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
4W30 20 0°方向 45°方向 Hy 20 /0 10 90°方向 135°方向 45 5 图4沿横截面上不同方向的硬度增量的分布 P 0=0 0.45 0=9为° 日为螺丝轴线与轧辊作用合力方向之夹角 图7错齿压折现象的形成过程 根据我们对裂断过程的实验观察及上述研究结果「一1】，对中心金属变形一裂断的机理 作如下分析讨论。 1,塑性变形和裂断的相互关系 金属中心在周期变号的拉一压一切应力作用下，将出现原子间拉开和沿一定方向滑动两 种趋势。这两个趋势的不可逆发展过程就是切应力引起的塑性变形过程和裂口的发生发展的 裂断过程。实验证明：当进入压缩区后，中心金属即已开始塑性变形，裂断过程亦开始形 55
。 场 乡口 日 口 闪 」 」门 一 ， 卜才 、 阿 口 口 ‘ 御 口 。 方 向 日、 口 口 ， 冈 呀 」 一 ，呱、 、 ， 四 一 口 口 。 方 向 盛 丫 叮 口口 口’ 」 、 卜 ‘ 匕 口 ，卜厂 口 口 口 曰 口 ， 二， 阿 日 、 州日 比 口 口 口 “ 方 向 口 。 方 向 图 呀普横 截 面 上 不 同方 向的硬度 增量 的分 布 娜歹 二 ， 为螺 丝 轴 线与乳辊作 用合 力 方 向之 夹角 图 错齿 压折 现 象 的形成过 程 根 据 我们对 裂断 过程 的实验 观 察及 上述 研究结果 一 ’ ， 对 中心 金属变 形一裂断 的机理 作如 下 分 析讨 论 。 塑性变 形 和裂 断 的相 互关 系 金属 中心 在 周 期 变 号 的拉一 压一切 应 力作 用下 ， 将 出现原子 间拉 开 和 沿一 定方 向滑 动 两 种趋 势 。 这 两 个趋 势 的不 可 逆发展 过 程就 是切 应 力 引起 的塑 性变形过程 和 裂 口 的发生发展 的 裂断过程 。 实验证 明 当进 入压 缩 区后 ， 中心 金属 即 已开 始塑 性变形 ， 裂 断 过程 亦 开 始形
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谁备情况的不同。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，我们在中76穿孔机和 中35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)不变的情况下，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20A、30 CrMnSiA、1Cr18Ni9Ti及17-7(Cr-Mn-N)耐酸钢。 p 4 Q d 图8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、王殿厚、宋采令、陈劲、王 使华等同志。 68
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
1.金属填充变形区顶杆压力示波曲线及表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8）。轧 辊压力沿1,2,3,4，顶杆压力沿a,b,c,d渐次上升到稳定值。 t。为金属从咬入到遇到顶头的时间。Q,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23、bc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，Q。、T。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Q。、T。c、T。a值，得出图9。 30 CrMn SiA 1 Cr18 Ni g Ti i7 12 8 (》 C 7 5 5 0.4 04 02 2 03 2 6789 680246 455.557.5555 顶前压下量u% 顶前压下量：% 顶前店下量u% 图9 顶前压下量对示波曲线特征点位置的影响 30CrMn5Ai50°±5℃ fCr18Ni9T:1t7o"±e'c 1r50"±20"C ( 'so 70 50 顶新任力《宽机功半千 7 17 6 4 65 55 789 55525859.551.5 8911 附前下承u% 顶前下量u% 顶前压下屏u% 图10顶前压下量与穿孔力能指标的关系 59
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
