9中厚板的控制轧制与控制冷却概论

9中厚板的控制轧制与控制冷却9．1中厚板的主要性能指标中厚板轧制过程是钢坯在承受巨大外力作用下产生塑性变形的过程，在整个变形过程中不仅可使钢板获得所必须的尺寸和形状，而且也使之获得所必须的组织和性能。

借助装备水平和自动化程度的提高保证中厚板形状和尺寸精度的相关内容在本书的以上各章已有详细论述，本章将着重介绍在特定的设备条件下，如何通过钢板生产工艺参数的合理控制来获得理想的组织和性能。

中厚板的主要性能指标包括力学性能(屈服强度、抗拉强度、伸长率、冲击功等)、工艺性能(冷弯、冲压、焊接性能等)和理化性能(如耐蚀、耐火性能)等。

根据钢板用途的不同在相关标准中对所要求的各种性能指标都有明确的规定。

如GB／T 1591—94标准对Q345中厚板拉伸、冲击和冷弯性能的规定如表9-1所示。

本节仅就结构钢中厚板中常接触到的几种性能指标介绍如下。

9．1．1强度指标对于结构钢中厚板，在工程中常用的强度指标有：(1)比例极限σP。

拉伸试样中的弹性变形阶段，应力和应变的关系符合虎克定律，当试样被拉至具有一定的应力时，应力．应变曲线偏离了直线关系。

当该曲线与应力轴夹角的正切值已较直线部分增加50％时，此应力即为该材料的比例极限。

(2)弹性极限σe。

弹性极限是指完全卸载后不出现任何明显残余应变的最大应力。

弹性极限的高低除受材料本身性质、材料的加工条件和试验条件等各种因素的影响外，还取决于测量应变时所用仪器的灵敏度。

仪器越灵敏，越能在早期检测出塑性变形的出现，则弹性极限的数值就越低。

为了便于比较，技术上规定一个基准的应变量，弹性极限就是产生该基准永久应变量的应力值。

基准量的大小通常确定为10－2％。

为了更早期发现材料的弹性一塑性过渡，就要用更灵敏的测量仪器。

产生2×10－4％残余应变量的应力值称为“真弹性极限”。

这个应力值相当于驱使几百个位错运动的应力，很接近于“临界”的形变应力。

(3)屈服强度σs。

有屈服效应的材料，在拉伸过程中负荷不增加或有所降低而试样能继续变形的最小负荷所对应的应力称为屈服应力。

这个应力是应力一应变曲线上的下屈服强度。

不使用上屈服强度作为强度指标的原因在于上屈服强度的波动性很大，它的数值对试验条件的变化很敏感，其中最重要的影响因素是应力集中。

拉伸试样的过渡圆半径太小、试样安装时力轴和试样不同心、试样表面粗糙等都有可能在加载时使试样上产生宏观的应力集中。

材料内部弹性各向异性和组织的不均匀性是造成微量应力集中的根源。

这些集中应力会使拉伸试验时上屈服强度提前出现。

相反，在正常试验条件下，下屈服强度的再现性比较好，加上屈服应变比较大，对下屈服强度的观测也方便一些，所以常常用它来作为强度指标之一。

(4)屈服强度σ0.2。

对于变形时不呈现明显屈服效应的材料，以拉伸时试样的残余应变量达到0．2％时的应力值作为屈服强度。

但对应力一应变曲线上不具备线性的弹性阶段的材料不以规定的残余应变量来决定屈服强度，通常以达到某一给定总应变量(例如ε=0．5％)的应力值作为屈服强度的指标。

(5)抗拉强度σb。

抗拉强度也称为强度极限，它不是微量塑性变形抗力指标，但它也是工程上常常应用的数据。

其定义为试样在拉断前所承受的最大(工程)应力。

注意这不是试样承受的最大真应力，它所对应的负荷也不是断裂负荷。

在众多的强度指标中，应用最多的是屈服强度。

屈服表明材料由弹性变形向塑性变形的过渡过程，在拉伸变形方式下，通常可以观察到图9-l所示的三种典型屈服现象：连续屈服、非均匀屈服和均匀屈服。

图9-2是室温下拉伸低碳钢出现非均匀屈服时的典型应力一应变曲线。

由图可以看出，当外加负荷达到4点时，开始出现急剧的塑性变形，此时负荷马上下降至B点，然后沿BC 线继续变形，至C点以后才开始出现形变硬化过程，这种现象称为屈服现象，A点称为上屈服点，B点称为下屈服点，BC段的伸长称为屈服延伸。

如果所用的试样表面是磨光的，就可以看到，当达到上屈服点A时，试样上只部分发生塑性变形，这部分变形随后在试样上扩展，引起长度的增加，这种局部的变形带被称为“吕德斯带”，显然，产生“吕德斯带”所需的应力与上屈服点A的应力相对应，屈服强度与下屈服点B的应力值对应。

关于非均匀屈服的理论最早是Dalby等人提出的晶界理论，认为α-Fe的上屈服点对应晶界上渗碳体“骨架”的极限抗形变阻力。

在屈服之前，此“骨架”承受所有外力，一旦“骨架”崩溃，金属就变软了，故出现非均匀屈服现象。

后来，Cottrell将对小半径原子与位错弹性交互作用的研究成果应用到α-Fe的屈服问题上。

认为小半径溶质原子在位错附近形成气团后提高了位错起始运动的阻力，但一旦位错在外力与热激活的共同作用下，从气团中解放出来就不再受气团的作用，此时位错运动所需的力比从气团中解放出来的力要小，也就是宏观上表现出金属的突然变软。

假如对屈服现象仅作此解释，显然忽略了晶粒大小与屈服的关系，以及单晶体的屈服应力总比多晶体低的现象。

此后，Cottrell在气团作用的基础上又考虑了晶界的作用，最后对多晶体的非均匀屈服现象作如下解释：如图9-3所示，当变形时的外应力未达到上屈服点应力之前，已有一些被钉扎的F-R 源由于局部应力集中的关系而被激活，从而产生一定数量的位错。

但由于晶界的阻碍作用而使这些位错不能跑出晶粒以外，故都沿它们自己的滑移面塞积在晶界前。

这样，在相邻下一晶粒内距上述位错塞积群的头部z 远处将产生一较大的应力，其值近似地可写为(σ－σi )[d/(2l)]1/2，此处σ为外加应力，σi 为位错在晶内运动时所受的阻力，d 为晶粒直径。

假设位于l 处之F-R 源为相邻晶粒中距离上述位错塞积群头部最近者之一，其激活所需应力为σ1，故相邻晶粒的屈服条件便可写为：()1212i d l ⎛⎫σ-σ+σ=σ ⎪⎝⎭(9-1) 整理后得：12112221i l d l d ⎛⎫σ+σ ⎪⎝⎭σ=⎛⎫+ ⎪⎝⎭ 12i L K d -σ=σ+ (9-2)式中σ——屈服强度；σi ——晶内变形阻力；K L ——晶界性质影响的阻力系数；d ——晶粒直径。

此式即为著名的Hall —Perch 公式。

由Hall ．Petch 关系式可以看出，钢材的屈服强度与铁素体晶粒直径的－l ／2次方d －l ／2成正比，即钢材的铁素体晶粒越细，屈服强度越高。

9．1．2塑性指标关于塑性指标，在拉伸试验中它常以伸长率和断面收缩率来表示。

(1)伸长率6表示拉伸前后试样的相对伸长量，即δ=((l f －l 0)/l 0)×100％ (9-3)式中l 0，l f ——分别为试样被拉断前、后的标距长度。

公式9-3中，试样的伸长量(l f －l 0)实际包括试样缩颈形成以前的那部分均匀伸长和颈缩造成的不均匀伸长两部分。

均匀伸长量仅与金属的应变硬化能力等冶金状态有关，除了计算长度的精度外，它基本上不受其他试验因素的影响。

而非均匀伸长量除与材料的冶金状态有关外，还受试样形状和尺寸的影响，如试样尺寸越短，非均匀伸长量在总的伸长量(l f －l 0)中所占的比例越大，则计算得到的伸长率也就越大。

当采用不同形状或不同尺寸的试样进行试验时，为保证所测得的伸长率能够互相比较，就必须使这些试样在几何上是相似的。

因此，在国家标准中对拉伸试样的尺寸都有明确规定，当拉伸试样为棒状试样时，试样的标距长度z 。

与原始直径比的比例应为z 。

／如=5或10，前者称为短试样，后者称为长试样，用长、短试样测得的伸长率分别标注为6，或6…有了这种统一的标准规定后，不同的试验结果间就可以互相比较了。

(2)断面收缩率沙表示试样横截面积在拉伸前后的相对减缩量，即Ψ=(F 0－F f )／F 0×100%=(d 02－d f 2)／d 02×100% (9-4)式中F 0，d 0——分别为试样试验前的截面积和直径；F f ，d f ——分别为试样被拉断时断口处的截面积和断口处的直径。

如果拉伸过程中试样形成了缩颈，那么断裂后测得的伸长率和面缩率之间很难作出定量的转换关系。

虽然很多因素，如试验温度、化学成分、热处理工艺参数等都影响到这两个指标的数值，然而它们随这些参数的变化并不总是相同的，因此，这两个指标间不能以此代彼。

对它们的一般看法是：当试样的标距长度不太短时，δ基本上反映材料均匀延伸的行为，Ψ则主要由颈缩过程来决定，由于缩颈处的应力状态比较复杂，所以Ψ的大小既与试样尺寸有关也和材料的形变行为有关。

这样，在衡量材料塑性的“真实性”方面，面缩率不如伸长率直观，但冶金因素的变化对性能的影响在砂值上表现得更为突出，所以Ψ是比δ对组织变化更为敏感的指标，因此Ψ值又有其独特的用处。

例如，钢板在轧制过程中，随着板厚的增加，厚度方向压缩比相对减小，钢材内的一些非金属夹杂物被轧成平行于轧向的条带状夹杂物，造成钢材力学性能的各向异性，且厚度方向(Z向)的塑性变形能力最差。

当对厚板结构进行焊接施工时，特别是T形接头和角接接头处，在刚性拘束的条件下，因焊缝收缩极容易在母材厚度方向上产生很大的拉伸应力和应变，当此应变超过母材板厚方向的塑性变形能力时，夹杂物与金属基体之间就会发生分离而产生所谓的“层状撕裂”。

用于高层钢结构建筑、造船、海上采油平台和压力容器等某些重要焊接构件的钢板，不仅要求沿宽度方向和长度方向的力学性能，而且要求厚度方向具有良好的抗层状撕裂性能。

钢板的抗层状撕裂性能就是采用钢板厚度方向拉伸试样的断面收缩率ΨZ 进行评价的。

Z向性能级别与断面收缩率的关系如表9-2所示。

9．1．3韧性指标韧性指标常用冲击试验所测得的冲击功或冲击韧性来度量。

一次摆锤冲击弯曲试验是目前广泛使用的冲击试验方法。

它是将具有一定形状尺寸的试样放置在固定支架上，然后释放具有一定位能的摆锤，使试样承受冲击弯曲负荷，以致断裂。

把冲断试样所消耗的功A。

除以试样缺口处的横断面面积F0所得到的商称为冲击韧性，用a K表示：a K=A K／F0(9-5)冲击试验所用试样有梅氏u形试样和夏氏V形试样等，目前现场使用较多的是如图9-4所示的夏氏V形冲击试样。

试样开缺口的主要目的是使冲击能在缺口附近不大的体积内高度集中，造成应力集中和三向应力状态，使材料脆化。

应该特别指出的是，由于试样尺寸、缺口深度及尖锐度等机加工精度均影响到试验结果，所以试样必须严格标准化。

冲击韧性是所有力学性能指标中唯一可以用于衡量钢材在动载荷作用下抗破坏能力的一项指标，且冲击韧性a K值基本上是强度和塑性两者的函数，当强度和塑性同时增加时，a K值也随之增加，当强度和塑眭同时降低时，a K值也会降低。

可见，凡是同时提高强度和塑性的因素都是提高a K值的因素，如细化晶粒既提高强度又提高塑性，故使a K值提高。

因此，冲击韧性可用于评价钢材的综合力学性能的优劣。