过 系统、变形系统、冷却系统、液压系统与控制系统组 程中，应考虑其弹跳值，用软件对其预估与控制，使 成.加热系统为中频感应式加热炉，用来完成对试 其产生的误差最小.由于其变形条件与现场更加接 样的加热，其加热速率快，加热效率高；变形系统由 近，所以测量的流变曲线可以对现场力能参数进行 四柱式万能液压机组成，对试样实施预定的变形，根 预估，以及为现场的轧制力模型提供原始数据，由 据圆棒拉伸尺寸的要求，其变形区最大尺寸为 图2流变曲线可以看出，第1种方案的第1道次由 30mm×120mm;冷却系统由水泵、电动调节阀、喷 于变形量大，发生了动态再结品过程，而第2种方案 嘴组成，用来模拟板带钢的层流冷却与水幕冷却：液 的第1道次由于变形量相对较小，没有发生动态回 压系统为变形系统提供动力源，给变形系统提供所 复现象.由图2(a)可见，第4道次的变形抗力比第 需的压力与流量，使其满足力能条件与变形速率的 3道次小，说明在变形间隙时间内，材料发生了静态
开发了大试样平面应变热力模拟系统 .此系统的变 形过程与现场轧制接近, 而且变形后试样能进行显 微组织与力学性能分析. 随着船舶工业的高速发展, 对高强度船用钢板 的需求也快速增加, 因此关于船舶用高强度钢的研 究也已成为热点之一 .船舶用钢一般采用控轧控冷 工艺来控制钢的显微组织以及产生碳氮化物析出强 化, 在热轧状态下获得高强度 、高韧性、高可焊接性 和良好成型性能等最佳力学性能配合的工程结构材 料[ 3-5] .本文结合船板钢开发工艺, 在新开发的热 力模拟系统上对其工艺进行了模拟与优化, 通过调 整工艺参数来得到最佳的综合性能 . 1 实验材料及方案 实验用钢为宝钢宽厚板厂连铸坯上截取的 DH36 船 板钢 试 样, 尺 寸 为 60 mm ×60 mm × 100 mm, 化学成分见表 1 .试样在自主研发的大试 样平面应变热力模拟试验机上进行 6 道次变形, 第 1 道次模拟再结晶区轧制, 细化原始奥氏体晶粒大 小 ;随后的 5 道次模拟未再结晶区轧制, 分析船板钢 的精轧过程.根据宝钢船板钢加工工艺, 采用两种 不同的工艺对 DH36 船板钢工艺进行模拟与优化, 其工艺方案如图 1 所示 .两种工艺下水冷终冷温度 均为 500 ℃, 然后进行空冷 . 表 1 试样钢的化学成分( 质量分数) Table 1 C hemical compositi on of steel % C Si Mn P S O H N Als 0.12 0.35 1.12 0.008 0 0.003 4 0.001 9 0.000 13 0.002 7 0.034 图 1 热加工工艺示意图.( a) 工艺 1;( b) 工艺 2 Fig.1 S chematic diagram of hot def ormation:( a) S cheme 1;( b) Scheme 2 对变形后变形区金属进行金相组织观察 、 5 mm圆棒拉伸及低温夏比冲击力学性能测试实 验.用德国ZEISS 公司生产的 SUPRA55 型场发射 扫描电镜对拉伸断口进行观察 . 2 新型热模拟技术简介及热模拟实验 大试样平面应变热力模拟实验系统主要由加热 系统、变形系统、冷却系统、液压系统与控制系统组 成.加热系统为中频感应式加热炉, 用来完成对试 样的加热, 其加热速率快, 加热效率高;变形系统由 四柱式万能液压机组成, 对试样实施预定的变形, 根 据圆棒拉伸尺寸的要求[ 6] , 其变形区最大尺寸为 30 mm ×120 mm ;冷却系统由水泵、电动调节阀 、喷 嘴组成, 用来模拟板带钢的层流冷却与水幕冷却;液 压系统为变形系统提供动力源, 给变形系统提供所 需的压力与流量, 使其满足力能条件与变形速率的 要求;控制系统由硬件与软件两部分组成, 硬件主要 由工控机、数据采集板卡以及各种传感器组成, 软件 由 VC 程序自主开发, 其功能性强, 实时性高, 能对 各阶段数据实时采集与实时显示 .图 2 为采用两种 方案条件下, 变形过程的流变曲线.图中每道次变 形后( 除最后 1 道次) , 其流变曲线上的真应变都有 一个返回值, 此值即为设备的“弹跳”, 因此在控制过 程中, 应考虑其弹跳值, 用软件对其预估与控制, 使 其产生的误差最小 .由于其变形条件与现场更加接 近, 所以测量的流变曲线可以对现场力能参数进行 预估, 以及为现场的轧制力模型提供原始数据 .由 图 2 流变曲线可以看出, 第 1 种方案的第 1 道次由 于变形量大, 发生了动态再结晶过程, 而第 2 种方案 的第 1 道次由于变形量相对较小, 没有发生动态回 复现象.由图 2( a) 可见, 第 4 道次的变形抗力比第 3 道次小, 说明在变形间隙时间内, 材料发生了静态 第 3 期 潘红波等:利用热模拟技术优化 DH36 船板钢轧制工艺 · 331 ·
。332 北京科技大学学报 第31卷 回复过程：由图2(b)可见.从第2道次之后，每道次 一点，说明第2种方案下，第2道次之后材料在变形 开始的变形抗力均比前一道次结束时的变形抗力小 间隙时间内均发生了少量静态回复过程. 140 (a) 140F(b) 100 100 20 A 20 0 0.2 0.40.60.81.01.2 -20 0 0.2 0.40.60.8 1.01.2 真应变 直应变 图2连续6道次变形条件下变形时船板钢的应广应变曲线.(a)工艺1：(b)工艺2 Fig 2 Stress strain curves of defomed DH36 ship plate sted at continus six passes:(a)Scheme I;(b)Scheme 2 3实验结果与讨论 体组成：而心部主要是由网状铁素体与板条贝氏体 组成，而且铁素体的量较表面有所增多，在整个厚度 3.1显微组织 方向上其组织的分布不均匀，在原奥氏体晶界以及 两种变形工艺下DH36船板钢的金相组织分别 变形量大的地方分布着铁素体组织，在奥氏体晶内 如图3和图4所示.由于试样比较厚，沿着试样厚 以及变形量较小的部位没有铁素体生成.这是因为 度方向的冷却速度不一致，导致表层与心部组织不 工艺1在再结晶区轧制的变形量为30%，而工艺2 一致.图3为采用工艺1生产船板钢在不同厚度部 在再结晶区的变形只有25%，所以工艺1在再结晶 位的金相组织照片.从图3可看出：表面主要为板 区变形后的奥氏体晶粒大小要小于工艺2在再结晶 条状贝氏体、粒状贝氏体以及少量细小铁素体组织 区变形后的奥氏体晶粒大小.同时，从图2的流变 组成：/4部位主要由细小的针状铁素体，板条状贝 应力曲线可看出，工艺1在30%的变形过程中还发 氏体、准多边形铁素体以及少量的粒状贝氏体组织； 生了动态再结晶过程，从而进一步有利于晶粒的细 而心部主要是由针状铁素体、准多边形铁素体以及 化，细小的晶粒组织有利于随后的变形均匀以及相 珠光体组织组成：在整个厚度方向上其组织分布均 变后组织的均匀分布.同时由于工艺2在未再结晶 匀细小.图4为工艺2生产船板钢在不同厚度部位 区的变形量大于工艺1在未再结晶区的变形量，而 的金相组织照片.从图4可看出：表面主要为网状 且变形温度小于工艺1的变形温度，这样使得变形 铁素体（先析出铁素体沿着原奥氏体晶界以及变形 诱导铁素体相变形核，从而使得铁素体优先在奥 带形核长大而成)和板条贝氏体组成：1/4部位主要 氏体晶界与形变带处形核. 由网状铁素体、针状铁素体，板条贝氏体与粒状贝氏 20μm 图31号试样不同部位金相照片.(a)表面：(b)V4处：(c)心部 Fig 3 Microstructures of Specimen I at different regions:(a)surface (b)one fourth;(c)center
回复过程;由图 2( b) 可见, 从第 2 道次之后, 每道次 开始的变形抗力均比前一道次结束时的变形抗力小 一点, 说明第 2 种方案下, 第 2 道次之后材料在变形 间隙时间内均发生了少量静态回复过程. 图 2 连续 6 道次变形条件下变形时船板钢的应力-应变曲线.( a) 工艺 1;( b) 工艺 2 Fig.2 S tress-strain curves of def ormed DH36 ship plate st eel at continuous six passes:( a) S cheme 1;( b) S cheme 2 3 实验结果与讨论 3.1 显微组织 两种变形工艺下 DH36 船板钢的金相组织分别 如图 3 和图 4 所示.由于试样比较厚, 沿着试样厚 度方向的冷却速度不一致, 导致表层与心部组织不 一致 .图 3 为采用工艺 1 生产船板钢在不同厚度部 位的金相组织照片.从图 3 可看出:表面主要为板 条状贝氏体 、粒状贝氏体以及少量细小铁素体组织 组成;1/4 部位主要由细小的针状铁素体 、板条状贝 氏体 、准多边形铁素体以及少量的粒状贝氏体组织 ; 而心部主要是由针状铁素体、准多边形铁素体以及 珠光体组织组成 ;在整个厚度方向上其组织分布均 匀细小.图 4 为工艺 2 生产船板钢在不同厚度部位 的金相组织照片.从图 4 可看出:表面主要为网状 铁素体( 先析出铁素体沿着原奥氏体晶界以及变形 带形核长大而成) 和板条贝氏体组成;1/4 部位主要 由网状铁素体、针状铁素体、板条贝氏体与粒状贝氏 体组成;而心部主要是由网状铁素体与板条贝氏体 组成, 而且铁素体的量较表面有所增多, 在整个厚度 方向上其组织的分布不均匀, 在原奥氏体晶界以及 变形量大的地方分布着铁素体组织, 在奥氏体晶内 以及变形量较小的部位没有铁素体生成.这是因为 工艺 1 在再结晶区轧制的变形量为 30 %, 而工艺 2 在再结晶区的变形只有 25 %, 所以工艺 1 在再结晶 区变形后的奥氏体晶粒大小要小于工艺 2 在再结晶 区变形后的奥氏体晶粒大小 .同时, 从图 2 的流变 应力曲线可看出, 工艺 1 在 30 %的变形过程中还发 生了动态再结晶过程, 从而进一步有利于晶粒的细 化, 细小的晶粒组织有利于随后的变形均匀以及相 变后组织的均匀分布.同时由于工艺 2 在未再结晶 区的变形量大于工艺 1 在未再结晶区的变形量, 而 且变形温度小于工艺 1 的变形温度, 这样使得变形 诱导铁素体相变形核[ 7] , 从而使得铁素体优先在奥 氏体晶界与形变带处形核. 图 3 1 号试样不同部位金相照片.( a) 表面;( b) 1/4 处;( c)心部 Fig.3 Microstructures of Specimen 1 at diff erent regions:( a) surface;( b) one fourth ;( c) cent er · 332 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷
第3期 潘红波等：利用热模拟技术优化DH36船板钢轧制工艺 ·333。 图42号试样不同部位金相照片.(a)表面：(b)1V4处：(c)心部 Fig 4 Microstructures of Specimen 2 at different regions:(a)surface (b)one fourth;(c)center 3.2力学性能 得到的贝氏体组织也比工艺1条件下多；但是工艺 图5为两种工艺下DH36船板钢圆棒拉伸实验 1条件下的组织比较细小均匀，而工艺2条件下实 曲线表2为其在一20℃下的夏比冲击功.从曲线 验钢的组织不均匀，有大量的网状铁素体，此网状铁 与表中数据可以看出，其性能满足DH36船板钢的 素体不利于强度发挥，导致工艺1实验钢强度大于 要求8.至于工艺2条件下纵向有一个冲击值不满 工艺2实验钢强度值.然而，工艺2条件下实验钢 足其要求，是因为线切割时，此样切割部位为热电偶 的断后延伸率大于工艺1条件下试样钢的断后延伸 小孔处，在变形过程中，此孔己经焊合，但是留有微 率.这可能是因为工艺2在未再结晶区变形温度小 裂纹，导致此处试样容易断裂.其余的冲击韧性都 于工艺1在未再结晶区的变形温度，且其在未再结 比较高，说明实验钢的韧性比较好.从图5的拉伸 晶区的变形量大，随后的冷却速率也高，导致形成的 曲线可看出，工艺1条件下实验钢的屈服强度、抗拉 贝氏体组织比较细小：由于网状铁素体组织的出现， 强度均比工艺2条件下实验钢的值偏高，这与其组 有利于塑性的发挥，阻碍裂纹的扩展，从而使得其延 织均匀性有关.虽然工艺2的冷却速度大于工艺1， 伸增大y 700 600r (a) (b) 600 500 500 400 400 300 200 200 100 100 0 048121620242832 1624 32 40 应变% 应变% 图5实验钢圆棒拉伸曲线.(a工艺1：(b)工艺2 Fig.5 Axial tensile curves of tested steel (a)Scheme (b)Scheme 2 表2试样钢一20℃的夏比冲击功 均出现大量韧窝，且均为等轴韧窝.大量等轴韧窝 Table 2 Charpy impact energy of tested steel at-20 C 是在单轴拉伸下造成的0.同时从图中可看出：在 横向冲击功咖」 纵向冲击功/小 工艺 工艺1条件下，实验钢断口处韧窝都比较大、比较 1 2 3 1 2 3 深，这是因为此工艺下实验钢主要由铁素体组织组 140 142 137 254 246 239 成有关，取用工艺2的实验钢断口上韧窝大部分都 2 162 155 74 185 227 21 比较小且浅，只有某些地方比较大且深这是因为此 工艺下实验钢的主要组织为板条贝氏体与网状铁素 图6为实验钢拉伸后扫描电镜下的断口形貌. 体组织组成，在贝氏体组织处其韧窝相对较小且浅， 从图6可看出，两种工艺条件下实验钢试样断口处 在网状铁素体组织处其韧窝较大且深的缘故
图 4 2 号试样不同部位金相照片.( a) 表面;( b) 1/4 处;( c)心部 Fig.4 Microstructures of Specimen 2 at diff erent regions:( a) surface;( b) one fourth ;( c) cent er 3.2 力学性能 图 5 为两种工艺下 DH36 船板钢圆棒拉伸实验 曲线, 表 2 为其在 -20 ℃下的夏比冲击功 .从曲线 与表中数据可以看出, 其性能满足 DH36 船板钢的 要求[ 8] .至于工艺 2 条件下纵向有一个冲击值不满 足其要求, 是因为线切割时, 此样切割部位为热电偶 小孔处, 在变形过程中, 此孔已经焊合, 但是留有微 裂纹, 导致此处试样容易断裂 .其余的冲击韧性都 比较高, 说明实验钢的韧性比较好.从图 5 的拉伸 曲线可看出, 工艺 1 条件下实验钢的屈服强度 、抗拉 强度均比工艺 2 条件下实验钢的值偏高, 这与其组 织均匀性有关.虽然工艺 2 的冷却速度大于工艺 1, 得到的贝氏体组织也比工艺 1 条件下多 ;但是工艺 1 条件下的组织比较细小均匀, 而工艺 2 条件下实 验钢的组织不均匀, 有大量的网状铁素体, 此网状铁 素体不利于强度发挥, 导致工艺 1 实验钢强度大于 工艺 2 实验钢强度值 .然而, 工艺 2 条件下实验钢 的断后延伸率大于工艺 1 条件下试样钢的断后延伸 率 .这可能是因为工艺 2 在未再结晶区变形温度小 于工艺 1 在未再结晶区的变形温度, 且其在未再结 晶区的变形量大, 随后的冷却速率也高, 导致形成的 贝氏体组织比较细小;由于网状铁素体组织的出现, 有利于塑性的发挥, 阻碍裂纹的扩展, 从而使得其延 伸增大[ 9] . 图 5 实验钢圆棒拉伸曲线.( a) 工艺 1;( b) 工艺 2 Fig.5 Axial t ensile curves of t ested st eel:( a) Scheme 1;( b) S cheme 2 表 2 试样钢-20 ℃的夏比冲击功 Tabl e 2 Charpy impact energy of tested st eel at -20 ℃ 工艺 横向冲击功/ J 纵向冲击功/ J 1 2 3 1 2 3 1 140 142 137 254 246 239 2 162 155 74 185 227 21 图 6 为实验钢拉伸后扫描电镜下的断口形貌 . 从图 6 可看出, 两种工艺条件下实验钢试样断口处 均出现大量韧窝, 且均为等轴韧窝.大量等轴韧窝 是在单轴拉伸下造成的[ 10] .同时从图中可看出 :在 工艺 1 条件下, 实验钢断口处韧窝都比较大、比较 深, 这是因为此工艺下实验钢主要由铁素体组织组 成有关;取用工艺 2 的实验钢断口上韧窝大部分都 比较小且浅, 只有某些地方比较大且深, 这是因为此 工艺下实验钢的主要组织为板条贝氏体与网状铁素 体组织组成, 在贝氏体组织处其韧窝相对较小且浅, 在网状铁素体组织处其韧窝较大且深的缘故. 第 3 期 潘红波等:利用热模拟技术优化 DH36 船板钢轧制工艺 · 333 ·
。334 北京科技大学学报 第31卷 20m 图6拉伸断口扫描照片.(a工艺1：(b)工艺2 Fig.6 Fracture morphologies of tensile specimens:(a)Scheme 1;(b)Scheme 2 业出版社，1999) 4结论 [3 Chang Y F.Development of HSLA wide and heavy plate.Wide Heavy Plate.2002.8 (5):I (1)所研发的大试样平面应变热力模拟实验系 (常跃峰低合金高强度宽厚板的发展.宽厚板，2002,8(5)： 统，能连续模拟热轧过程，变形量大，可以满足板带 钢精轧过程模拟要求.同时变形区面积大，变形后 I4 He X L.Yang S W.Shang C J.et al.Chemical Composition. 的试样不仅能满足显微组织分析的要求，而且还能 Procss,Microstructure,Properties and Appliation of High 满足拉伸、冲击等力学性能实验的要求，能真正地将 Performance Low Carbon Bainite Steel.Beijing:Metallurgy In- duistry Press,2008 成分、工艺、组织与性能结合在一起，是板带钢工艺 (贺信莱，杨善武，尚成嘉，等.高性能低碳贝氏体钢成分、工 模拟与优化、新品种开发的理想实验设备 艺、组织.性能与应用.北京：治金工业出版社，2008) (2)再结晶区轧制变形量在30%以上，有利于 [5 Peng S.Zhang HH.Wu JY,et al.Effect of heat twatment on 奥氏体晶粒的细化以及随后组织的均匀性与细化， the micmstructure and mechanical property of high strength ma 从而有利于船板钢综合力学性能的发挥. rine steel.Heat Treat.2008.23(2):23 (3)当原始奥氏体组织细小时，未再结晶区温 (彭晟.张恒华，吴景炎，等.热处理工艺对高强度船板钢组织 和性能的影响.热处理.，2008.23(2)：23) 度的降低、压下量的提高，有利于组织的细化与均匀 [6 Liang X B.Li J L.Tao L Y.et al.GB/T228-2002 Tension 化，能显著提高其力学性能：当原始奥氏体组织粗大 Method of Metal at Room Temperature.Beijng:General Ad 时，未再结晶区温度的降低、压下量的提高，由于形 ministration of Quality Supervision,PRC.2002 变诱导铁素体相变的发生，在原始奥氏体晶界与形 (梁新邦，李久林，陶立英，等.GB/T228一2002金属材料室温 变带部位优先析出铁素体组织，形成网状组织，从而 拉伸方法.北京：国家质量技术监督局，2002) [7 Weng Y Q.Ultra-fine Grain Steel.Beijing Metallrgy Indus 使冷却后的组织不均匀，对综合性能不利 try Pres,2003 (4)在再结晶区变形，将原奥氏体晶粒细化到 (翁宇庆.超细品钢.北京：治金工业出版社，2003) 一定程度，然后在860~780℃未再结晶区给予50% 8 Targ Y F.Zhang J P.Ke S X.et al GB 712-2000 Hull 以上的变形后，立即以15℃s1左右的冷却速度进 Structural Steel.Beijing:General Administration of Quality Su- 行冷却，得到均匀细小分布的贝氏体与针状铁素体 pervision,PRC.2000 (唐一凡张介平，柯史炫.等.GB712一2000船体用结构钢. 组织，该工艺条件下生产的DH36船板钢具有优良 北京：国家质量技术监督局，2000) 的综合力学性能. [9 CuiZ Q.Metallurgy and Heat Treatment.Beijing:China Ma chine Press,2002 参考文献 (崔忠圻.金属学与热处理.北京：机械工业出版社，2002) [1]Paw dskiO,Kaspar R.Laboratory imulation of the thermome- 10 Wu D,Li Z.Study of controlled rolling and coolirg of 490 M Pa chanical pmocessing of steel.Materialprifung.1988.30.357 grade low carbon cold heading sted.Iron Steel.2008.43(4): 2]NiuI T.Physical Simulation of the Fields of Materials and Hot 61 Working.Beijing:National Defence Industry Press 1999 (吴迪，李状.低碳490MPa级铆螺钢控轧控冷的研究.钢铁， (牛济泰.材料和热加工领域的物理模拟技术。北京：国防工 2008.43(4):61)
图 6 拉伸断口扫描照片.( a) 工艺 1;( b) 工艺 2 Fig.6 Fracture morphologies of t ensile specimens:( a) Scheme 1;( b) S cheme 2 4 结论 ( 1) 所研发的大试样平面应变热力模拟实验系 统, 能连续模拟热轧过程, 变形量大, 可以满足板带 钢精轧过程模拟要求.同时变形区面积大, 变形后 的试样不仅能满足显微组织分析的要求, 而且还能 满足拉伸 、冲击等力学性能实验的要求, 能真正地将 成分、工艺、组织与性能结合在一起, 是板带钢工艺 模拟与优化、新品种开发的理想实验设备. ( 2) 再结晶区轧制变形量在 30 %以上, 有利于 奥氏体晶粒的细化以及随后组织的均匀性与细化, 从而有利于船板钢综合力学性能的发挥 . (3) 当原始奥氏体组织细小时, 未再结晶区温 度的降低 、压下量的提高, 有利于组织的细化与均匀 化, 能显著提高其力学性能;当原始奥氏体组织粗大 时, 未再结晶区温度的降低 、压下量的提高, 由于形 变诱导铁素体相变的发生, 在原始奥氏体晶界与形 变带部位优先析出铁素体组织, 形成网状组织, 从而 使冷却后的组织不均匀, 对综合性能不利. (4) 在再结晶区变形, 将原奥氏体晶粒细化到 一定程度, 然后在860 ～ 780 ℃未再结晶区给予50 % 以上的变形后, 立即以 15 ℃·s -1左右的冷却速度进 行冷却, 得到均匀细小分布的贝氏体与针状铁素体 组织, 该工艺条件下生产的 DH36 船板钢具有优良 的综合力学性能 . 参 考 文 献 [ 1] Paw elski O, Kaspar R.Laboratory simulation of the thermomechanical processing of steel.Materialprǜf ung, 1988, 30:357 [ 2] Niu J T .Physical Sim ulation of the Fields of Materials and Hot Working .Beijing :National Def ence Industry Press, 1999 ( 牛济泰.材料和热加工领域的物理模拟技术.北京:国防工 业出版社, 1999) [ 3] Chang Y F .Development of HS LA wide and heavy plate.Wide Heavy Plate, 2002, 8 ( 5) :1 ( 常跃峰.低合金高强度宽厚板的发展.宽厚板, 2002, 8( 5 ) : 1) [ 4] He X L, Yang S W, Shang C J, et al.Chemical Composition , Process, Microstructure, Properties an d Ap pli ca tion of High Performance Low Carbon Bainite S teel.Beijing :Met allurgy Industry Press, 2008 ( 贺信莱, 杨善武, 尚成嘉, 等.高性能低碳贝氏体钢成分、工 艺、组织、性能与应用.北京:冶金工业出版社, 2008) [ 5] Peng S, Zhang H H, Wu J Y, et al.Eff ect of heat treatment on the microstructure and mechanical propert y of high strength marine st eel.Heat Treat, 2008, 23( 2) :23 ( 彭晟, 张恒华, 吴景炎, 等.热处理工艺对高强度船板钢组织 和性能的影响.热处理, 2008, 23( 2) :23) [ 6] Liang X B, Li J L, Tao L Y, et al.GB/ T228—2002 Tension Method of Metal at Room Temper ature .Beijing :General Administration of Quality Supervision, PRC, 2002 ( 粱新邦, 李久林, 陶立英, 等.GB/ T228—2002 金属材料室温 拉伸方法.北京:国家质量技术监督局, 2002) [ 7] Weng Y Q .U ltra-fine Grain S teel .Beijing:Metallu rgy Industry Press, 2003 ( 翁宇庆.超细晶钢.北京:冶金工业出版社, 2003) [ 8] Tang Y F, Zhang J P, Ke S X, et al.GB 712—2000 Hull S tr uctural S teel .Beijing :General Administration of Quality Supervision, PRC, 2000 ( 唐一凡, 张介平, 柯史炫, 等.GB 712—2000 船体用结构钢. 北京:国家质量技术监督局, 2000) [ 9] Cui Z Q .Metallurgy and Hea t Treatment .Beijing :China Machine Press, 2002 ( 崔忠圻.金属学与热处理.北京:机械工业出版社, 2002) [ 10] Wu D, Li Z.Study of controlled rolling and cooling of 490M Pa grade low carbon cold heading st eel.Iron S teel, 2008, 43( 4 ) : 61 ( 吴迪, 李状.低碳490MPa 级铆螺钢控轧控冷的研究.钢铁, 2008, 43( 4) :61) · 334 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷