钢的金属加热温度及热应力的研究

钢坯轧制过程温度确定的研究不同的钢种、不同的板坯规格、采用不同的轧机型式，以不同的轧制速度进行轧制，对于轧制不同厚度的成品而言，要求采用不同的钢坯加热温度和和钢坯的加热时间。

本文以成品不同温度时的晶相组织为依据，结合不锈钢轧制时的热应力分析，再参考铁碳相图，制定成品不同厚度的终轧温度，再通过建立轧制过程热模型，反算出板坯的出炉温度，从而对各种形式的加热和轧制提供加热依据。

钢的金属加热温度及热应力的研究不锈钢板坯轧制裂纹形成理论分析不锈钢板坯在轧制过程中，显微裂纹大都在局部塑性变形处产生，这显然与塑性变形过程中位错的运动有关，从塑性变形中位错运动的分析可以看出，裂纹形成的位错理论和模型，包括位错塞积理论、位错反应理论、裂纹在夹杂物边界形成理论等，这些理论的基本思路是在切应力的作用下，促使位错在滑移面上运动。

位错运动中又难免遇到不同的阻碍，造成位错塞积，形成大位错，这种大位错的弹性应力场可能产生大的正应力而促使材料开裂。

位错一般都在晶界、相界、孪晶界、杂质或第二相与基体界面处塞积，从而裂纹也常在这些边界处产生。

一、裂纹形成理论分析裂纹形成的条件从能量的观点上来看，柏氏矢量为b 的几个位错在晶界处塞积而形成长度为2c 的裂纹模型，并将其看作是具有柏氏矢量为nb 的大位错进行分析推导，得出形成裂纹的条件为：σnb ≥2γ （1）式中：σ——外加应力；γ——表面能；nb ——晶体的滑移量；σnb ——产生此滑移时所做的功。

裂纹向前扩展就相当于塞积的向前攀移。

外力对位错所做的功应大于或等于裂纹形成时表面能的增加，亦即σnb ≥2γ。

依据推动滑移的有效切应力为（τs-τi ），对应的切变应力为（τs-τi ）/G ，滑移带的长度等于晶粒直径d ，则可求出裂纹位错的总柏氏矢量nb 的表达式：d G nb i s⎪⎭⎫ ⎝⎛-=ττ （2） 式中：τs ——屈服时的切应力，它等于裂纹形成时的切应力；τi ——位错滑移时的摩擦切应力G ——切变模量。

而τs 与d 之间又存在着经验关系：2/1'-+=d K y i s ττ （3）将上述二式与前述的2/1'-+=d K y i s ττ合并处理，可求出形成裂纹的条件为：()γσG K K d y y i 2'2/1≥+ （4） 为提高材料的韧性，则应使裂纹不易形成。

根据上式可知，为使裂纹不易形成，则需公式左方的数值小于2G γ，则提高韧性的途径是：①增大钢的表面能γ和切变模量G ；②减少'y K 、y K 、位错滑移时的切应力τi 及晶粒直径d ，当温度升高时τi 减小，相应地使韧性升高，这与实际情况是一致的。

如果将τi 忽略不计，而对上式进行处理，还可求出单向拉伸时形成裂纹所需的拉应力σf 为：dG f γσ4≈ （5） 亦即形成裂纹时所需的拉应力与晶粒直径2/1d 成反比。

从以上推导分析可以看出，细化晶粒尺寸d 可提高钢中裂纹形成的难度，相应提高钢的韧性，这是影响韧性最为有效的组织因素。

二、裂纹形成的断裂模型钢中硬而脆的第二相颗粒的存在会影响裂纹的性质。

例如，碳化物颗粒粗大会促进解理断裂，而所含第二相颗粒细小的钢则具有较好的塑性。

依此，通过分析晶界碳化物的影响，提出了如下解理断裂的模型。

设铁素体边界上有厚度为L 0的碳化物，由于外力的作用，碳化物前的铁素体中将形成位错塞位群。

设τ为外加应力在滑移面上的切应力分量，则推动位错运动的有效切应力为τe =τ-τi ，位错塞积前端造成拉应力集中，则应力达到临界状态时，将导致碳化物开裂，此时τ=τe 即：()()2/1214⎥⎦⎤⎢⎣⎡-≥-=d r Er c i e e πτττ （6）式中：γ—柏松比；γc —碳化物的比表面能。

裂纹要伸展到相邻的铁素体晶粒，还要克服铁素体的比表面能，令γp 表示二者之和的有效比表面能，则上式应为：()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡-≥-=d r Er p i c e 214πτττ‘ （7）上式为裂纹形核所控制的断裂，当材料达到屈服时，已发生断裂，亦即裂纹一旦形成就立即扩展而至断裂。

而式（6）是一种裂纹扩展所控制的断裂，即当应力在τc 与'e τ之间时，碳化物中形成裂纹之后，尚需经过裂纹扩展段才能通过晶粒。

依次，可进一步推导出裂纹扩展所控制的断裂判据为：()2/10214⎥⎦⎤⎢⎣⎡-≥C r Er p f πσ （8）式中，C 0为裂纹宽度。

从裂纹形成条件的两个模型中可以看出，晶粒尺寸和第二相粒子片层厚度是影响裂纹形成的重要结构因素。

细化晶粒和细化第二相粒子尺寸将使裂纹难于形成，相应使钢的韧性提高。

同时看出，具有较高的弹性模量和组成表面能的钢，其裂纹形成也较困难，从而具有较高的韧性。

三、裂纹扩展难易与钢的韧性裂纹形成后，如已达到临界裂纹长度c a 时，则由失稳扩展而导致材料 脆性断裂；如裂纹形成后尚未达到临界裂纹尺寸，则将逐步扩展到临界裂纹长度时才发生失稳扩展。

裂纹从形成到扩展至临界裂纹尺寸这个亚稳态扩展阶段的长短除取决于应力状态、大小和环境等外界条件外，主要受材料本身的一般软科学性能（强度和韧性）和组织结构参量的影响，例如，裂纹形成后的扩展过程中由于遇到晶界、相界和韧性相等不同阻碍而使裂纹扩展缓慢。

实验观察发现，多晶体金属材料在不同热处理状态下的裂纹具有不同的特点和机制，有些属于韧性断裂，其宏观和微观断口分别为纤维状和韧窝，并相应具有较高的韧性，另一些则属于解理断裂或沿晶断裂机制的脆性断裂，后者具有穿晶小平面河流状准解理断口，相应的韧性较低。

韧性断裂中的微孔聚合型断裂要经过韧窝的形成和克服第二相的障碍而缓慢长大的裂纹扩展阶段。

基于以上情况和思路，一些学者分别提出韧性断裂的应变判据和解理断裂的临界应力判据，相应建立了两种类型断裂与钢的一般软科学性能和组织结构之间关系的模型。

1、韧性断裂的应变判据韧性断裂大致经历基体塑性变形，以及基体和第二相界面或第二相本身开裂而形成微孔，微孔长大以及微孔间金属撕裂使微孔聚合，从而使裂纹扩展等几个阶段。

基于这一研究结果，一些学者分别采用临界应变（n 或εf ）作为判据，提出了断裂韧性与强度参量和组织结构参量之间关系的模型.。

设d T 为第二相粒子间的平均距离，它构成韧带，亦即裂纹前端的屈服区。

此屈服区的应变为ε，当ε达到临界值时，屈服区开裂。

采用屈服区缩颈时的应变量ε的临界值，则此临界值恰好等于材料的硬变强化系数n ，并利用弹性应变公式E σε=，相应热传导出KIC 与强度参量E 、塑性参量n 和组织结构参量d T 之间的关系表达式为： T IC d nE K π2= （9）由于在推导中把弹性变形公式外延到大量变形的塑性变形区边界，故应以有效弹性模量E p 取代E为宜。

根据金相侵蚀法测出的裂纹前沿的塑性区宽度，采用临界应变判据f εε31≈导出了类似的关系式： f s IC E n K εσ325≈ （10） 式中：εc ——裂纹前沿张应力应变峰值；f s 、εσ——屈服强度和单向拉伸时的真实断裂应变。

四、解理断裂的应力依据对于解理断裂或沿晶界断裂等类型的脆性断裂，一些学者则采用临界应力判据建立起相应关系。

当裂纹尖端由于塑性约束使张应力达到临界解理应力时，即发生断裂。

他们采用这种临界解理应力判据，对实验数据进行处理，先后提出了K IC 与强度性能之间的关系式：⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=sIC s K σσσ0.21*（11） 3*235.2⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=σσs IC K （12） 式中：*σ—发生断裂时的临界应力；s σ—屈服点应力。

可以看出IC K 随临界解应力的增大而增大。

对于低强度钢热轧板的成型性研究中发现，材料的成型性与夹杂物质量分数有关。

当夹杂物质量分数小于0.1%时，反映成型性优劣的杯突值H 与应变强度系数n 成正比；当夹杂物质量分数较高时，杯突值H 值随夹杂物质量分数增大而减小，即：N H f σ1∝ （13）式中：N —夹杂物质量分数（颗粒数/mm 2）从上式看出，N 越大则H 越低。

而H 和K IC 的测试具有相似性，通过对高强度钢的实际研究，他们建立了K IC 与夹杂物质量分数之间的关系：N K sIC 4*σσ-∝ （14）由于夹杂物颗粒间平均距离d T 与夹杂物质量分数之间存在着N d T /1∝关系，故可得出：()T s IC d K σσ-∝* （15）可把*σ看作极限应力，即若b σσ∝*时则()s b σσ-差值越大，亦即屈服强度b s σσ/越低，则材料越不易脆断，即钢的韧性越高，由此可知增大（s σσ-*）和减少夹杂物质量分数均有利于韧性的提高。

一、金属加热温度的研究对于金属的压力加工来说，金属轧制前的加热，是为了获得良好的塑性和较小的变形抗力，加热温度主要根据加工工艺要求，由金属的塑性和变形抗力等性质来确定。

不同的热加工方法，其加热温度也不一样。

金属的塑性和变形抗力主要取决于金属的化学成份、组织状态、温度及其它变形条件。

其中，温度影响的总局势是，随温度升高，金属的塑性增加，变形抗力降低，这是因为温度升高，原子热运动加剧，原子间的结合力减弱，所以变形抗力降低，同时可增加新的滑移系，以及热变形过程中伴随回复再结晶软化过程，这些都提高了金属的塑性变形能力。

但是，随着温度的升高，金属的塑性并不直线上升的，因为相态和晶粒边界同时也发生了变化，这种变化又对塑性产生影响。

钢的加热温度不能太低，必须保证钢在压力加工的末期仍能保持一定的温度（即终轧温度）。

由于奥氏体组织的塑性最好，如果在单相奥氏体区域内加工，这时金属的变形抗力最小，而且加工后的残余应力最小，不会出现裂纹等缺陷。

这个区域对于碳素钢来说，就是在铁碳平衡图的AC3以上30-50℃，固相线以下100-150℃的地方，根据终轧温度再考虑钢在出炉和加工过程中的热损失，便可确定钢的最低加热温度。

钢的终轧温度对钢的组织和性能影响很大，终轧温度越高，晶粒集聚长大的倾向越大，奥氏体的晶粒越粗大，钢的机械性能越低。

所以终轧温度也不能太高，根据铁碳相图最好在850℃左右，最好不要超过900℃，也不要低于700℃。

金属的加热温度，一般来说需要参考金属的状态相图、塑性图及变形抗力图等资料综合确定。

确定轧制的加热温度要依据固相线，因为过烧现象和金属的开始熔化温度有关。

钢内如果有偏析、非金属夹杂，都会促使熔点降低。

因此，加热的最高温度应比固相线低100-150℃。

不锈钢属于一种高合金钢，钢中含有较多的合金元素，合金元素对钢的加热温度也有一定的影响，一是合金元素对奥氏体区域的影响，二是生成碳化物的影响。

对于不锈钢中合金元素如镍、铜、钴、锰等，它们都具有与奥氏体相同的面心立方晶格，都可无限量溶于奥氏体中，使奥氏体区域扩大，钢的终轧温度可相应低一些，同时因为提高了固相线，开轧温度（即最高加热温度）可适当提高一些。