樣品（試樣）取向?qū)堉茙т摾煨阅艿挠绊?/h1>
2018-03-04 12:53:06趙暉
山西冶金 2018年6期
趙 暉
（太鋼不銹鋼冷軋廠， 山西 太原 030000）
在生產(chǎn)制造過(guò)程中，冶金產(chǎn)品需要經(jīng)過(guò)軋制、拉拔等工藝加工，從而使其具備一定形狀的橫向截面。加工期間，金屬材料會(huì)沿著主變形方向流動(dòng)，拉伸后的晶粒會(huì)排成行，雜物也會(huì)沿著變形方向排列，形成金屬纖維，造成金屬材料性能的各向異性。金屬材料性能各向異性的關(guān)鍵因素還在于冷加工成型的金屬制品具備一定的殘余應(yīng)力。相關(guān)研究表明，沿著軋制方向與垂直于軋制方向的鋼材進(jìn)行取樣拉伸試驗(yàn)，得到的屈服強(qiáng)度、斷面收縮率以及抗拉強(qiáng)度均存在較大差異，其中差異最大的為斷面的收縮率。對(duì)此，鋼材拉伸性能最為關(guān)鍵的影響因素便是樣品取向。同時(shí)，不同厚度以及不同類型的鋼材進(jìn)行樣品取向試驗(yàn)，其影響程度也各不相同，甚至部分情況下可以利用非標(biāo)準(zhǔn)方向的試驗(yàn)結(jié)果代替標(biāo)準(zhǔn)方向試驗(yàn)結(jié)果。但此方面的研究力度較小，為了便于此后取樣制樣工作的順利進(jìn)行，本文分析了冷軋、熱軋不銹鋼以及碳鋼等不同類型鋼材的樣品取向、不同厚度等因素對(duì)帶鋼拉伸性能的具體影響。
1 試樣制作與試驗(yàn)方法
1.1 制備試樣
在本次試驗(yàn)中，鋼材材料主要來(lái)源日本板材，材料為SPHC熱軋帶鋼、SPCC冷軋帶鋼、SUS304冷軋不銹帶鋼以及SUS304熱軋不銹帶鋼。同時(shí)，每種材料選擇三種不同厚度規(guī)格，即試驗(yàn)共采用了十二種規(guī)格的軋制帶鋼。試驗(yàn)人員在12種帶鋼材料上分別剪取與軋制方向平行、成45°以及成90°角的樣坯，銑削加工至日本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的5號(hào)試樣尺寸，具體形狀與尺寸示意圖見圖1。
圖1 拉伸試樣尺寸與形狀示意圖
根據(jù)圖1可知，平行部分寬度W為25 mm，標(biāo)距L為50 mm，原板厚度為T，夾持端寬度 B為30 mm，肩部半徑R取值在20 ～30 mm，平行部分長(zhǎng)度為30 mm。每一方向均取樣3件，且3件試樣平均值為試驗(yàn)結(jié)果。
1.2 試驗(yàn)方法
拉伸試驗(yàn)中采用新三思CMT5205微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，此設(shè)備的最大試驗(yàn)力為200 kN，準(zhǔn)確度為0.5級(jí)[1]。在拉伸前，工作人員做好速度的設(shè)定工作，屈前統(tǒng)一設(shè)置為5 mm/min，屈后設(shè)置為20 mm/min。標(biāo)點(diǎn)機(jī)刻制標(biāo)點(diǎn)，分辨率為0.01 mm的電子數(shù)顯卡尺測(cè)量試樣尺寸及斷后的標(biāo)距。采用鋼鐵研究總院的5050型電子引伸計(jì)，其最大變形量為10mm，標(biāo)距為50 mm。之后，工作人員在遵照日本標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上測(cè)定每種帶鋼每個(gè)方向的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及斷后伸長(zhǎng)率。工作人員以0°方向的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，計(jì)算每種材料每一厚度的試樣，得到三個(gè)方向力學(xué)性能的相對(duì)偏差。
2 試驗(yàn)結(jié)果
2.1 拉伸曲線與性能
本次試驗(yàn)中使用的SPHC熱軋帶鋼、SPCC冷軋帶鋼具備明顯的屈服現(xiàn)象，試驗(yàn)機(jī)軟件自動(dòng)求取下屈服強(qiáng)度，具體見圖2所示。
圖2 板厚2.27 mm的SPHC熱軋帶鋼的力—位移曲線
但熱軋不銹鋼版與冷軋不銹帶鋼的屈服現(xiàn)象并不明顯，具體見圖3所示。
圖3 板厚0.38 mm的SUS304冷軋不銹帶鋼的力—位移曲線
之后，工作人員利用試驗(yàn)機(jī)與引伸計(jì)求取各帶鋼的延伸強(qiáng)度，并記錄數(shù)據(jù)結(jié)果。
2.2 結(jié)果討論
2.2.1 樣品取向?qū)煨阅苡绊?/p>
通過(guò)試驗(yàn)記錄結(jié)果表1與下頁(yè)表2可知，對(duì)于不同厚度、不同材料的帶鋼，樣品取樣均可以明顯影響其拉伸性能。當(dāng)樣品取向與軋制方向夾角由0°逐漸增加至90°時(shí)，帶鋼的斷后伸長(zhǎng)率會(huì)明顯降低，抗拉強(qiáng)度也會(huì)逐漸降低，材料呈現(xiàn)出脆化弱化傾向。但帶鋼屈服強(qiáng)度與上述結(jié)果不同，隨著樣品取向與軋制方向夾角的增大，其呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。
根據(jù)斷裂理論可知，金屬材料的最終斷裂由拉伸初始微裂紋與過(guò)程中的失穩(wěn)擴(kuò)展難易程度等因素決定，其也可以直接影響帶鋼的抗拉強(qiáng)度等性能。一方面是裂紋萌生，金屬基體組織與軋制帶鋼組織中分布的雜物之間界面比較薄弱，很容易受到外界因素的影響形成初始微裂紋，之后會(huì)產(chǎn)生明顯的橫向缺口效應(yīng)，加快了裂紋的擴(kuò)展。由裂紋擴(kuò)展角度分析，微裂紋會(huì)與拉應(yīng)力呈90°角方向，且一般終止于晶界，結(jié)果表明，縱向方面的微裂紋在擴(kuò)展期間會(huì)遇到更多晶界，這些障礙會(huì)產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化的效果。由此看出，相較縱向拉伸，偏橫向的拉伸更易萌生微裂紋，不但會(huì)降低帶鋼材料的斷后伸長(zhǎng)率與抗拉強(qiáng)度，且還會(huì)導(dǎo)致材料弱化脆化[2]。
由各向異性塑性理論可以有效解釋分析帶鋼屈服強(qiáng)度變化規(guī)律的特殊性，研究時(shí)可以設(shè)置參考坐標(biāo)軸，軋制方向?yàn)閄軸，帶鋼平面內(nèi)橫斷面方向?yàn)閅軸，Z軸垂直于帶鋼平面。帶鋼的任一單元體所受力來(lái)自于平面內(nèi)的應(yīng)力，但其存在一定的內(nèi)異性，遵循屈服準(zhǔn)則。
分析可知，隨著各向異性軸或第三方向，屈服強(qiáng)度的極大值與極小值會(huì)隨之發(fā)生，之后進(jìn)行一階與二階求導(dǎo)，得出在Y軸方向，屈服應(yīng)力具備極小值，在X軸方向具備極大值。通過(guò)試驗(yàn)得出了幾種帶鋼的屈服角度大小，比如SPCC及SPHC類普通低碳帶鋼樣品取向與軋制方向夾角保持在40° ～50°之間，且在本次研究中，隨著軋向夾角的增大，帶鋼的屈服強(qiáng)度出現(xiàn)先升高后降低的現(xiàn)象。
表2 不同厚度、不同取向的SUC304冷軋不銹帶鋼和SUC304熱軋不銹帶鋼的拉伸試驗(yàn)結(jié)果
2.2.2 帶鋼厚度對(duì)拉伸性能的影響
通過(guò)研究試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，取向?qū)煨阅芙Y(jié)果的影響程度也取決于帶鋼厚度因素。當(dāng)取向與狀態(tài)情況相同時(shí)，帶鋼厚度越小，力學(xué)性能相對(duì)偏差的絕對(duì)值越大，即軋制方向拉伸性能與非軋制方向的拉伸性能之間存在較大的相對(duì)偏差，且此規(guī)律適用于四種材料的帶鋼。當(dāng)帶鋼厚度大于3 mm時(shí)，軋制方向與非軋制方向的拉伸性能幾乎不存在偏差[3]。
當(dāng)帶鋼材料極薄時(shí)，可以看做拉伸板材處于平面應(yīng)力狀態(tài)，垂直于板面方向的切應(yīng)力與正應(yīng)力均忽略不計(jì)，為0。隨著帶鋼厚度的逐漸增加，其受力也開始由厚向中心位置逐漸轉(zhuǎn)變至平面應(yīng)變狀態(tài)。同時(shí)，試驗(yàn)期間還得出，隨著帶鋼厚度的減小，斷口區(qū)域面積也開始減小，直至斷口變?yōu)橥耆毕?，具體見圖4所示。
圖4 板材較薄時(shí)斜斷口情況
當(dāng)板材較厚時(shí)，平面斷口會(huì)出現(xiàn)收縮狀態(tài)，并逐漸趨于某一平衡數(shù)值。對(duì)此，受斷裂機(jī)理以及應(yīng)力狀態(tài)等因素的影響，不同厚度的帶鋼取向?qū)煨阅軙?huì)產(chǎn)生不同的影響。
2.2.3 軋制狀態(tài)對(duì)拉伸性能的影響
研究數(shù)據(jù)結(jié)果可知，對(duì)于冷軋狀態(tài)且相同材料的帶鋼，力學(xué)性能相對(duì)偏差絕對(duì)值較大。而對(duì)于熱軋狀態(tài)且相同材料的帶鋼，力學(xué)性能性對(duì)偏差絕對(duì)值較小，這表明冷軋材料的各向異性要強(qiáng)于熱軋材料。冷軋前一道工序?yàn)闊彳?，且冷軋帶鋼在?yīng)力下會(huì)出現(xiàn)更大的變形，軋制流線更為明顯，這也屬于冷軋帶鋼較熱軋帶鋼各向異性加劇的主要原因。
2.2.4 帶鋼材料對(duì)拉伸性能的影響
為了減少外界影響因素的干擾，本試驗(yàn)SPHC普通熱軋帶鋼與SPCC普通冷軋帶鋼（熱軋、冷軋按照這個(gè)順序來(lái)）采用了鐵素體與珠光體相結(jié)合的顯微組織材料，且SUS30熱軋不銹帶鋼與冷軋不銹帶鋼采用了奧氏體鋼顯微組織，具體見圖5。
圖5 奧氏體鋼顯微組織結(jié)構(gòu)圖
研究數(shù)據(jù)結(jié)果可知，在同種軋制狀態(tài)與相同取向下，相對(duì)于普通帶鋼，不銹帶鋼的力學(xué)性能相對(duì)偏差絕對(duì)值較小，這可能因?yàn)閵W氏體帶鋼在拉伸期間會(huì)產(chǎn)生馬氏體，復(fù)雜化了整個(gè)彈塑性條件。對(duì)此，帶鋼材料也可以影響其拉伸性能的取向性。
3 結(jié)語(yǔ)
首先，在軋制帶鋼拉伸性能方面，樣品取向?qū)儆谧铌P(guān)鍵的影響因素，軋制方向斷后伸長(zhǎng)率與抗拉強(qiáng)度較高，且屈服強(qiáng)度存在較為復(fù)雜的變化規(guī)律。其次，相較厚度較大的帶鋼，厚度較小帶鋼的拉伸性能結(jié)果各向異性更強(qiáng)。且相較于熱軋狀態(tài)的帶鋼，冷軋狀態(tài)帶鋼拉伸性能的各向異性更強(qiáng)。同時(shí)，相較奧氏體不銹鋼，普通軋制帶鋼拉伸性能結(jié)果的各向異性更強(qiáng)。最后，當(dāng)帶鋼厚度規(guī)格大于3 mm時(shí)，非軋制方向拉伸性能結(jié)果可以代替軋制方向，便于此后的實(shí)際取樣工作。
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圖1 拉伸試樣尺寸與形狀示意圖
根據(jù)圖1可知，平行部分寬度W為25 mm，標(biāo)距L為50 mm，原板厚度為T，夾持端寬度 B為30 mm，肩部半徑R取值在20 ～30 mm，平行部分長(zhǎng)度為30 mm。每一方向均取樣3件，且3件試樣平均值為試驗(yàn)結(jié)果。
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2 試驗(yàn)結(jié)果
2.1 拉伸曲線與性能
本次試驗(yàn)中使用的SPHC熱軋帶鋼、SPCC冷軋帶鋼具備明顯的屈服現(xiàn)象，試驗(yàn)機(jī)軟件自動(dòng)求取下屈服強(qiáng)度，具體見圖2所示。
圖2 板厚2.27 mm的SPHC熱軋帶鋼的力—位移曲線
但熱軋不銹鋼版與冷軋不銹帶鋼的屈服現(xiàn)象并不明顯，具體見圖3所示。
圖3 板厚0.38 mm的SUS304冷軋不銹帶鋼的力—位移曲線
之后，工作人員利用試驗(yàn)機(jī)與引伸計(jì)求取各帶鋼的延伸強(qiáng)度，并記錄數(shù)據(jù)結(jié)果。
2.2 結(jié)果討論
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通過(guò)試驗(yàn)記錄結(jié)果表1與下頁(yè)表2可知，對(duì)于不同厚度、不同材料的帶鋼，樣品取樣均可以明顯影響其拉伸性能。當(dāng)樣品取向與軋制方向夾角由0°逐漸增加至90°時(shí)，帶鋼的斷后伸長(zhǎng)率會(huì)明顯降低，抗拉強(qiáng)度也會(huì)逐漸降低，材料呈現(xiàn)出脆化弱化傾向。但帶鋼屈服強(qiáng)度與上述結(jié)果不同，隨著樣品取向與軋制方向夾角的增大，其呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。
根據(jù)斷裂理論可知，金屬材料的最終斷裂由拉伸初始微裂紋與過(guò)程中的失穩(wěn)擴(kuò)展難易程度等因素決定，其也可以直接影響帶鋼的抗拉強(qiáng)度等性能。一方面是裂紋萌生，金屬基體組織與軋制帶鋼組織中分布的雜物之間界面比較薄弱，很容易受到外界因素的影響形成初始微裂紋，之后會(huì)產(chǎn)生明顯的橫向缺口效應(yīng)，加快了裂紋的擴(kuò)展。由裂紋擴(kuò)展角度分析，微裂紋會(huì)與拉應(yīng)力呈90°角方向，且一般終止于晶界，結(jié)果表明，縱向方面的微裂紋在擴(kuò)展期間會(huì)遇到更多晶界，這些障礙會(huì)產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化的效果。由此看出，相較縱向拉伸，偏橫向的拉伸更易萌生微裂紋，不但會(huì)降低帶鋼材料的斷后伸長(zhǎng)率與抗拉強(qiáng)度，且還會(huì)導(dǎo)致材料弱化脆化[2]。
由各向異性塑性理論可以有效解釋分析帶鋼屈服強(qiáng)度變化規(guī)律的特殊性，研究時(shí)可以設(shè)置參考坐標(biāo)軸，軋制方向?yàn)閄軸，帶鋼平面內(nèi)橫斷面方向?yàn)閅軸，Z軸垂直于帶鋼平面。帶鋼的任一單元體所受力來(lái)自于平面內(nèi)的應(yīng)力，但其存在一定的內(nèi)異性，遵循屈服準(zhǔn)則。
分析可知，隨著各向異性軸或第三方向，屈服強(qiáng)度的極大值與極小值會(huì)隨之發(fā)生，之后進(jìn)行一階與二階求導(dǎo)，得出在Y軸方向，屈服應(yīng)力具備極小值，在X軸方向具備極大值。通過(guò)試驗(yàn)得出了幾種帶鋼的屈服角度大小，比如SPCC及SPHC類普通低碳帶鋼樣品取向與軋制方向夾角保持在40° ～50°之間，且在本次研究中，隨著軋向夾角的增大，帶鋼的屈服強(qiáng)度出現(xiàn)先升高后降低的現(xiàn)象。
表2 不同厚度、不同取向的SUC304冷軋不銹帶鋼和SUC304熱軋不銹帶鋼的拉伸試驗(yàn)結(jié)果
2.2.2 帶鋼厚度對(duì)拉伸性能的影響
通過(guò)研究試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，取向?qū)煨阅芙Y(jié)果的影響程度也取決于帶鋼厚度因素。當(dāng)取向與狀態(tài)情況相同時(shí)，帶鋼厚度越小，力學(xué)性能相對(duì)偏差的絕對(duì)值越大，即軋制方向拉伸性能與非軋制方向的拉伸性能之間存在較大的相對(duì)偏差，且此規(guī)律適用于四種材料的帶鋼。當(dāng)帶鋼厚度大于3 mm時(shí)，軋制方向與非軋制方向的拉伸性能幾乎不存在偏差[3]。
當(dāng)帶鋼材料極薄時(shí)，可以看做拉伸板材處于平面應(yīng)力狀態(tài)，垂直于板面方向的切應(yīng)力與正應(yīng)力均忽略不計(jì)，為0。隨著帶鋼厚度的逐漸增加，其受力也開始由厚向中心位置逐漸轉(zhuǎn)變至平面應(yīng)變狀態(tài)。同時(shí)，試驗(yàn)期間還得出，隨著帶鋼厚度的減小，斷口區(qū)域面積也開始減小，直至斷口變?yōu)橥耆毕?，具體見圖4所示。
圖4 板材較薄時(shí)斜斷口情況
當(dāng)板材較厚時(shí)，平面斷口會(huì)出現(xiàn)收縮狀態(tài)，并逐漸趨于某一平衡數(shù)值。對(duì)此，受斷裂機(jī)理以及應(yīng)力狀態(tài)等因素的影響，不同厚度的帶鋼取向?qū)煨阅軙?huì)產(chǎn)生不同的影響。
2.2.3 軋制狀態(tài)對(duì)拉伸性能的影響
研究數(shù)據(jù)結(jié)果可知，對(duì)于冷軋狀態(tài)且相同材料的帶鋼，力學(xué)性能相對(duì)偏差絕對(duì)值較大。而對(duì)于熱軋狀態(tài)且相同材料的帶鋼，力學(xué)性能性對(duì)偏差絕對(duì)值較小，這表明冷軋材料的各向異性要強(qiáng)于熱軋材料。冷軋前一道工序?yàn)闊彳?，且冷軋帶鋼在?yīng)力下會(huì)出現(xiàn)更大的變形，軋制流線更為明顯，這也屬于冷軋帶鋼較熱軋帶鋼各向異性加劇的主要原因。
2.2.4 帶鋼材料對(duì)拉伸性能的影響
為了減少外界影響因素的干擾，本試驗(yàn)SPHC普通熱軋帶鋼與SPCC普通冷軋帶鋼（熱軋、冷軋按照這個(gè)順序來(lái)）采用了鐵素體與珠光體相結(jié)合的顯微組織材料，且SUS30熱軋不銹帶鋼與冷軋不銹帶鋼采用了奧氏體鋼顯微組織，具體見圖5。
圖5 奧氏體鋼顯微組織結(jié)構(gòu)圖
研究數(shù)據(jù)結(jié)果可知，在同種軋制狀態(tài)與相同取向下，相對(duì)于普通帶鋼，不銹帶鋼的力學(xué)性能相對(duì)偏差絕對(duì)值較小，這可能因?yàn)閵W氏體帶鋼在拉伸期間會(huì)產(chǎn)生馬氏體，復(fù)雜化了整個(gè)彈塑性條件。對(duì)此，帶鋼材料也可以影響其拉伸性能的取向性。
3 結(jié)語(yǔ)
首先，在軋制帶鋼拉伸性能方面，樣品取向?qū)儆谧铌P(guān)鍵的影響因素，軋制方向斷后伸長(zhǎng)率與抗拉強(qiáng)度較高，且屈服強(qiáng)度存在較為復(fù)雜的變化規(guī)律。其次，相較厚度較大的帶鋼，厚度較小帶鋼的拉伸性能結(jié)果各向異性更強(qiáng)。且相較于熱軋狀態(tài)的帶鋼，冷軋狀態(tài)帶鋼拉伸性能的各向異性更強(qiáng)。同時(shí)，相較奧氏體不銹鋼，普通軋制帶鋼拉伸性能結(jié)果的各向異性更強(qiáng)。最后，當(dāng)帶鋼厚度規(guī)格大于3 mm時(shí)，非軋制方向拉伸性能結(jié)果可以代替軋制方向，便于此后的實(shí)際取樣工作。
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