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1、 控轧控冷与热模拟参考文献： 牛济泰，材料和热加工领域的物理模拟技术 小指军夫，控制轧制和控制冷却-改善材质的轧制技术发展 衣海龙 轧制技术及连轧自动化国家重点实验室(东北大学) RALNEU（一）物理模拟的基本概念及其研究意义（二）模拟技术及试验装置的发展概况（三）热模拟试验在冶金材料研究的应用（四）Gleeble物理模拟技术在钢铁材料领域的运用 （五）热模拟工艺举例 第一部分：热模拟试验及其应用2/46RALNEU（一）物理模拟的基本概念及其研究意义3/46物理模拟的基本概念（1）物理模拟（Physical Simulation) 是一个内涵十分丰富的广义概念，也是一种重要的科学方法和工程
2、手段。通常，物理模拟是指缩小或放大比例，或简化条件，或代用材料，用试验模型来代替原型的研究。例如，宇航员的太空环境模拟试验舱。（2）对材料和热加工工艺来说，物理模拟通常指利用小试件，借助于某种试验装置再现材料在制备或热加工过程中的受热，或同时受热与受力的物理过程，充分而精确地暴露与揭示材料或构件在热加工过程中的组织与性能变化规律，评定或预测材料在制备或热加工时出现的问题，为制定合理的加工工艺以及研制新材料提供理论指导和技术依据。物理模拟试验分为两种，一种是在模拟过程中进行的试验，另一种为模拟完成后进行的试验。RALNEU4/46物理模拟的研究意义 以往在材料科学研究或工程结构及其零部件的生产中
3、，为了评价工艺方案对材料性能或产品质量的影响，多采用实验的方法，这种单凭重复实验的“经验”性方法不仅消耗大量时间与财力，而且得到的结果往往只是某一具体产品在特点情况下的工艺与性能的关系，不可能获得工艺过程中变化的全面规律，更不可能探索更普遍的问题，从而延滞新材料、新技术与新产品的开发和应用。 物理模拟技术不仅能预测某特定工艺下的结果，而且能显示工艺过程的变化规律，数据更为科学和可靠，大大减少试制周期及费用。RALNEU5/46（二）模拟技术及试验装置的发展概况6/46（1）1946年，美国纽约州的伦塞勒工学院的Nippes教授和Savage博士根据第二次世界大战中美国制造舰艇的需要，为了研究熔
4、焊规范对舰船用钢板热影响区缺口韧性的影响，将闪光电阻焊机的电气控制线路进行改装，利用电阻加热法，成功实现了焊接热循环，这是世界上第一台利用电阻加热的高温延性装置，以后演变并命名为“Gleeble”。（2）1958年，Gleeble1500型热模拟试验机，既可以模拟热循环，又可以模拟应力与应变循环，应用的范围也有焊接领域发展到锻造、轧制、铸造、热处理、挤压、凝固及相变过程的模拟研究。（3）1979年以后，随着计算机控制技术的应用以及测量系统的完善和机械装置的改进，不同功能的Gleeble热/力模拟试验装置不断研制开发，模拟精度和模拟技术的应用水平不断提高。模拟技术及试验装置的发展概况RALNEU
5、7/46热力模拟试验机是一种特殊的材料试验机-（可以进行多功能的模拟试验、区别一般的拉伸试验机、冲击试验机）模拟技术及试验装置的发展概况 Gleeble 1500 热模拟机（美国热模拟机（美国DSI公司）公司）1979年研制年研制RALNEU8/46 Gleeble 2000 热模拟机热模拟机 1990年研制年研制9/46模拟技术及试验装置的发展概况RALNEU Gleeble 3500 热模拟机热模拟机10/46模拟技术及试验装置的发展概况RALNEU Gleeble 3800 热模拟机热模拟机热力模拟试验机的主要功能是再现材料在制备或热加工过程中的受热或同时受热及受力的物理过程。11/46
6、模拟技术及试验装置的发展概况RALNEU（4）前苏联从50年代开展了热模拟技术及试验装置的研究工作。50年代中期，前苏联研制了HMET-1型热模拟试验机，利用试样自身电阻加热，利用该设备建立了一些钢材与合金的CCT曲线；HMET-2型热模拟试验机，用于研究金属在焊接结晶过程中的变形抗力和热裂纹敏感性设备；HMET-4型热模拟试验机，用于研究延迟破坏的冷裂纹敏感定量比较的恒载装置；HMET-6型热模拟试验机，用于研究小型试样的快速膨胀过程。（5）与美国、前苏联不同，日本研制的热模拟试验装置是以高频感应加热方式进行，即在试样周围套感应圈，利用试样中产生的感应电流的热效应加热，其比较典型代表是The
7、rmomastor-Z型高温变形模拟力学试验机以及Themorestor-W焊接热应力应变模拟装置。 模拟技术及试验装置的发展概况12/46RALNEU模拟技术及试验装置的发展概况RALNEU13/46（三）热模拟试验在冶金材料中的应用14/46（1）钢铁材料的热模拟是利用小试样，借助热模拟试验机，在现钢铁材料在制备或热加工过程中的受热或受力的物理过程；（2）热模拟实验可以揭示钢铁材料组织与性能变化规律，评定或预测材料在制备或热加工时出现的问题，为制定合理的加工工艺以及研制新材料提供基础数据和技术方案；热模拟试验的研究方法15/46RALNEU（1）什么是物理模拟：热模拟试验中的物理模拟过程1
8、. 1. 借助于模拟装置借助于模拟装置2. 2. 利用缩小的试样利用缩小的试样3. 3. 再现受热受力过程再现受热受力过程4. 4. 揭示组织与性能变化规律揭示组织与性能变化规律5. 5. 优化工艺、保证质量优化工艺、保证质量16/46RALNEU（2）物理模拟的应用领域 材料基础研究 材料性能实验 材料加工过程模拟热模拟试验的应用领域熔化、凝固固态相变、临界点、等温转变、连续冷却转变沉淀相粒子析出、粗化、回熔加工硬化、软化形变组织的动静态回复、再结晶材料热塑性、超塑性组织细化、超细晶和纳米晶块材裂纹敏感性热膨胀和热收缩行为17/46RALNEU（2）物理模拟的应用领域 材料基础研究 材料性能
9、实验 材料加工过程模拟热拉伸性能、高温强度、热塑性、超塑性单轴热压缩性能、流变应力曲线平面应变热压缩性能热机械疲劳高温蠕变、应力松弛平面应变断裂韧性、CTOD焊接性、裂纹敏感性、淬硬脆断倾向.18/46热模拟试验的应用领域RALNEU（2）物理模拟的应用领域 材料基础研究 材料性能实验 材料加工过程模拟锻造、连铸半固态加工TMCP（轧制、锻造、拉拔.）热机械疲劳焊接：电弧焊和高能束焊焊接热循环过程、热裂纹敏感性评价、冷裂纹敏感性评价、淬硬脆断倾向评价、焊接工工优化 扩散连接热处理过程(淬火、正火、退火、回火、临界热处理、循环热处理.)板带退火粉末冶金/ 固相烧结、液相烧结、热 压成型、高压成型
10、. .19/46热模拟试验的应用领域RALNEU（四）Gleeble物理模拟技术在钢铁材料领域的运用 20/46 应用的主要工艺过程（1）连铸过程模拟（2）TMCP过程模拟（3）热成形过程（4）焊接过程模拟（5）CCT/SHCCT图建立21/46RALNEU（1）连铸过程模拟1钢水包；2中间包；3结晶器；4夹送辊；5液相线；6铸坯；7拉矫机；8切割装置12345678将装有精炼好钢水的钢包运至回转台，回转台转动到浇注位置后，将钢水注入中间包，中间包再由水口将钢水分配到各个结晶器中去。结晶器是连铸机的核心设备之一，它使铸件成形并迅速凝固结晶。拉矫机与结晶振动装置共同作用，将结晶器内的铸件拉出，经
11、冷却、电磁搅拌后，切割成一定长度的板坯。 22/46RALNEU 连铸过程模拟（1）连铸过程模拟铸坯拉矫过程模拟23/46RALNEU 连铸过程模拟（1）连铸过程模拟铸坯热塑性试验连铸坯生产过程中, 钢液由结晶器冷却结成坯壳, 由二冷段继续冷却而凝固。在这一过程中, 已凝固的铸坯壳受到了钢水静压力、弯曲力、矫直力、拉坯力及各种因素的作用, 使连铸坯的质量受到影响。只有当这些应力引起的变形小于各钢种在高温状态的塑性极限时, 才能保证铸坯凝固时的质量, 防止铸坯表面和内部产生裂纹。24/46RALNEU 连铸过程模拟（2）TMCP过程模拟控轧控冷工艺参数：加热温度、道次变形量、待温厚度（或中间坯厚
12、度）、再轧开始温度（或精轧开始温度）、终轧温度、开冷温度、终冷温度（或卷取温度）等25/46RALNEU 控轧控冷工艺（2）TMCP过程模拟单轴压缩均匀变形组织单轴压缩均匀变形的实现26/46RALNEU 控轧控冷工艺（2）TMCP过程模拟单轴压缩多道次变形的实现-液压楔系统27/46RALNEU 控轧控冷工艺（2）TMCP过程模拟单轴压缩多道次变形的实现-常规单元系统28/46RALNEU 控轧控冷工艺（2）TMCP过程模拟多道次变形模拟的流变应力曲线29/46RALNEU 控轧控冷工艺（2）TMCP过程模拟TMCP加速冷却的实现冷却系统包括一般冷却系统和淬火冷却系统，可实现不同加速冷却条件
13、下的模拟30/46RALNEU 控轧控冷工艺（2）TMCP过程模拟TMCP后的力学性能测试31/46RALNEU 控轧控冷工艺（3）热成形过程(A)热塑性试验(B)温度梯度对热塑性的影响(C)温度梯度对断面收缩率的影响ABC32/46RALNEU 热成形工艺（3）热成形过程温度梯度对高温强度的影响33/46RALNEU 热成形工艺（3）热成形过程裂缝尖端张开（CTOD或CMOD）试验裂缝尖端张开位移CTOD-crack tip opening displacement裂缝嘴张开位移CMOD-crack mouth opening displacement裂纹张开位移做为控制裂纹扩展的参数，其临
14、界值可作为金属材料断裂参数指标34/46RALNEU 热成形工艺（4）焊接过程模拟1. 电弧焊焊接热循环过程模拟2. 激光焊焊接热循环过程模拟3. 热裂纹敏感性评价4. 冷裂纹敏感性评价5. 脆断倾向评价、焊接工艺优化35/46RALNEU 焊接工艺（4）焊接过程模拟 1. 电弧焊焊接热循环过程模拟36/46RALNEU 热成形工艺（4）焊接过程模拟 2. 激光焊焊接热循环过程模拟37/46RALNEU 热成形工艺（4）焊接过程模拟3. 热裂纹敏感性评价38/46RALNEU 热成形工艺（5）CCT/SHCCT图建立39/46RALNEU 模拟工艺过程举例（1）单道次压缩实验-单道次应力-应变
15、曲线试样尺寸为8mm8mm15mm15mm。将试样以10/s的速度加热到1200，保温5min，然后以5/s的速度冷却到变形温度，保温20s以消除试样内部的温度梯度，然后进行单道次压缩变形，卸载后立即淬火冷却，并记录其应力-应变曲线。变形温度为1100、1050、1000、950、900、850，变形量为0.6，应变速率分别为0.5 s-1、1s-1、5 s-1、10s-1针对某种试验目的，如何进行试验设计，选择试验类型，并完成相应的试验参数的输入，是试验开始前必须完成的工作，也是整个试验过程中最重要的一环。你可以根据自己的试验目的，选择不同的试验类别，进行相应的试验设计，选择所需要的试验输入
16、参数。从试验设计角度来说，单道次压缩试验所能完成的试验功能为：在热处理的同时，对试样进行一定的压缩变形。40/46RALNEU 模拟工艺过程举例（1）单道次压缩实验-单道次应力-应变曲线41/46RALNEU 模拟工艺过程举例（2）CCT曲线测定动态CCT采用压缩试样，压缩卡具。选择镍铬-镍铝热电偶。动态CCT实验采用单道次压缩或多道次压缩实验界面完成试验。实验取一组多个试样。实验前，先输入试样类型（圆形）、尺寸、变形前加热制度、变形过程所需参数。随后按照所输入的参数进行变形前加热（一般在一定温度保温一段时间，使试样奥氏体均匀，然后降到某一温度）。加热完毕后，按照之前所选择的变形类型进行变形。
17、变形完成后，以一定的冷速进行冷却，同时，利用高灵敏径向传感器（C-Strain传感器）测量试样直径的变化。具体参数输入情况请参照单向压缩实验。 绘制整个试验过程的试样直径变化量-温度曲线；用切线法找到相变开始点、中间和结束点，记下这些点的温度-时间坐标。依次按照不同冷速对各个试样进行实验，直到一组试样做完。最后根据此组实验结果的相变点温度-时间坐标绘制CCT图。本文以“超细晶耐候钢控轧控冷工艺的研究 ”实验为背景，来研究测定动态CCT曲线。42/46RALNEU 模拟工艺过程举例（2）CCT曲线测定试样以10/s的速度加热到1150，保温5min后以10/s的冷却速度冷却到850、950，保温
18、20s后进行变形量0.4单道次变形，变形速率为1s-1，然后分别以0.5/s、1/s、2/s、5/s、10/s、15/s、20/s、30/s的冷却速度冷却到室温，记录冷却过程中的热膨胀曲线，进行动态CCT曲线测定。43/46RALNEU 模拟工艺过程举例（2）CCT曲线测定44/46RALNEU 模拟工艺过程举例（3）拉伸试验27CrMo27S钢高温塑性的研究及拉凹缺陷分析将试样以12/s升温至1300，保温2min，然后以12/s降至拉伸温度(7501300)，保温30s，以应变速率2.5S-1，拉伸至断后空冷。冷却后测量断口直径，并记录实验最大载荷。绘成的不同温度下试样断面收缩率和抗拉强度
19、随温度的变化曲线如图所示。 拉伸试验是研究金属变形抗力的试验方法之一。试验时，在拉伸变形体积内的应力状态为单向拉伸，并均匀分布。由于在选择拉伸试样时，很难保证其内部组织均匀，其内部各晶粒，甚至一个晶粒内部的各支点的变形和应力也不可能完全均匀。但从拉伸变形的总体看，是能够保证得到比较均匀的拉伸变形的，其不均匀变形程度要比压缩试验小得多。用拉伸法不足之处在于其所得到的均匀变形程度一般不超过20%30%。45/46RALNEU 模拟工艺过程举例（2）拉伸试验不同温度下试样断面收缩率和抗拉强度随温度的变化曲线温度/断面收缩率Z/抗拉强度Rm/MPa75077.0259.580081.5225.9850
20、77.9212.890081.5180.795080.6162.0100082.4140.1105091.6110.6110089.793.3115087.071.4120090.465.8125081.564.3130079.853.9塑性在温度大于塑性在温度大于1200时，随着温度的升高，试样的断面收缩率迅速下降；在时，随着温度的升高，试样的断面收缩率迅速下降；在1200l050的温度范围内，的温度范围内，断面收缩率变化比较平稳；当温度降到断面收缩率变化比较平稳；当温度降到1000时，时，Z值开始迅速降低；此后，在值开始迅速降低；此后，在1000800的温度范围内的温度范围内随着温度的降低，随着温度的降低，Z值下降缓慢。当温度在值下降缓慢。当温度在800以下时，以下时，Z值又迅速降低。在值又迅速降低。在7501300高温区间，高温区间，10501200温度之间塑性最好。温度之间塑性最好。46/46RALNEU 模拟工艺过程举例
