超低碳钢低温变形变形抗力模型研究资料.docx
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超低碳钢低温变形变形抗力模型研究资料
本科毕业论文
题目:
超低碳钢低温变形变形抗力模型研究
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材料与冶金学院材料成型及控制工程2008年6月6日
摘要
正确确定不同变形条件下的金属变形抗力,是制定合理轧制规程的必要条件。
超低碳钢低温变形时,在奥氏体和铁素体两相区随着温度的减低变形抗力没有增加反而下降,因而利用铁素体轧制可以解决高温氧化无法生产超薄规格钢材的问题,同时可以显著节约能源和降低生产成本,也可以生产出深冲性能r值较大的产品,替代部分冷轧冲压板产品。
影响变形抗力的因素很多,其中以变形温度、变形速度和变形程度最为显著。
本文首先在THERMECMASTOR-Z热模拟试验机上进行了不同变形工艺单道次实验,根据实验数据分析了变形温度、变形速度和变形程度对变形抗力的影响。
目前的低温变形变形抗力模型大多是由实验数据回归得到数学模型,本文用BP网络神经算法给出了超低碳钢在800℃~875℃范围内变形抗力的预测模型。
通过对实验数据的预测值和实际值的比较,误差可以控制在4.0%以内,对模型进行回归误差分析,该BP神经网络模型具有良好的曲线拟合特性,说明模型预测精度较高,可以用来预测超低碳钢低温变形时的变形抗力。
本文的创新之处在于首次给出了超低碳钢铁素体区低温变形时变形抗力的BP神经网络预报模型,而且精度较高。
关键词:
超低碳钢;铁素体轧制;变形抗力;BP神经网络;数学模型
Abstract
Itisnecessarytocorrectlydetermineddeformationresistanceofthemetalundertheconditionsofdifferentdeformationforreasonablycarryingouttherollingschedule.WhenUltra-lowcarbonsteeldeformedatlowtemperature,thedeformationresistancedecreaseswiththereducingoftemperatureinthetwo-phaseregionofausteniteandferrite.thereforeferriterollingforextrathinhotrollingstripcanavoidhightemperatureoxidation,itisalsocansaveenergyanddecreaseproductioncost.thestripswithbetterdrawingpropertiescanbeproduceswithferriterolling.
Theinfluenceoftemperature,strainandstrainrateondeformationresistanceisthemostimportantamonganumberoffactorswhichcanaffectdeformationresistance.SinglepasstestswereconductedonaTHERMECMASTEOR_Zsimulationmachine.Theinfluenceoftemperature,strainandstrainrateondeformationresistancewereanalyzedbythedatefromtheteses.Thepresentmodelofdeformationresistanceatlow-temperatureisMathematicalmodelbydateregressionmostly.Inthispaper,thedeformationresistancepredictionmodelofultra-lowcarbonsteelisgivenbyBPneuralnetinthetemperaturerangebetween800and875℃.
Acomparedstudyofthepredictivevalueandtheactualvaluepointsoutthepredictionerrorofthemodelislessthan4.0%.Calculateddeformationresistancesareingoodagreementwithexperimentalresults,showingthatthemodelcanpredictdeformationresistanceofUltra-lowcarbonsteelatlow-temperature.
Theinnovationinthispaperisthatthedeformationresistancepredictionmodelofultra-lowcarbonsteelisgivenfirstlybyBPneuralnetatlowtemperature,andthemodelwithhighprecisiongot.
Keywords:
Ultra-lowcarbonsteel;Ferriterolling;Deformationresistance;BPneuralnet;Mathematicalmodel
1文献综述..............................................................1
1.1前言.............................................................1
1.2铁素体轧制.......................................................1
1.2.1铁素体轧制的定义...........................................1
1.2.2铁素体轧制工艺的发展.......................................2
1.2.3铁素体轧制适用条件.........................................2
1.2.4铁素体轧制产品组织和性能...................................3
1.2.5铁素体轧制的优势...........................................6
1.3铁素体轧制工艺的变形抗力.........................................7
1.3.1两相区变形抗力.............................................7
1.3.2变形抗力的影响因素.........................................8
1.3.3铁素体轧制工艺变形抗力的数学模型..........................11
1.4本课题开源和研究内容............................................15
2实验目的和实验方法...................................................15
2.1实验目的........................................................15
2.2实验材料........................................................16
2.3实验方案........................................................16
2.3.1实验设备简介..............................................16
2.3.2实验方案..................................................17
3实验结果及分析.......................................................19
3.1变形温度对变形抗力的影响........................................19
3.2变形速率对变形抗力的影响........................................20
3.3变形程度对变形抗力的影响........................................23
4变形抗力模型的建立...................................................23
4.1BP神经网络简介.................................................23
4.1.1BP神经元模型..............................................23
4.1.2BP神经网络结构............................................24
4.1.3BP神经网络设计............................................25
4.2变形抗力模型建立................................................26
4.2.1网络结构设计..............................................26
4.2.2网络的MATLAB设计.........................................26
4.3结果分析........................................................27
4.3.1模型误差分析..............................................27
4.3.2实测值与回归模型计算值比较................................28
5结论.................................................................30
参考文献................................................................31致谢..................................................错误!
未定义书签。
1文献综述
1.1前言
变形抗力是指金属抵抗形状变化和残余变形的能力。
为了使金属产生塑性变形必须施加外力,在此外力的作用下,金属中产生的主应力之差要大于变形抗力之值。
轧制过程中,制定合理的轧制规程是获得高质量的产品的关键,而正确确定不同变形条件下的金属变形抗力,则是制定合理轧制规程的必要条件[1]。
按照变形抗力随变形温度变化的一般规律,变形温度降低,各种金属和合金的所有强度指标均增加,因而变形抗力增加,从而导致轧制力的增加,增加了设备的负担和生产的难度。
但是,超低碳钢低温变形时,当变形进入两相区时,由于致密度大的面心立方结构的奥氏体和致密度小的体心立方结构的铁素体之间的相变,奥氏体和铁素体晶格的变化,以及两相区温度较低,奥氏体很难发生动态再结晶,而铁素体本身的位错能较高,在变形过程中容易发生动态恢复,导致变形抗力反而下降[2]。
利用此特点正好解决热轧时由于高温氧化无法生产超薄规格的钢材的问题,也可以直接用低温轧制生产出深冲性能r值较大的产品,代替部分冷轧冲压板,降低生产成本。
而变形抗力主要与变形材质、变形温度、变形速度和变形程度等有关。
金属变形抗力的研究,不仅仅是直接测得变形抗力,而是通过实测力和试件变形的相互关系,推算得到应力--应变之间的关系。
综合分析这些因素后制定出合理的变形抗力数学模型,提高变形抗力预报精度,这也是铁素体轧制生产过程的重要保证。
1.2铁素体轧制
1.2.1铁素体轧制的定义
铁素体轧制是指轧件进入精轧机前,完成γ-α的相变,使精轧过程完全在铁素体范围内进行。
粗轧仍在全奥氏体状态下完成,通过精轧机和粗轧机之间的快速冷却系统,使带钢温度在进入精轧机前降低到Ar3以下[3]。
与传统的奥氏体轧制工艺不同,铁素体轧
制工艺将变形过程分成两个阶段:
第一阶段在奥氏体区完成,第二阶段在铁素体区完成,如图1.1所示。
图1.1传统轧制工艺与铁素体轧制工艺的比较
1.2.2铁素体轧制工艺的发展
公认的首先进行铁素体区轧制研究的是比利时的Appell教授,他于20世纪70年代中期研究了几种碳钢在铁素体温区控轧的可行性。
同期,日本的Hayashi等人在日本住友金属公司进行了用铁素体区低温加工工艺生产深冲钢板的实验。
随后许多国家的研究人员先后进行了与铁素体低温变形有关的研究,大量的研究集中在20世纪90年代,比较著名的研究小组又加拿大McGill大学的J.J.JONAS教授的课题组、德国杜赛尔多夫Max-Planck钢铁研究院的RadlkoKADPAR教授的研究小组、比利时冶金研究中心的V.LEROY教授等。
90年代初比利时的Cockerillsambre首先将铁索体轧制工艺用于工业化生产,1994年采用铁素体轧制工艺生产的热轧带钢已达每年60万吨;美国LTV钢公司于1993年开始了铁素体区热轧的工业试验并取得了工业化生产的成功经验;意大利Arvedi钢公司的ISP薄板坯连铸连轧机组采用铁素体轧制工艺生产的超薄规格热轧板卷具有与传统冷轧退火产品相当的组织和性能;宝钢2050mm热连轧机采用了铁素体轧制工艺,主要用于生产IF钢;近年来建成的第二代的薄板坯连铸连扎生产线大部分都采用或预留了铁素体轧制工艺,如德国的TKS和EKO、埃及EHI的FTSR机组以及我国唐钢FTSR机组,马钢和涟钢的CSP机组等企业也都已具备采用铁素体轧制工艺进行工业化生产的能力。
1.2.3铁素体轧制适用条件
铁素体轧制工艺要求轧制温度控制一般在铁碳平衡相图的GP线以下,而对于不同的材料,变形阻力随温度降低而变化的规律是不同的,如图1.2所示。
图1.2不同钢种屈服强度随温度变化的比较
由图1.2可以看出,只有碳含量小于0.04%的钢种,在850~900℃的温度范围内,屈服应力才会随温度的降低而降低,而对于碳含量高于0.04%的钢种则会随温度的降低而升高,导致轧制压力升高,变形困难,无法确保轧制过程的稳定进行[4]。
同时,由于超低碳钢相变温度较高,实验测得冷却时的静态Ar3为880℃,Ar1为865℃,生产中容易实
现铁素体区轧制,所以铁素体轧制(又称温轧工艺随着对超低碳钢的研究而得以发展。
根据铁碳相图,723℃时纯铁素体区域的碳含量小于0.02%,通常可将碳的含量放宽到0.035%,此时铁素体的比例至少有97.5%,奥氏体占2.5%,实际操作中碳含量控制在0.04%以下。
同时,根据研究表明,低碳钢(C:
0.O1%~0.05%的平均变形抗力,在奥氏体温度范围内(920℃~1010℃和铁素体温度范围(850℃~750℃的轧制变形抗力几乎相等[5]。
1.2.4铁素体轧制产品组织和性能
采取铁素体轧制工艺可获得晶粒较大的铁素体组织,具有较低的屈服极限和强度极限、略低的r值。
日本住友金属认为与采取常规的奥氏体轧制工艺的产品相比,采用铁素体轧制工艺生产的产品的屈服极限下降20%~25%、强度极限下降10%~15%、伸长率基本相当[6]。
LTV钢铁公司是北美最大的超低碳钢生产企业,根据LTV的经验:
伸长率下降1%~2%,横向的r值略有下降,但45°方向的值略有提高,其他性能指标大致相当[7]。
图1.3给出了拉伸强度和屈服强度与变形温度的关系。
图1.4给出了伸长与终轧温度的关系。
图1.3屈服强度-抗拉强度与温度的关系
图1.4均匀伸长,总伸长与终轧温度的关系
文献[5]对铁素体轧制产品进行了质量分析:
(1)尺寸精度和板形
由于轧制工艺参数设定合理,板坯加热温度均匀,轧制过程中冷却均匀,设备运行稳定,厚控模型精度高,成品的尺寸精度控制整体很好,厚度精度控制在士100μm以内(含头尾,宽度精度控制在+lO~+30mm以内。
(2)显微组织分析
北京科技大学对铁素体轧制3.0mm板卷进行了组织分析,方法为:
截取板卷轧面、横向、纵向试样,利用光学显微镜观察了常温下该板卷的显微组织,并拍摄了显微组织照片(如图1.5所示。
图1.5铁零体轧制板卷的显微组织
由图1.5可知,铁素体晶粒基本呈不规则的多边形状,总体来看晶粒较为粗大,平均晶粒尺寸达到30μm左右。
由于该工艺的终轧温度保持在750℃~820℃之间且卷取温度在650℃以上,因此钢板可以发生全部再结晶,而较低的碳含量则可保证将残余奥氏体的含量降低到最少。
(3)力学性能实验
在不同的铁素体轧制板卷上截取5块纵向试样,通过拉伸实验测定了钢板的屈服强度、抗拉强度和延伸率等力学性能指标,实验数据见表1.1。
表1.1铁素体轧制板卷的力学性能
由表1.1可知,实验测得的纵向的屈服强度和抗拉强度较低,平均值分别为230MPa和318MPa,延伸率较高,平均值为38%。
与常规奥氏体轧制工艺生产的成分范围相同的低碳钢(SPHC、SPHD产品进行比较,铁素体轧制产品的屈服极限平均下降21%抗拉强度平均下降14.7%,延伸率相当。
(4)应变硬化指数n值
应变硬化指数n表示真实塑性应变随着真实应力成比例增加的能力,在实际工程应用中,n值反映金属材料延展变形的能力,是判断材料深冲压性能的一个重要参数。
按国标GB5028—85制取横向和纵向试样测定板卷的n值。
将实验数据进行处理,经过拟合分析得到铁索体轧制工艺生产的3mm板卷的n值横向为O.22,纵向为0.25
。
该实验数据说
明板卷横向和纵向的n值均较高,由此可见板卷具有较好的冷加工性能。
(5)冲击韧性实验
为了解铁素体轧制板卷的低温韧性,对3.0mm厚板卷进行了室温至-8O℃的系列温度冲击实验。
根据国标金属夏比(V型缺口冲击试验方法GB/T229—1994,沿垂直于轧制方向(横向制取了小尺寸非标准试样,试样尺寸为3mm*10mm*55mm,其V型缺口深度2mm。
表1.2铁素体轧制板卷的冲击功韧性值
实验测得试样在不同温度下的冲击功Akv值,并据此计算了相应的冲击韧性值akv见表
1.2。
由表.2中数据可知,当温度高于0℃时,板卷的AKV值较高,说明此时板卷具有较好
的韧性;但当温度低于0℃,板卷AKV值明显降低,这说明低温下板卷的韧性较差。
(6)冷弯性能实验
为测定铁素体轧制3.0mm板卷的冷弯性能,对板卷进行了常温下的弯曲实验。
在板卷的横向和纵向分别截取35mm*200mm试样,在CMT4105微机电子万能材料试验机上进行实验,试样弯曲后的形貌如图1.6所示。
实验结果表明:
d=0时,试样完好且未见裂纹,由此可见该铁素体轧制板卷的冷弯性良好。
图1.6铁素体轧制3mm钢板冷弯后形貌
1.2.5铁素体轧制的优势
由文献[4]和文献[5]可以看出,与传统的热轧轧制工艺相比较,铁素体低温轧制工艺
又诸多优势:
(1)钢坯加热温度低,可较大幅度降低加热能耗,提高加热炉的产量;
(2)低的加热温度可以降低氧化烧损,提高成材率;低的加热温度可减少轧辊温升,减少由热应力引起的疲劳龟裂和断裂,降低轧辊磨损;低温轧制可降低二次氧化铁皮量的20%~37%,提高热轧产品的表面质量,同时也可提高酸洗线的运行速度;
(3)铁素体区轧制可生产出晶粒较大,屈服强度,硬度均降低的带材,使冷轧变形率大大提高,平均可达87.5%,并且对铁素体区轧制钢卷进行冷轧时生产率可提高20%;
(4)低碳钢不需要添加Ti,Nb等合金元素,能直接生产热轧深冲钢板,可实现热轧产品替代部分冷轧产品,降低成本;并可扩大冷轧产品范围,生产极薄及宽度大的冷轧板。
1.3铁素体轧制工艺的变形抗力
1.3.1两相区变形抗力
钢的变形抗力主要由钢在热变形过程中的加工硬化过程和动态恢复、再结晶软化过程所支配。
从金属学原理可知,两相区热轧变形时的变形抗力还要受相变过程和α与γ相同时存在的影响。
由于α相的变形抗力小于γ相的变形抗力,因而变形主要集中在α相上。
只有当α晶内的位错大量形成,并在晶界受阻,堆积后,使晶界处的应力集中达到足以开动相邻晶粒中的位错运动时,才会使晶粒发生变形。
因此α相的存在和优先变形是两相区变形抗力下降的原因。
但是,由于σα的应变速率敏感性指数比σγ大得多,所以随着έ的增加σα值开始大于σγ,表明在较高的έ下两相区变形时没有变形抗力最小值出现。
而且两相区温度较低,奥氏体很难发生动态再结晶,而铁素体本身的位错能较高,在变形过程中容易发生动态恢复。
从而限制了高密度位错的形成,因此,在两相区变形时铁素体主要发生动态恢复,这也是造成两相区变形抗力下降的原因[2]。
图1.7碳含量为O.Ol%O.05%的低碳钢不同变形温度的变形抗力
根据文献[7]中的报道,铁素体轧制750℃~850℃的变形抗力与常规轧制920℃~1010℃的变形抗力基本相当。
根据实际真应变及变形速率,计算出低碳钢不同变形温度下的变形抗力,图1.7为碳含量为0.Ol%~0.05%的低碳钢(Mn:
0.20%,Si:
0.03%在真应变为0.4、变形速率为50s-1条件下不同变形温度的变形抗力
1.3.2变形抗力的影响因素
变形抗力与变形材质、变形温度、变形程度及变形速度等有关。
材质硬、温度低、变形速度高、变形程度大,都将使材料的变形抗力增加。
金属塑性变形抗力的大小,决定于金属的化学成分、金属的组织、加工温度、再结晶、动力恢复等。
其中以化学成分,变形温度、变形程度和变形速度的影响最大。
可用下述关系表达:
σ=f(x%,t,έ,ε,τ)
式中,x%为金属的化学成分和组织,质量分数,w%;t为变形温度,K;έ为变形速度,s-1;ε为变形程度;τ为相邻加工道次时间间隔,s。
但实际上,由于上述方程迄今没有研究出理论成果,各因素对变形抗力的影响所采用的大多是依赖于各种方法的实验研究。
在获得各种因素对变形抗力影响的实验数据的基础上,寻求其影响变形抗力的一般规律。
并采用其相应的系数的考虑方法,回归得到其影响系数的值。
各种实验方法所得的变形抗力,可用下式来确定:
σ=KtKέKεKτσ0
式中,Kt为变形温度对变形抗力的影
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