轧钢原理

绪论
金属压力加工：金属压力加工时金属在外力作用并且不破坏自身完整性的条件下稳定改变其形状与尺寸，而且也改善其组织和性能的加工方法，也叫金属的塑性加工。

金属加工分类：弯曲、剪切、锻造、轧制、挤压、拉拔、冲压
锻造：自由锻（镦粗、延伸）、模锻
轧制：纵轧、横扎、斜扎
挤压：正挤压、反挤压
第一章金属塑性变形原理
第二章应力和变形
第一节力和应力
一、外力
外力：作用力、反作用力
（1）作用力：压力加工设备的可动工具部分对工件作用的力叫做作用力，又叫主动力。

（2）约束反力：正压力、，摩擦力
约束反力：变形物体的整体运动和质点流动受到工具另外组成部分的约束，及工件与工具接触面上摩擦里的制约，工件在这些力的作用下产生形变，这些力叫约束反力。

二、内里和应力
内力：当物体在外力作用下，并且物体的运动受到阻碍时，或者由于物理和物理化学等作用而引起物体内原子之间距离发生改变，在物体内部产生的一种力，叫作内力。

引起内力的两种原因：
（1）为平衡外部的机械作用，在金属内部产生于外力相平衡的内力。

（2）由于物理和物理化学作用而引起的内力。

应力：内力的强度称为应力，或者说内力的大小是以应力来度量的，单位面积上作用的内力称为应力。

第二节变形
变形：金属在受力状态下产生内里的同时，其形状及尺寸也产生变化，这种现象称为变形
变形：弹性变形，塑性变形
从微观上看：弹性变形的实质，就是所施加的外力或能不足以使原子跃过势垒。

塑性形变，如果能越过上述势垒而使大量原子定向的从原有的平衡位置转移到另一平衡位置上去，这就表现
为塑性形变。

从宏观上看：金属在外里作用下产生变形，外力去除后，又恢复到原来的形状和尺寸，这样的变形称为弹性变形。

如果外力去除后，变形金属的形状和尺寸能保留下来，不会恢复到变形前的状态，这样的变形称为塑性变形。

第三节应力状态及图示
主平面：只有正应力，而切应力为零的平面称为主平面
主应力：主平面上的正应力称为主应力
塑性变形中拉应力最容易导致金属破坏，因为它使金属内的细小疏松、空隙、裂纹等缺陷扩大，压应力有利于减小或抑制缺陷的发生与发展。

第四节变形图示和变形力学图示
金属产生塑性变形时，在主应力方向上的变形称为主变形。

实际可能的变形力学图示只有23种，其余4种组合没有物理意义。

第三章塑性变形的基本定律
第二节最小阻力定律
古布金的陈述为：当变形体的质点有可能沿不同方向移动时，则每一质点沿阻力最小的方向移动。

解释：工具和柱体的接触面都存在着摩擦，若金属体内性质均匀，接触面上的摩擦系数又完全一致时。

质点向自由表面流动的时候，克服摩擦阻力所做的功和质点离自由表面的距离成正比，因此离自由边界越近，阻力越小，金属质点也必然沿这个方向流动。

即沿界面周边最短发现方向流动。

第三节弹——塑性变形共存定律
弹——塑性变形共存定律：由拉伸试验可以看出，物体在产生塑性变形之前必须先产生弹性变形，在塑性变形阶段也伴随着产生弹性变形，总变形量为弹性变形和塑性变形之和。

第三章金属压力加工中的外摩擦
第一节外摩擦的概念及其作用
外摩擦：在金属压力加工过程中，变形金属与工具接触表面之间存在着阻碍金属自由流动的作用，这种作用称为外摩擦。

金属压力加工中外摩擦的特征：
1、摩擦面上的单位压力很大。

2、接触表面不断更新和扩大。

3、摩擦对之间的性质差异大。

4、接触表面温度高。

5、变形金属表面组织是变化的。

外摩擦在金属压力加工中的作用：
<有利>在轧制中，是由于外摩擦的作用，使轧件被轧辊所咬入，而且在轧制过程中也需要一定的摩擦力来维持稳定轧制阶段的正常进行。

因此，在轧制过程中，摩擦是不可缺少的。

<不利>1、改变了应力及变形的分布
2、增加了变形时的能量消耗
3、降低工具的使用寿命
4、降低产品质量
第二节摩擦定律及摩擦系数确定
T=f/P Tk=T/Fn 即：T=TkFn=f6nFn f=Tk/6n
1、热轧时的摩擦系数
f=K1K2K3（1.05-0.0005t）
K1——轧辊材质的影响系数，对于钢轧辊K1=1，铸铁轧辊K1=0.8
K2——轧制速度的影响系数
K3——轧制材料的影响系数
t——轧制温度
2、冷轧时的摩擦系数
f=K[0.07-0.1v2/2(1+v)+3v2]
K——润滑剂的种类与质量影响系数
v——轧制速度
第三节影响外摩擦的因素
一、工具的表面状态
二、金属的表面状态
影响金属的表面状态变化的有：金属的化学成分、氧化铁皮的性质、变形前金属表面的加工等。

钢中含有铬形成的氧化铁皮使摩擦系数增大，而钢中含有镍元素形成的氧化铁皮使摩擦系数降低。

三、变形金属和工具的化学成分
（1）、在700——1200摄氏度的温度范围内，随钢的含碳量增加，摩擦系数会降低。

（2）、温度越高，摩擦系数越低。

四、接触面上的单位压力
一般随接触表面单位压力的增加，凸牙和凹牙坑相互插入的深度大，因而引起摩擦系数增加
五、变形温度
当温度为700摄氏度左右时，钢的摩擦系数最高，在钢的热轧温度范围内，随变形温度提高摩擦系数会降低。

六、随变形速度增加，摩擦系数降低。

第四节轧制工艺润滑
润滑剂——降低摩擦系数，工艺润滑既降低工具的磨损，又降低变形时的能量消耗，还可以起到冷却工具的作用。

选用工艺润滑剂的时候，从生产工艺的角度上，对润滑剂应有如下要求：
1、有良好的润滑性能
2、有良好的附着力
3、有一定的化学稳定性
4、有适当高的燃点
5、加工后易于在表面清除，同时含灰分要少
6、有良好的冷却性能
7、资源丰富，价格便宜
第四章金属的塑性及变形抗力
第一节塑性的概念
塑性：金属在外力作用下，能稳定地产生永久变形而不破坏其完整性的能力，叫做塑性。

塑性极限（塑性指标）：金属的塑性大小，可以用金属在断裂前产生的最大变形程度来表示，它表示压力加工时金属塑性变形的限度。

<塑性>区别于<柔软性>
变形抗力体现金属柔软性，但不是软的金属塑性就好，反之亦然。

第二节塑性指标及塑性图
一、塑性指标
塑性指标：为了正确选择变形温度，变形速度和最大变形量，必须测定金属在不同变形条件下的极限变形量。

金属塑性的主要指标有：
1、拉伸试验时的延伸率和断面收缩率，这两个指标越高，说明材料的塑性越好。

2、冲击试验时的冲击韧性值，表示冲击式样在受冲击力作用断裂前所消耗能量的大小
3、扭转试验时试件断裂前的扭转周数N，可以反映出材料受数值相等的拉应力和压应力同时作用时的塑性的大小
4、深冲试验产生裂纹时的压进深度H，压进深度越大表示金属深冲时的塑性越好
5、锻造和轧制时刚出现第一条用肉眼看到的裂纹时的变形量
6、扩口试验、压扁试验、弯曲试验
二、塑性图
塑性图是金属塑性指标随温度变化的曲线图
第三节影响塑性的主要因素及提高塑性的主要途径
影响塑性的因素：内因，外因
内因：是指的金属本身的自然性质，是关于金属材质方面的因素。

外因：指的是变形温度——速度条件，以及变形力学条件（即应力状态和变形状态）
一、金属自然性质对塑性的影响
1、化学成分的影响
碳、磷、硫、锰、铜、稀土……
2、组织结构的影响
若所含合金元素在加工温度范围内与基本元素形成单相固溶体则有较好塑性，而若和基本元素形成化合物，则使塑性降低。

晶粒较小的金属塑性较高，随晶粒增大，塑性将降低。

二、变形温度速度条件对塑性的影响
（1）变形温度的影响
塑性降低区域：
位于200——400摄氏度，此区域称为兰脆区，一般认为某些夹杂物析出渗出晶界，使金属塑性降低。

位于800——950摄氏度，称为热脆区，一般碳素钢在此温度范围产生相变有铁素体和奥氏体共存，产生了变性的
不均匀，出现附加拉应力，使塑性变差。

塑性增高区域：
位于100——200摄氏度的范围，在此范围内塑性升高时由于在冷变形时原子动能增加的缘故
位于700——800摄氏度的范围，有再结晶和扩散过程发生，因此塑性升高
位于950——1250摄氏度，在此区域没有相变，是均匀单一的奥氏体组织
碳素钢冷加工最有利的温度范围是100——200摄氏度，在热加工状态下，最有利的温度范围是950——1250摄氏度。

（2）变形速度的影响
当变形速度不打时，随便性速度升高，塑性降低；而在变形速度较大时，随变形速度升高塑性增加
速度不太高的时候热效应促进软化的过程没有加工硬化的速度快，所以塑性降低。

但是当速度较大的时候由于金属
温度升高，使硬化消除，金属软化过程比加工硬化过程进行的更快
三、变形力学条件对塑性的影响
1、应力状态的影响
金属在塑性变形时，应力状态图示中受拉应力成分越少，压应力成分越多，则金属的塑性越好。

2、变形状态的影响
压缩变形有利于塑性的发挥，而延伸变形有损于塑性。

所以主变形图中压缩成分越多，对于充分发挥物质的塑性越有利
四、其他因素对塑性的影响
1、不连续变形的影响
不连续变形可以提高金属的塑性
2、尺寸（体积）因素的影响
随着物体体积的增大，塑性有所降低，但降低到一定程度后，再增大体积，其影响减小，从某一临界值开始，体积对塑性的影响停止。

五、提高塑性的主要途径
1、控制金属的化学成分加入有利，减少有害元素
2、控制金属的组织结构采用合适的工艺加以改善
3、选择适当的变形温度——速度条件
4、选择合适的变形力学状态采用三相压应力加工方式
第四节金属的变形抗力
金属或合金抵抗变形的能力叫做变形抗力
一、影响变形抗力的因素
（1）化学成分的影响
纯金属的变形抗力比其合金的变形抗力要小，固溶体的变形抗力又比两相合金的变形抗力要低（2）变形温度的影响
随变形温度的升高，金属的变形抗力降低
（3）变形速度的影响
在热变形时，通常是随变形速度提高，金属的变形抗力增大
在冷变形时，金属主要发生硬化现象，没有再结晶软化过程，因此尽管变形速度增加，对金属变形抗力并不
明显
（4）变形程度的影响
冷加工时，由于变形温度低于再结晶温度，变形过程中产生的加工硬化不能得到消除，因此变形抗力随变形
程度的增大而增大
二、变形抗力的确定
1、热轧时的变形抗力
热轧时的变形抗力根据变形时的温度、平均变形速度和变形程度的值，由实验方法得到的变形抗力曲线来确
定
2、冷轧时的变形抗力
冷轧时的变形抗力由各个钢种的加工硬化曲线，根据该道次的平均压下率来查找
第五章金属塑性变形时应力和变形的不均匀分布
由于外力的作用产生的应力叫做基本应力
由于物体内部各处的不均匀变形受到物体整体性的限制，在变形各部分之间互相平衡的内力引起的应力叫做附加应力基本应力和附加应力的代数和即为工作应力
塑性变形后仍然存在于变形体内的附加应力叫做残余应力
一、产生不均匀变形的原因
1、接触面上的外摩擦
2、变形区的几何因素
3、工具和变形体形状
4、变形体温度分布不均
5、变形体性质不均匀
二、不均匀变形引起的后果
1、使金属单位变形力增高
2、使金属塑性降低
3、使产品质量下降
4、使技术操作复杂化
三、减轻不均匀变形的措施
1、尽量减轻接触面上的外摩擦
2、合理设计加工工具的形状
3、尽可能使变形金属的成分和组织均匀
4、正确选定变形的温度——速度制度
第六章轧制的基本问题
轧制：是轧件由于摩擦力的作用而进入旋转的轧辊之间，被压缩并产生塑性变形的过程
简单轧制：（1）对于轧辊方面：两个轧辊为直径相等的圆柱体，其材质和表面状况均相同，两轧辊的中心线平行并在同一垂直平面内，两轧辊的弹性变形忽略不计，两轧辊都传动，并且转速相同，转向相反。

（2）对于轧件方面：轧制前后轧件的断面均为矩形或方形，轧件内各部分组织和性能相同，表面状况相同。

在轧制过程中，没有外加张力或推力作用在轧件上
延伸：其高度由H变为h；宽度由B变为b，轧件在横向变形中宽度尺寸加大或减小称为宽展；长度由L变为l，战舰在纵向变形中长度增加。

轧制速度：通常指轧辊的圆周速度，它由轧辊的转速和轧辊的平均工作直径来进行计算
变形速度：是变形程度对时间的变化率，它表示单位时间内产生了多大的变形。

第七章实现轧制过程的条件
摩擦角：反力N、摩擦力Tx的合力F与法向反力N之间的夹角B称为摩擦角
摩擦系数：摩擦角的正切等于摩擦系数
咬如条件的必要条件是咬入角小于摩擦角；咬入角等于摩擦角是咬入的极限条件，如果咬入角大于摩擦角则不能咬入
剩余摩擦力：把克服推出力外还剩余的摩擦力水平分量称为剩余摩擦力
影响轧件咬入的因素：（1）轧辊直径及压下量的影响（2）轧辊表面状态对咬入的影响（3）后推力对咬入的影响（4）轧制速度对咬入的影响（5）轧件前端的形状对咬入的影响
改善咬入的措施：1、利用剩余摩擦力：（1）减小咬入时的实际咬入角（2）咬入后带钢压下（3）强迫咬入2、增大接触面的摩擦系数（1）在轧辊辊面上刻痕或堆焊，增加辊面额度粗糙程度以提高摩擦系数（2）清除炉生氧化铁皮（3）合理调整轧制速度
第八章轧制时金属的宽展
宽展：轧制前后轧件宽度的绝对差值，称为宽展
宽展类型：1、自由宽展2、限制宽展3、强迫宽展
影响宽展的因素：1、压下量的影响（正比）2、轧辊直径的影响（正比）3、轧件宽度的影响（反比）4、摩擦系数的影响（正比）5、轧制道次的影响（反比）6、后张力对宽展的影响（反比）
第九章轧制过程中的前滑与后滑
影响前滑的因素：1、轧辊直径的影响（正比）2、摩擦系数的影响（正比）3、相对压下量的影响（正比）4、轧件厚度的影响（反比）5、轧件宽度的影响（一定范围正比）6、张力对前滑的影响（正比）
第十章轧制压力
轧制压力：金属对轧辊作用的总压力称为轧制压力。