二辊斜轧穿孔时金属的裂断机理及斜轧穿孔的工艺实质.pdf_大学文库

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1980.02.018 北京钢铁学院学报 1980年第2期二辊斜轧穿孔时金属的裂断机理及斜轧穿孔的工艺实质压力加工教研室王先进户于速摘要根据作者关于应力、变形和裂断所进行的试验结果，证明斜轧穿孔过程中金属的组织状态发生了一系列的变化，具有一个变形一裂断的发生发展过程，这个规律可以用“五段三层”加以梅括。作者分析了金属变形和裂断相互伴随又相互制约关系，论述了中心金属的断裂性质属于正断型的韧性断裂，揭示了在斜轧时金属中心存在一个特殊的加工状态一利于穿孔成型的裂而未断的疏松状态，提出了穿孔工艺实质和斑佳穿孔工艺图示以及对中心金属裂断发展过程必须加以利用同时加以控制的观点，试图为正确进行穿孔工艺控制莫定理论基础。一、引论斜轧穿孔是金属压力加工最复杂的过程之一，同时也是无缝钢管生产中的关键环节。自1884年二辊斜轧穿孔机出现以来，近代无缝钢管工业得以形成並迅速发展。但是对二辊斜轧穿孔的工艺实质即为什么能够穿孔和应该怎样进行穿孔这个基本问题，在理论上缺乏明确的结论，在生产上缺乏正确的依据。因此，长期以来学术界把中心开裂现象视为二辊斜轧穿孔的“致命弱点”，先后提出和试验了多种穿孔方式以试图取代二辊斜轧方式。四十年代至五十年代，以挤压穿孔代替斜轧穿孔的主张曾风行一时，六十年代至七十年代，采用三辊斜轧穿孔和纵轧压力穿孔(P、P、M)的观点又顿为盛行〔1-4)。但是，除少数挤压机、个别三辊穿孔机和P、P、M轧机投产外，迄今为止，二辊斜轧穿孔方式在世界无缝管生产中仍然占主导地位。压力加工理论研究的任务之一在于阐明和探索合理的加工方式，创造有利于实现特定成型目的的变形条件。斜轧穿孔变形过程主要包括实心园坯斜轧（穿轧段）和空心坯辗轧（辗轧段）两个阶段。穿轧段实际上是为金属穿孔进行准备，以造成一种利于穿孔的条件。历史上随着对穿轧段认识逐渐深化，指导生产怎样进行穿孔的工艺图示经历了三次变更。最早曼内斯曼提出利用无顶头斜轧中心金属的开裂获得空心坯的图示。但是，由于内表面不规则撕裂，这种空心毛坯实际上不能使用。1886年，他们进而提出了利用孔腔並经顶头辗轧的第二图示，並在生产上和理论上被长期采用。按这种观点，斜轧所以能穿孔，实质乃是利用中心自成孔腔，因此在生产上顶头应安放于孔腔形成之后。但是后来的生产实践证明：按这种图示生产时，毛管内表面形成内折和裂纹，不能适应近代工业的需要。1936年，M.A.中OMKYeB提出了斜轧穿孔不仅可以不形成孔腔、而且不 51

北京钢铁学院学报年第期二辊斜轧穿孔时金属的裂断机理及斜轧穿孔的工艺实质压力加工教研室王先进卢于迷摘要根据作者关于应力、变形和裂断所进行的试验结果，证明料轧穿孔过程中金属的组织状态发生了一系列的变化，具有一个变形一裂断的发生发展过程，这个规律可以用 “ 五段三层 ” 加以概括。作者分析了金属变形和裂断相互伴随又相互制约关系，论述了中心金属的断裂性质属于正断型的韧性断裂，揭示了在料轧时金属中心存在一个特殊的加工状态— 利于穿孔成型的裂而未断的疏松状态，提出了穿孔工艺实质和最佳穿孔工艺图示以及对中心金属裂断发展过程必渭加以利用同时加以控制的观点，试图为正确进行穿孔工艺控制奥定理论墓础。一、引论斜轧穿孔是金属压力加工最复杂的过程之一，同时也是无缝钢管生产中的关键环节。自年二辊斜轧穿孔机出现以来，近代无缝钢管工业得以形成亚迅速发展。但是对二辊斜轧穿孔的工艺实质即为什么能够穿孔和应该怎样进行穿孔这个基木问题，在理论上缺乏明确的结论，在生产上缺乏正确的依据。因此，长期以来学术界把中心开裂现象视为二辊斜轧穿孔的 “ 致命弱点” ，先后提出和试验了多种穿孔方式以试图取代二辊斜轧方式。四十年代至五十年代，以挤压穿孔代替斜轧穿孔的主张曾风行一时，六十年代至七十年代，采用三辊斜轧穿孔和纵轧压力穿孔、、的观点又颇为盛行一〕。但是，除少数挤压机、个别三辊穿孔机和、、轧机投产外，迄今为止，二辊斜轧穿孔方式在世界无缝管生产中仍然占主导地位。压力加工理论研究的任务之一在于阐明和探索合理的加工方式，创造有利于实现特定成型目的的变形条件。斜轧穿孔变形过程主要包括实心园坯斜轧穿轧段和空心坯辗轧辗轧段两个阶段。穿轧段实际上是为金属穿孔进行准备，以造成一种利于穿孔的条件。历史上随着对穿轧段认识逐渐深化，指导生产怎样进行穿孔的工艺图示经历了三次变更。最早曼内斯曼提出利用无顶头斜轧中心金属的开裂获得空心坯的图示。但是，由于内表面不规则撕裂，这种空心毛坯实际上不能使用。年，他们进而提出了利用孔腔业经顶头辗轧的第二图示，业在生产上和理论上被长期采用。按这种观点，斜轧所以能穿孔，实质乃是利用中心自成孔腔，因此在生产上顶头应安放于孔腔形成之后。但是后来的生产实践证明按这种图示生产时，毛管内表面形成内折和裂纹，不能适应近代工业的需要。年，中。提出了斜轧穿孔不仅可以不形成孔腔、而且不 DOI ：10．13374／j ．issn1001—053x．1980．02．018

应该形成孔腔的图示。中OMMeB虽然正确地批判了斜轧穿孔必须利用自成孔腔的观点，但是对斜轧穿孔的工艺实质却没有给出理论上的结论。因此，对于顶头的正确位置众说纷纭。文献【]主张：为保证不出现内折，要求顶头前出现的孔腔小于顶头尖端直径，最佳穿孔的统一评价应该由最小能耗决定。文献【！则提出：顶头位置应该处于距咬入端面大约等于坯料直径的截面上以避免出现孔腔。为保证管材质量，有人提出在保证咬入的条件下，顶头应尽可能前移的观点。但是，试验资料却说明：顶头前压下量过大或过小，内折率均有上升，能耗也都增加〔7,8)。生产工艺向理论研究提出了以下具有根本意义的问题： 1.在不利用孔腔的原则下，斜轧穿孔变形的工艺实质是什么？ 2.在保证不出现孔腔的要求下，应该怎样进行穿孔工艺控制？本文根据作者的试验结果，从理论上分析二辊斜轧穿孔的变形和裂断机理，以求把握二辊斜轧穿孔区别于其它穿孔方式的特殊本质。二、中心金属裂断过程的实验研究◆ 1.试件的制备试验在北京钢铁学院中35穿孔机上进行。试件材质选用炭钢、Cr-M-N奥氏体型耐酸不锈钢和工业纯铝。坯料车削成中35×120，予先进行均匀化退化处理。炭钢、工业纯铝的原始组织经检查发现晶粒等轴均匀；具有少量点状缺陷，呈均匀无序分布。不锈钢具有较多均匀分布的夹杂和显微缺陷。 A中心层 B过液层 ,C边缘层原始区压缩区硫松区孔2区辗轧区图1 原料进行无顶头斜轧和带顶头穿孔並中途轧卡。轧卡试件沿纵向轴线切剖（图1）。部分试件再沿横向切剖，以观察纵横两个截面上的显微组织。部分纵剖试件磨片后在5%HC1水溶液内深浸进行粗型分析。粗型分析发现孔腔形成前坯料中心具有一锥形分布的凹坑密集区。在显微镜下沿纵向和横向逐点观察显微组织结构的变化和裂断发生发展过程。断口在光学显微镜下进行断口分析。 2,主要观察结果轧卡试件提供了研究整个轧制过程中金属内部组织结构变化发展过程的可能。观察结果证明：在斜轧条件下金属的裂断过程是有规律的，可以用五段和三层加以概括（图2见图版）。原始区域：粗视组织致密、无目见缺陷。显微组织沿纵横截面均匀分布有园形缺陷（夹普参加实验工作的还有朱景清，李鸿荣，孙元祝，雷华梧，胡文耀等同志。 52

应该形成孔腔的图示。中。，，。虽然正确地批判了斜轧穿孔必须利用自成孔腔的观点，但是对斜轧穿孔的工艺实质却没有给出理论上的结论。因此，对于顶头的正确位置众说纷纭。文献 ‘ 主张为保证不出现内折，要求顶头前出现的孔腔小于顶头尖端直径，最佳穿孔的统一评价应该由最小能耗决定。文献则提出顶头位置应该处于距咬入端面大约等于坯料直径的截面上以避免出现孔腔。为保证管材质量，有人提出在保证咬入的条件下，顶头应尽可能前移的观点。但是，试验资料却说明顶头前压下量过大或过小，内折率均有上升，能耗也都增加，〕。生产工艺向理论研究提出了以下具有根本意义的问题在不利用孔腔的原则下，斜轧穿孔变形的工艺实质是什么在保证不出现孔腔的要求下，应该怎样进行穿孔工艺控制本文根据作者的试验结果，从理论上分析二辊斜轧穿孔的变形和裂断机理，以求把握二辊斜轧穿孔区别于其它穿孔方式的特殊本质。二、中心金属裂断过程的实验研究试件的材备试验在北京钢铁学院小穿孔机上进行。试件材质选用炭钢、一一奥氏体型耐酸不锈钢和工业纯铝。坯料车削成小，予先进行均匀化退化处理。炭钢、工业纯铝的原始组织经检查发现晶粒等轴均匀具有少量点状缺陷，呈均匀无序分布。不锈钢具有较多均匀分布的夹杂和显微缺陷。上自《人赢丁过渡层 ‘ 边缘层原始区压缩区疏松区匹些区一望全丛圣图原料进行无顶头斜轧和带顶头穿孔业中途轧卡。轧卡试件沿纵向轴线切剖图。部分试件再沿横向切剖，以观察纵横两个截面上的显微组织。部分纵剖试件磨片后在水溶液内深浸进行粗型分析。粗型分析发现孔腔形成前坯料中心具有一锥形分布的凹坑密集区。在显微镜下沿纵向和横向逐点观察显微组织结构的变化和裂断发生发展过程。断口在光学显微镜下进行断口分析。主要现寮谊果轧卡试件提供了研究整个轧制过程中金属内部组织结构变化发展过程的可能。观察结果证明在斜轧条件下金属的裂断过程是有规律的，可以用五段和三层加以概括图见图版。原始区域粗视组织致密、无目见缺陷。显微组织沿纵横截面均匀分布有园形缺陷夹参加实验工作的还有朱景清，李鸿荣，孙元祝，雷华梧，胡文粗等同志

杂及显微裂口)，数量级在5μ左右，无方向性和区域性，中心层、过渡层和边缘层相同。压缩区域：粗视组织致密，仍无可见缺陷。显微组织在边缘层的缺陷沿管坯径向缩小，轴向略有扩大（椭化）。中心层缺陷沿轴向延伸，形成显微裂口，顺轴向穿过晶界或处于晶内，随压缩量增加，裂口数目明显增多且相互靠近，裂口尺寸略有扩展，但以裂口数量增多为主要特征。到压缩区后期，微裂口相当靠近，开始形成显微裂口带。过渡层至压缩区后期亦出现较多微裂口。疏松区域：粗视组织表现为锥形分布的凹坑密集于轴心附近，范围益趋加大。显微组织发现，该区域中心金属分布大量逐步相互连接的显微裂口，长度达50~100μ，顺轴向，裂口长大靠自身长大和显微裂口的连接（搭接、串接和叉接）进行。这种裂口益趋密集和扩大表现为粗视组织可见的条形凹坑。边缘层很少发现裂口。孔腔区域：断口表面呈纤维条状，具有浮雕状的明显塑性变形痕迹。孔腔是中心金属的单一孔洞，孔腔端部显微组织可见大量裂缝相互连接，孔腔是裂口连接成片的结果。边缘层仍未发现新缺陷产生。辗轧区域：毛管内壁发现辗轧内折。单个裂口在顶头银轧时有辗轧压合和转向趋势。无孔腔时，毛管内壁无折迭，其疏松区显微裂口带在顶头上数量逐渐减少，渐次变细，表现出焊合的可能性。上述观察结果对炭钢、不锈钢、工业纯铝都具相似规律，但疏松区发展的明显程度不尽区层原始区压缩区疏松区孔腔区辗轧区边显微缺陷缘消失消失消失原状细化椭化层始沿显纵过微横轴向显微裂口缺截串状裂缝显微裂口及宏裂口压渡陷面线伏裂缝观裂口折压焊少量新生及转向层呈均显微裂口点匀状分轴向显微裂口絮布餐接扩展形单一系列孔腔扩展内折新生显显微裂缝微裂口层裂纹连接扩大 53

杂及显微裂口，数量级在卜左右，无方向性和区域性，中心层、过渡层和边缘层相同。压缩区域粗视组织致密，仍无可见缺陷。显微组织在边缘层的缺陷沿管坯径向缩小，轴向略有扩大椭化。中心层缺陷沿轴向延伸，形成显微裂口，顺轴向穿过晶界或处于晶内，随压缩量增加，裂口数目明显增多且相互靠近，裂口尺寸略有扩展，但以裂口数里增多为主要特征。到压缩区后期，微裂口相当靠近，开始形成显微裂口带。过渡层至压缩区后期亦出现较多微裂口。疏松区域粗视组织表现为锥形分布的凹坑密集于轴心附近，范围益趋加大。显微组织发现，该区域中心金属分布大量逐步相互连接的显微裂口，长度达。卜，顺轴向，裂口长大靠自身长大和显微裂口的连接搭接、串接和叉接进行。这种裂口益趋密集和扩大表现为粗视组织可见的条形凹坑。边缘层很少发现裂口。孔腔区域断口表面呈纤维条状，具有浮雕状的明显塑性变形浪迹。孔腔是中心金属的单一孔洞，孔腔端部显微组织可见大量裂缝相互连接，孔腔是裂口连接成片的结果。边缘层仍未发现新缺陷产生。辗轧区域毛管内壁发现辗轧内折。单个裂口在顶头辗轧时有辗轧压合和转向趋势。无孔腔时，毛管内壁无折迭，其疏松区显微裂口带在顶头上数最逐渐减少，渐次变细，表现出焊合的可能性。上述观察结果对炭钢、不诱钢、工业纯铝都具相似规律，但疏松区发展的明显程度不尽区一原始区 ‘ 压缩区疏松区孔腔区辗轧区层边叶… 消 “ …一。缘消失消消失失叶…闷消失层过轴向显 ’ 鬓装戮鑫显微裂 ‘ 裂口压渡一，刁自‘ ， ‘ ， — 一口及宏 — 层裂一折压焊 ’严带士， … 串状裂缝口及宏口及转向少量新生线状裂缝观裂口 …显微裂口轴向豆一、、一。一一 …竺，… 新生显一裂口依不连单孔一蔓款暴夔…一 ’ 丁一薰…一日内一孔折中微塑王一一一 ’ 上匕 …— 形腔，。成一系列 …粤竺途垫扩犷鑫 … … 显微裂缝展层 … 带

相同。炭钢的疏松区最长，裂口焊合效果最好。裂断发展过程可归纳于下表所示。可见： 1)金属体内裂口来源有二：原始缺陷的发展和新生裂口的形成，压缩区金属中心显微裂口远较原始区域为多，说明变形过程中有新生裂口产生。 2)断裂具有一个先裂后断的发生发展过程。，沿纵断面（不同压缩量）具有阶段性（五区)，沿横截面各层的发展具有不均匀性（三层）。致密的园坯从咬钢开始随压下量增加，处于不同层的金属经历了不同的过程。中心金属处于致密状态一疏松状态—一孔腔形成等不同阶段。边缘层则愈趋致密，无新生裂口出现。 3)“疏松”是斜轧过程中心金属裂断发展的一个特定的阶段状态，它是金属体内密集有尚未连接和尚未完全连接的裂口密集带。密集程度不同，‘疏松程度不同。由于裂口尚未完企连接，金属处于裂而未断的状态，不构成金属连续性的整体破坏，内部金属尚未与外界空气相接触，因此並不构成因氧化而恶化内表面，·造成折迭。‘实验证明：顶头的辗轧可以使疏松区裂纹焊合。这和一般冶金过程中大盘夹杂、：气泡、偏析构成的“疏松”在物理实质上有根本区别。三、中心金属的变形一裂断机理分析作者1962年通过硬度测定法和晶粒比较法首先证明二辊斜轧时金属的变形分布呈W形，即边缘层最大，中心层次之，过渡层最小。图3和图4为纵横截面硬度增量（即变形强度）和等硬度曲线（等变形强度曲线）。图5和图6（见图版）为冷轧后及冷轧后再结晶的铝试件横向截面组织照片，可见具有明显三层结构，边缘层和中心层较过渡层晶粒为细。孔腔形成前，中心业已产生明显而剧烈的塑性变形。並且，边缘层产生明显纤维流线，说明其变形具往复剪切的特点【]。采用插入螺丝法研究应力性质变化特点得出：由错齿压折现象说明中心承受周期变号的拉一压一剪切的应力作用（图7），沿轧辊作用方向金属受压，横向受拉，在45°方向受剪切，每转一圈，应力性质变化四次〔10〕。 125 硬度增量 75 接触区压轧带边缘层中心层过渡层图3沿纵截面上各层硬度 5 增量和等硬度曲线 02 u% 相对压下量 54

相同。炭钢的疏松区最长，裂口焊合效果最好。裂断发展过程可归纳于下表所示。可见金属体内裂口来源有二原始缺陷的发展和新生裂口的形成，压缩区金属中心显微裂口远较原始区域为多，说明变形过程中有新生裂口产生。断裂具有一个先裂后断的发生发展过程。沿纵断面不同压缩量具有阶段性五区，沿横截面各层的发展具有不均匀性三层。 · 致密的园坯从咬钢开始随压下量增加，处于不同层的金属经历了不同的过程。中心金属处于致密状态— 疏松状态— 孔腔形成等不同阶段。边缘层则愈趋致密，无新生裂口出现。 “ 疏松 ” 是斜轧过程中心金属裂断发展的一个特定的阶段状态，它是金属体内密集有尚未连接和尚未完全连接的裂口密集带。密集程度不同，疏松程度不同。由于裂口尚未完全连接，金属处于裂而未断的状态，不构成金属连续性的整体破坏，内部金属尚未与外界空气相接触，因此业不构成因氧化而恶化内表面，造成折迭。 ‘ 实验证明顶头的辗轧可以使疏松区裂纹焊合。这和一般冶金过程中大量夹杂、气泡、偏析构成的 “ 疏松 ” 在物理实质上有根本区别。三、中心金属的变形一裂断机理分析作者年通过硬度测定法和晶拉比较法首先证明二辊斜轧时金属的变形分布呈形，即边缘层最大，中心层次之，过渡层最小石图和图为纵横截面硬度增量即变形强度和等硬度曲线等变形强度曲线。图和图见图版为冷轧后及冷轧后再结晶的铝试件横向截面组织照片，可见具有明显三层结构，边缘层和中心层较过渡层晶粒为细。孔腔形成前，中心业已产生明显而剧烈的塑性变形。业且，边缘层产生明显纤维流线，说明其变形具往复剪切的特点。】。采用插入螺丝法研究应力性质变化特点得出由错齿压折现象说明中心承受周期变号的拉一压一剪切的应力作用图，沿轧辊作用方向金属受压，横向受拉，在。方向受剪切，每转一圈，应力性质变化四次〔〕。、丫宝、、、，、、、、、、、、、，，产 ‘ 式『 ’心『尸厂尸洲尸二一二一一一甲一气曰日曰曰‘ 」门‘ 日户叫曰，口班口心，声口 ‘ ‘ 卜日产尸产 ‘ 户口户知口才互日口网团口」尸尹「口忍口犷口口口边缘层中心层过渡层图沿、纵截面上各层硬度增量和等硬度曲线林万相对压下量

成显微裂口，继之，在中心塑性变形加刷时，显微裂口增多，并扩展连接，最后形成孔腔。它们是同一应力状态作用下同时进行的两个发展过程，具有相互促进和相互制约的密切联系。近代金属物理和强度理论的研究结果证明：裂断与变形都可用位错理论予以说明。切变的发展是位错不断产生和沿滑移面运动的过程，而断裂的发生发展则是位错的不断聚集和消失的过程。二者同时存在的前提是位错的不断产生和运动，需要Frank--Lead源的不断动作，即二过程发生发展的必要条件是材料的屈服。斜轧时，金属产生屈服后，大量位错在其运动过程中由于各种障碍（晶界、夹杂等）或由Cottre【位错反应模型而堆积，造成大量的应力集中，这种应力集中在金属塑性良好时，可能由变形来松弛，引起下一晶粒位错源动作，形变得以继续，裂断过程受抑制。 H,H.门aBHⅡHKOB指出：滑移面上滑移阻力（变形抗力）随变形而增加，而正断阻力则由于变形使晶格扭曲而减小〔13)。因此塑性形变最终将引起体内大量晶格缺陷的出现。H.6. 中OHIMaH曾把变形和断裂分为宏观的变形和断裂，数量级在晶粒大小范围的显微变形和断裂以及数量级在数十至上百个原子间距范围的亚微观变形和断裂三类〔14)。塑性变形造成的缺陷属于第三类。它们表现为第【类晶格畸变，位错交割和空穴，位错数目增多。因此，A.B.CrenaRo认为：裂缝的萌芽不是自发产生的，而是塑性变形的结果〔15)。B.A. 几BJOB和M.B.HKyTOBH4也证实，切应力引起的塑性变形增加了显微裂口出现的几率〔16)。即使脆性断口的表面也存在塑性变形的痕迹〔17)。可见，塑性变形和裂断是相互伴随的，塑性变形造成的晶格缺陷是裂断进一步发展的条件，使金属有可能在远较未变形时的正断抗力为小的应力作用下形成显微裂口。斜轧时正是由于塑性变形造成了大量缺陷，在拉应力作用下形成显微裂口。根据现代强度理论，变形与断裂的发生发展还决定于材料的性质和应力的关系。一定应力σ作用下，有三种可能： 1)产生塑性变形（当g>0,屈服应力）事· 2)促使裂核形成（当o>·n形核应力） 3)促使裂核长大（当o>σ：正断抗力）。如前所述，变形初期，金属中心业已变形，第1条业已满足。根据能量观点，σ。主要取决于表面能大小，而σ【则决定于促使裂口扩展时所消耗于伴随四周产生大塑性变形所需的能量和表面能，一般说o>0n〔18)。因此，变形初期（压缩区），由于横向拉应力较小，金属组织致密，变形协调性大，拉应力促使晶格缺陷“显现”，变为微裂口，尚不能进一步扩展传播。此时表现为中心金属以裂口形成为主。裂口尖端的应力集中由于塑性变形的松弛而达到应力的重新分布，从而使裂口尖端锐度减小，裂断发展变缓甚至抑制，此时形变处于主导地位。随着中心拉应力增加，特别是裂口数目增多，则应力集中转而依靠裂缝发展来松弛。此时裂断过程表现为裂口的扩展、连接为主而迅速发展（疏松区）。显微裂口顺主变形方向延伸，相互连接。如实验观察所见，依不同条件可以是同一轴线上裂纹的串接，不同轴线上平行裂纹相互搭接，也可以是通过晶内或晶界夹杂叉接。这一阶段的特点是裂口连接靠近形成裂口带但却处于相互隔离而未构成金属整体完全破坏。裂断发展的最后形成单一的孔腔，此时裂断过程和变形过程同时终结。因此，斜轧时中心金属裂断发展表现明显的阶段性和区城性正是变形和断裂这两个不可 56

成显微裂口，继之，在中心塑性变形加剧时，显微裂口增多，并扩展连接，最后形成孔腔。它们是同一应力状态作用下同时进行的两个发展过程，具有相互促进和相互制约的密切联系。近代金属物理和强度理论的研究结果证明裂断与变形都可用位错理论予以说明。切变的发展是位错不断产生和沿滑移面运动的过程，而断裂的发生发展则是位错的不断聚集和消失的过程。二者同时存在的前提是位错的不断产生和运动，需要一源的不断动作，即二过程发生发展的必要条件是材料的屈服。斜轧时，金属产生屈服后，大量位错在其运动过程中由于各种障碍晶界、夹杂等或由位错反应模型而堆积，造成大量的应力集中，这种应力集中在金属塑性良好时，可能由变形来松弛，引起下一晶粒位错源动作，形变得以继续，裂断过程受抑制。旦。。江。。指出滑移面上滑移阻力变形抗力随变形而增加，而正断阻力则由于变形使晶格扭曲而减小〔〕。因此塑性形变最终将引起体内大量晶格缺陷的出现。中，江曾把变形和断裂分为宏观的变形和断裂，数量级在晶粒大小范围的显微变形和断裂以及数量级在数十至上百个原子间距范围的亚微观变形和断裂三类〔〕。塑性变形造成的缺陷属于第三类。它们表现为第类晶格畸变，位错交割和空穴，位错数目增多。因此，。认为裂缝的萌芽不是自发产生的，而是塑性变形的结果〔〕。邸。。和只。也证实，切应力引起的塑性变形增加了显微裂口出现的几率〕。即使脆性断口的表面也存在塑性变形的痕迹〕。可见，塑性变形和裂断是相互伴随的，塑性变形造成的晶格缺陷是裂断进一步发展的条件，使金属有可能在远较未变形时的正断抗力为小的应力作用下形成显微裂口。斜轧时正是由于塑性变形造成了大量缺陷，在拉应力作用下形成显微裂口。根据现代强度理论，变形与断裂的发生发展还决定于材料的性质粕应力的关系。一定应力作用下，有三种可能产生塑性变形当。屈服应力，促使裂核形成当。。形核应力，促使裂核长大当。，正断抗力。如前所述，变形初期，金属中心业已变形，第条业巳满足。根据能量观点，。主要取决于表面能大小，而。，则决定于促使裂口扩展时所消耗于伴随四周产生大塑性变形所需的能量和表面能，一般说。 ‘ 。〔〕。因此，变形初期压缩区，由于横向拉应力较小，金属组织致密，变形协调性大，拉应力促使晶格缺陷 “ 显现 ” ，变为微裂口，尚不能进一步扩展传播。此时表现为中心金属以裂口形成为主。裂口尖端的应力集中由于塑性变形的松弛而达到应力的重新分布，从而使裂口尖端锐度减小，裂断发展变缓甚至抑制，此时形变处于主导地位。随着中心拉应力增加，特别是裂口数目增多，则应力集中转而依靠裂缝发展来松弛。此时裂断，过，程表现为裂口的扩展、连接为主而迅速发展疏松区。显微裂口顺主变形方向延伸，相互连接。如实验观察所见，依不同条件可以是同一轴线上裂纹的串接，不同轴线上平行裂纹相互搭烤，也可以是通过晶内或晶界夹杂叉接。这一阶段的特点是裂口连接靠近形成裂口带但却处于相互隔离而未构成金属整体完全破坏。裂断发展的最后形成单一的孔腔，此时裂断过程和变形过程同时终结。因此，斜轧时中心金属裂断发展表现明显的阶段性和区域性正是变形和断裂这两个不可

逆行为的相互伴随和相互制约的反映。孔腔形成后的进一步斜轧乃是空心厚壁坯料的往复压缩及塑性弯曲，因而孔腔区孔腔迅速扩大。遇到顶头后，金属受顶头辗轧，已被氧化的孔腔周围不规则撕裂被压折形成内折，金属保留断裂的后果。但是，顶头在疏松区位置时，由于裂口新表面未被氧化，裂断过程尚未完成而被顶头辗轧所抑制，则使裂口细化和压焊。 2.变形一裂断过程中的应力作用切应力是位错运动的推动力，引起塑性变形的产生，从而产生亚微观的晶格缺陷。但是，这种缺陷只是微裂口产生的前提。在压应力作用下，晶格缺陷受到抑制不可能得到发展。反之，在拉应力作用下，缺陷将显现为可见的显微裂口，並随拉应力增加进一步发展。因此，切应力和拉应力词时作用是裂断发生、发展的根本原因。切应力（引起塑性变形）造成了显微裂口出现的必要条件，拉应力则使是显微裂口形成、扩展的充分条件。 3.中心金属开裂的性质关于斜轧时中心开裂的性质长期以来存在着争论，E.Seibel等主张中心开裂是切断〔19)〕，B.C.CMHPHOB等认为是脆断〔20)，我国学者张作梅等研究横轧时认为中心开裂是韧性一跪性断裂〔21)。我们认为主要问题在于混淆了断裂类型和断裂方式这两个不同范畴的概念。断裂的类型是-·种宏观物理概念。以断裂前是否发生剧烈塑性变形及其断口性状加以判别，断裂方式则是讨论断裂的起因及其进行的过程。根据我们的实验结果，变形分布的研究证明：孔腔形成前金属业已产生剧烈塑性变形，同时断口分析和裂缝发展性状也说明了这一点。孔腔的主干裂缝是由一系列单个裂缝连接扩大而成的，连接的结果造成了断口的外部轮廓。按中pMⅡMH的提法，主干裂缝连接过程中有5%的相对变形时，则可认为属于韧性断裂。由于裂口连接时出现的塑性变形，使断口不可能出现晶体光译，断口表面所观察到的纤维状和浮雕状是断裂过程伴随塑性变形的特征。同时，韧性断裂是变形过程和裂断过程复合作用的结果。几BJIOB和HKyToBHI曾观察出：裂缝在塑性变形时一方面发展，一方面由于滑移的进行而向滑移方向转动，因此，由于变形的几何作用裂缝与主变形方向一致。由此可见，斜轧中心开裂就宏观现象而言是韧性断裂。然而，正如以上所述，裂口的形成和发展都是拉应力造成的，故断裂属于正断方式。因此，我们可以得出结论：斜轧过程的中心开裂性质是拉应力引起的正断型的韧性断裂。这一论断概括了断裂过程的起因和后果，微观机理和宏观现象两个方面。 4,二辊斜轧穿孔的工艺实质和量佳穿孔图示二辊斜轧机的穿轧段为金属的穿孔成型创造了两个基本条件即应力状态的力学准备和疏松状态的组织准备，我们统称为加工状态。疏松状态是变形一裂断发展的一个由量变到质变的裂而未断的特定阶段。在这个阶段，微裂口渐次密集而又未连成单一孔腔，因此，既降低了金属的变形阻力，有利于穿孔成型，又未造成金属整体破坏，未与外界空气接触，並且可以在顶头上辗轧压焊重新保持金属的致密状态。因此，我们认为二辊斜轧穿孔的工艺实质正是利用了疏松状态达到穿孔成型的特定目的，这也正是区别于其它穿孔方式的特点和优点。因此二辊斜轧产生的裂断过程是一个应该加以利用而又必须加以控制的特殊现象。认为必须产生孔腔才能进行穿孔的观点是错误的， -而把裂断视为“致命弱点”和“根本弊病”而试图摒弃这种有利的穿孔工艺方式〔22)也同样 57

逆行为的相互伴随和相互制约的反映。孔腔形成后的进一步斜轧乃是空心厚壁坯料的往复压缩及塑性弯曲，因而孔腔区孔腔迅速扩大。遇到顶头后，金属受顶头辗轧，巳被氧化的孔腔周围不规则撕裂被压折形成内折，金属保留断 ’ 裂的后果。但是，顶头在疏松区位置时，由于裂口新表面未被氧化，裂断过程尚未完成而被顶头辗轧所抑制，则使裂口细化和压焊。变形一裂断过程中的应力作用切应力是位错运动的推动力，引起塑性变形的产生，从而产生亚微观的晶格缺陷。但是、这种缺陷只是微裂口产生的前提。在压应力作用下，晶格缺陷受到抑制不可能得到发展。反之，在拉应力作用下，缺陷将显现为可见的显微裂口，业随拉应力增加进一步发展。因此，切应力和拉应力同时作用是裂断发生、发展的根本原因。切库力引起塑性变形造成了显微裂口出现的必要条件，拉应力则使是显微裂口形成、扩展的充分条件。中心金属开裂的性质关于斜轧时中心开裂的性质长期以来存在着争论，等主张中心开裂是切断〔〕，二。。等认为是脆断〔〕，我国学者张作梅等研究横轧时认为中心开裂是韧性一脆比断裂〔〕。我们认为主要问题在于混淆了断裂类型和断裂方式这两个不同范畴的概念。断裂的类型是一种宏观物理概念。以断裂前是否发生剧烈塑性变形及其断口性状加以判别。断裂方式则是讨论断裂的起因及其进行的过程。根据我们的实验结果，变形分布的研究证明孔腔形成前金属业已产生剧烈塑性变形，同时断口分析和裂缝发展性状也说明了这一点。 ‘ 孔腔的主干裂缝是由一系列单个裂缝连接扩大而成的，连接的结果造成了断口的外部轮廓。按中。的提法，主干裂缝连接过程中有的相对变形时，则可认为属于韧性断裂。由于裂口连接时出现的塑性变形，使断口不可能出现晶体光泽，断口表面所观察到的纤维状和浮雕伏是断裂过程伴随塑性变形的特征。同时，韧性断裂是变形过程和裂断过程复合作用的结果。。二。和双曾观察出裂缝在塑性变形时一方面发展，一方面由于 · 滑移的进行而向滑移方向转动，因此，由于变形的几何作用裂缝与主变形方向一致。 ‘ 由此可见，斜轧中心开裂就宏观现象而言是韧性断裂。然而，正如以上所述，裂口的形成和发展都是拉应力造成的，故断裂属于正断方式。因此，我们可以得出结论斜轧过程的中心开裂性质是拉应力引起的正断型的韧性断裂。这一论断概括了断裂过程的起因和后果，微观机理和宏观现象两个方面。二辊斜轧穿孔的工艺实质和佳穿孔图示二辊斜轧机的穿轧段为金属的穿孔成型创造了两个基本条件即应力状态的力学准备和疏松状态的组织准备，我们统称为加工状态。疏松状态是变形一裂断发展的一个由量变到质变的裂而未断的特定阶段。在这个阶段，微裂口渐次密集而又未连成单一孔腔，因此，既降低了金属的变形阻力，有利于穿孔成型，又未造成金属整体破坏，未与外界空气接触，业且可以在顶头上辗轧压焊重新保持金属的致密状态。因此，我们认为二辊斜轧穿孔的工艺实质正是利用了疏松状态达到穿孔 ’ 成型的特定目的，这也正是区别于其它穿孔方式的特点和优点。因此二辊斜轧产生的裂断过程是一个应该加以利用而又必须加以控制的特殊现象。认为必须产生孔腔才能进行穿孔的观点是错误的，一而把裂断视为 “ 致命弱点 ” 和 “ 根本弊病 ” 而试图摒弃这种有利的穿孔工艺方式〔幻也同样

是片面的。从二辊斜轧工艺实质的理论概念出发，和历史上三个工艺图示不同，我们提出了正确利用疏松状态进行最佳穿孔的工艺图示。最佳穿孔图示乃是使金属处于裂而未断的疏松状态下进行穿孔。当然，疏松区的具体位置与材料性质，变形的温度、速度，工具形状，变形区构成有关。但是，正如在生产中所看到的，在其它条件已定时，工艺调整，特别是顶头位置是最活跃的因素。各种变形的工艺因素对穿孔过程的影响，就物理过程而言，归根到底将表现为中心金属变形一裂断过程和碰到顶头时金属加工状态准备情况的不同。顶头处于疏松区的穿孔是最佳穿孔图示的基本原则，研究不同金属在不同的热力学条件和变形几何条件下疏松区发展特征乃是研究穿孔性能的重要内容。四、金属处于不同裂断阶段的穿孔工艺研究为了研究当中心金属处于不同裂断阶段下穿孔时在工艺上的反映，我们在小穿孔机和小穿孔机上进行工艺试验，以穿孔顶头为指示器，在其它工艺因素管坯直径，轧辊调整，工具尺寸等不变的倩况下，使顶头处于变形区纵向不同位置，即管坯在不同准备时与顶头相遇，用示波器记录顶头压力变化曲线，同时记录不同顶前压下量穿孔时的力能和穿孔速度等数据。部分试件在不同顶前压下量穿孔时轧卡，纵向切剖后观察裂断情况，对照穿孔指标，说明不同的加工状态下穿孔时所存在的规律。试验采用、 ‘ 、及卜一一耐酸钢。图压力示波曲线及填充阶段放大后特征曲线本试验工作部分在上钢五厂进行，参加工作的有马志朴、王股厚、宋永令、陈劲、王健华等同志

金属坟充变形区顶杆压力示波曲线及衰示中心金属加工状态的特征点对所有示波照相曲线进行分析发现各种方案所测压力曲线具有相似的特征图。轧辊压力沿，，，，顶杆压力沿，，，渐次上升到稳定值。。。为金属从咬入到遇到顶头的时间。。为刚接触金属中心时的顶杆压力，反映了此时中心金属组织状态的准备情况。由于此时金属前进突然受阻，运动速度减慢，压力上升变缓，出现、。平滑带。这一段定性地表征了由于加工状态不同而引起金属在顶头上的运动特征。当中心金属尚准备不足，该段较长，当中心金属业已疏松，则顶尖顺利插入金属，该段较短。随后在轧辊作用下，金属继续前进填充变形区，最后达到稳定轧制。可见，。、下。为示波曲线上反映穿轧段中心金属加工状态的特征点。测定不同顶前压下量穿孔时示波曲线的。、。。、丫。。值，得出图。乡。乙日六公‘ 公闷‘ ，长 — 鑫吹口以公 “拼能妊妇引口门口口口沙口日因口口冈口口日门旧口日口口口囚口口口口口口口口口口口口口口口口口口门口口口日口口口口口口口医巨厂尸门巨口口巨曰巨口仁厂尸二月巨口厂「」呀冈厂口巨口巨压巨厂厂门口口巨巨口门口口口口口巨口门厂口日曰日巨口区口厂… 巨口团巨口日习口口巴口日口困巨口口门旧口盯曰口四口口巨医巨乏习〔巨二【孟二二「二二【竺竺目巨口巨口巨巨口口口口口口厂厂匡口口口国目「巨诬日冈口口口巴口口口口口口口口口巨曰日口门口口日口曰曰刃门日图门叮门冈门曰日口厄冈门曰门四盯口巨口口口口门厂口曰曰口冈门厂日一曰巨口陈『厂日巨巨臣仄口。 ‘ 二吧竺旦宁，竺竺日厂厂厂厂厂万口厂厂厂几口只尸曰巨压尸厂日厂下曰口口巨口口口甘口︵协八 ·月 ‘ 甲，顶前压下最图口口口岭杏弓弓顶前压下最旗前压下量对示波曲线特征点位置的影响压石弓书峨，城蛋顶前压下员多时” ‘ 八土，，，口公材‘ 护。 ‘ 士协理 — ， ’ 上全 ’ 己口门门门门习日日刃口团门不习门口团门门口团曰产巨一门门口门门门门门门门口门「一曰「网叼阿冈门门门口团日口网网阿厂曰厂戈门曰曰口日 ‘ 一飞勺少曰尸二厂班尸口口守闭亚闷巨厂厂厂厂尸陌日厂厂厂夕叮曰仄厂厂口尸厂曰巨区巴口口口日口厂厂厂厂「门门门厂日厂口曰厂曰叮门口曰门巴目曰口口口口日口口口日口曰国刃口巨口习叼日口因口口口日口图团口日口曰口万门口曰曰「曰门因曰门门网刃二习曰巴口柳种铆翻，肋瑞却份详伟阅粤对留辅翻督︵三歹么，，分，顶前伏子护臼叮夕口巨巨厂厂门厂门口厂国尸门口巨巨呀尸「曰口巨巴巨巨口口口曰厂厂厂门口口厂夕日口曰尸「曰口 ‘ 、二己口巴乙口口厂园曰反曰冈曰口曰二目日日三压巴「月口口口口门冈门一口引「一才，口困曰口只解宁日豁︶只日光顶前压下叹 “ 图琪前压下量与穿孔力能指标的关系

2.顶前压下量“%与各特征点关系 T。与u%基本呈直线关系，说明顶头向后移时，金属与顶头相遇时间成比例增加。 t。c一u%曲线近似呈双曲线关系。u%很小时tbc 很大，此时中心金属准备不足，在顶头上滑动时间长。 110 随“%增加，T。:迅速减小，说明顶头顺利插入金属。 70 当u%过大，由于孔腔形成造成穿孔过程不稳定，Tbc 家並未继续剧烈减小。 Q。-u%曲线：u%过大或过小都引起Q,的上升，存在一个Q。最小值。 E 3,顶头前压下量与享孔指标关系： R 对各种穿孔指标进行整理分析得出图10。对各种钢 2 种和温度均有相似规律。由图可见，“%过大或过小，轧辊压力，顶杆阻力，电机功率和电流都增加，穿孔速度降低，而在某一位置附近，各曲线相应处于最低值，存以在一个最佳状态。装为了说明最佳状态穿孔时所处的断裂阶段，对不同顶前压下量“% 顶前压下量时进行轧卡，测定其力能参数（图11），经图11顶前压下量与力能指标穿孔比较纵剖轧卡试件发现，u=10.62%时中心产生孔腔，时间的关系(1Cr18Ni9Ti) 力能参数的最低值对应于孔腔形成前的位置即疏松阶段。工艺试验证明了最佳穿孔图示的存在，说明顶头处于疏松区的穿孔过程是最佳穿孔过程。此时穿孔的力能消耗较小，穿孔速度较快，毛管的质量也较好。五、结论 1.实验观察说明：二辊斜轧穿孔中，金属在特定的应力状态作用下，其组织状态发生了一系列变化，具有一个规律的变形一裂断发生发展过程，这种规律性可以用五区（阶段性)和三层（区域性）加以概括。 2.变形和裂断过程具有相互伴随相互抑制的矛盾统一关系。中心应力状态各成分的作用各不相同。往复切应力引起塑性变形与晶格缺陷的出现，是裂断的必要条件，拉应力促使裂缝产生和扩大，直至形成孔腔，是裂断的充分条件，压应力则抑制裂断发展。中心开裂是拉应力引起的正断型的韧性断裂。 3.疏松是裂断过程中某一特定阶段的状态，其物理实质乃是金属密集有一系列尚未连接或未完全连接的各种裂口带。实验证明，这种状态既利于穿孔成型又保证了毛管质量。 4.正确利用裂而未断的疏松区乃是区别于其它穿孔方式的二辊斜轧穿孔的工艺实质。顶头处于疏松区的穿孔工艺乃是最佳穿孔工艺图示的重要原则。 60

顶前压下与各特征点关系丫。与基本呈直线关系，说明顶头向后移时，金属与顶头相遇时间成比例增加。。。一曲线近似呈双曲线关系。很小时丫。很大，此时中心金属准备不足，在顶头上滑动时间长。随增加，丫、。迅速减小，说明顶头顺利插入金属。当过大，由于孔腔形成造成穿孔过程不稳定，。业未继续剧烈减小。曲线过大或过小都引起。的上升，存在一个、最小值。顶头前压下与穿孔指标关系对各种穿孔指标进行整理分析得出图。对各种钢种和温度均有相似规律。由图可见，过大或过小，轧辊压力，顶杆阻力，电机功率和电流都增加，穿孔速度降低，而在某一位置附近，各曲线相应处于最低值，存在一个最佳状态。为了说明最佳状态穿孔时所处的断裂阶段，对不同顶前压下量时进行轧卡，测定其力能参数图，经比较纵剖轧卡试件发现，二时中心产生孔腔，未口犷口、口口陌生尹卢石、叫啥，口口产「一，一习「一一口沪尸产 ‘一庄二夕州、，一口了广川图明分浏洲 ’ 图顶前压下量与力能指标穿孔时 ’ 的关系力能参数的最低值对应于孔腔形成前的位置即疏松阶段。工艺试验证明了最佳穿孔图示的存在，说昵顶头处于疏松区的穿孔过程是最佳穿孔过程。此时穿孔的力能消耗较小，穿孔速度较快，毛管的质量也较好。五、结论实验观察说明二辊斜轧穿孔中，金属在特定的应力状态作用下，其组织状态发生了一系列变化，具有一个规律的变形一裂断发生发展过程，这种规律性可以用五区阶段性和三层区域性加以概括。变形和裂断过程具有相互伴随相互抑制的矛盾统一关系。中心应力状态各成分的作用各不相同。往复切应力引起塑性变形与晶格缺陷的出现，是裂断的必要条件，拉应力促使裂缝产生和扩大，直至形成孔腔，是裂断的充分条件，压应力则抑制裂断发展。中心开裂是拉应力引起的正断型的韧性断裂。疏松是裂断过程中某一特定阶段的状态，其物理实质乃是金属密集有一系列尚未连接或未完全连接的各种裂口带。实验证明，这种状态既利于穿孔成型又保证了毛管质量。正确利用裂而未断的疏松区乃是区别于其它穿孔方式的二辊斜轧穿孔的工艺实质。顶头处于疏松区的穿孔工艺乃是最佳穿孔工艺图示的重要原则