轧制原理

度变化很小或者不变。
冷加工时，由于加工硬化和微裂纹的产生，金属密度略 有减小，但是各种金属和合金冷加工时密度通常只减小 0.1～0.2%，当进行中间退火和最终退火时，由于产生再结 晶，密度将增加到接近加工前的数值。
1.3 体积不变条件
热加工过程中，加工硬化和再结晶同时或依次产生，变形 金属的密度及体积在加工过程中可以认为是不变的。 因此，无论冷加工还是热加工，变形金属的密度和体积 的改变都是很小的，可以忽略这些变化而认为塑性变形前
为限制宽展。
（3）强制宽展
在轧制过程中，金属质点横向移动时，除受接触摩擦的
阻碍外，还受其它因素的推动，此时产生的宽展称为强制
宽展。由于出现有利于金属质点横向流动的条件，所以强 制宽展大于自由宽展。
(b )
3. 2 宽展的分布及宽展组成
决定宽展沿轧件高度分布不均匀的主要因素是比值 l / h 。
(a )
△b合=m △b计
Ⅲ
奥氏体钢
4Cr14Ni14W2Mo 2Cr13Ni4Mn9（不锈耐热钢） 1Cr18Ni9Ti（不锈耐热钢）
Ⅳ
带残余相的奥氏体（铁 素体，莱氏体）钢
3Cr18Ni25Si2（不锈耐热钢） 1Cr23Ni13（不锈耐热钢）
Ⅴ
Ⅵ
铁素体钢
带有碳化物的奥氏体钢
1Cr15（不锈耐热钢）
Cr15Ni60（不锈耐热合金）
变形速度是应变对时间的变化率，也称应变速度。
d dt ( s 1 )
轧制变形速度指的是轧件高度方向的变形速度。 变形区中高度为hx的任意断面上的变形速度为：
2v y d dhx 1 dh / dt x dt hx hx dt hx
R v
平均变形速度
t
h0 h1 h0 t
3. 3 影响宽展的因素
(3) 轧辊直径
在其它条件不变时，宽展随轧辊直径D的增加而增加。
因为变形区长度增加，延伸阻力增加。
(4) 摩擦系数
在其它条件相同时，随着摩擦系数的增加，宽展增加。 凡是影响摩擦系数的因素，都将通过摩擦系数引起宽展的 变化。
摩擦系数对宽展的影响
轧制温度与宽展指数的关系
轧制速度与宽展指数的关系
正压力水平分量的代数和，根据最小阻力定律，就会影响
宽展与延伸之比。 工具形状有利于延伸。

Nx
N
Tx
T
2 轧制过程中的宽展
轧件在宽度方向线尺寸的变化，即绝对宽展称为宽展。
b b1 b0
轧制中的宽展可能是希望的，也可能是不希望的，视轧制
产品的断面特点而定。当用窄坯料轧成宽成品时希望有宽
展，若是从大断面坯料轧成小断面产品时，则不希望有宽 展。无论在那种情况下，均必须掌握宽展变化规律及正确 计算它，在孔型中轧制则更为重要。
1.1 简单轧制过程及其变形区
简单轧制过程 轧制过程在上下两直径相同的圆
柱形刚性轧辊间进行，轧辊皆为传
动辊、转速相同且转向相反； 轧件为各向同性的均匀连续体，
h0 l0 b0

h1
b1
只承受来自轧辊的作用力并且满足
屈服条件，轧件为矩形断面，轧制 前的横截面在变形过程中仍为平面。

l1
轧制过程的简单描述
l h
b0
b0 b1 b1
h0
h1
b1 b2 b1
b1
b1 b3 b1
宽展沿轧件横断面分布
计算宽展时，轧件轧后宽度应采用平均宽度，平均宽度可采用与轧后轧 件横断面等面积同厚度矩形的宽度，也可采用下式计算。
b1 b1'' a(b1''' b1'' )
轧制过程的简单描述
b0 h0 l0

h1
b1

l1
为使轧制过程顺利进行，主电机要具有足够的功率，
以通过轧辊提供轧件塑性变形所需的变形力，而所 需变形力的大小与轧件本身的性质和应力状态有关。 在实际轧制过程中，这一变形力又对轧辊产生反作 用而影响轧制过程。
1.2 轧制变形区及其主要参数
轧制变形区
轧件在轧辊作用下发生塑 性变形的区域称为轧制变形 区，在简单轧制条件下，即 轧件在进出轧辊处的断面与 辊面所围成的区域。 轧制变形区的主要参数有 咬入角和变形区长度。
3.1 宽展的分类
（1）自由宽展
在轧制过程中，被压下的金属体积向横向移动时，金属 流动除受接触摩擦的阻碍外，不受其它任何的阻碍和限制 （如孔型侧壁，立辊等），结果明确表现出轧件宽度尺寸 的增加，这种情况称为自由宽展。
（2）限制宽展
轧制过程中，金属质点横向移动时，除受接触摩擦的
阻碍外，还承受孔型侧壁的限制作用，此时产生的宽展称
后金属的体积是保持不变的，这就是体积不变条件。
h0 b0 l0 h1b1l1
h0 b0 l 0 1 h1b1l1
1.4 轧件变形程度
轧件在高度、宽度和长度三个方向的变形分别称为： 压下、宽展和延伸。 绝对变形量
h h0 h1 b b1 b0 l l1 l0

T
N

稳定轧制时，θ＝α/2
2
各种轧机的咬入角
轧机型式
冷轧钢和其它金属 在磨削轧辊上加润滑剂 在未磨削轧辊上无润滑剂 热轧 0.05~0.07 0.09~0.14 3~4 5~8 咬入角 弧度 度
钢板
铝板（ 350 ℃） 镍板（ 1100 ℃） 黄铜板（800 ℃ ） 普通型钢 型钢（轧辊表面有刻槽、

h R

h0 h1 v h0 R(h0 h1 )

各种轧机的平均变形速度
轧机类型
（s-1）
轧机类型
（s-1）
初轧机
大型轧机 中型轧机
0.8～3
1～5 10～25
中厚板轧机
热轧宽带钢轧机 冷轧宽带钢轧机
8～15
70～100 可达1000
线材轧机
75～1000以上
1.6 咬入条件
1.4 轧件变形程度
相对变形量
工程应变 真应变 变形系数
h0 h1 rh 100% h0 b1 b0 rb 100% b0 l l r l 1 0 100% l0

h0 dh h ( ) ln h0 h h1
高等工程师学院专业必修课
轧制原理
北京科技大学材料学院 周成
1 轧制过程的基本概念
轧制是轧件在旋转的轧辊作用下产生塑性
变形的过程。
轧制的目的是生产具有合格形状尺寸和组 织性能的产品。
轧钢在钢铁生产中的位置
轧钢产品的种类（按断面形状）
钢板
中厚板 薄板
钢管
无缝钢管 焊管
型钢
型材（钢轨、工字钢等） 棒材 线材
合金钢宽展大于普碳钢
组别 钢种 钢 号 影响系数 平均数
Ⅰ
普碳钢
10号钢
T（碳钢） GCr15（轴承钢）
1.0
1.24 1.29 1.29 1.33 1.35 1.35 1.36 1.42 1.44 1.44 1.53 1.4～1.5 1.35～1.46 1.25～1.32
Ⅱ
珠光体－马氏体钢
16Mn（结构钢） 4Cr13（不锈钢） 38CrMoAl（合金钢） 4Cr10Si2Mo（不锈耐热钢）
b0
b0 b1 b1
h0
h1
b1 b2 b1
b1
b1 b3 b1
宽展沿轧件横断面分布
各种宽展与 l / h 的关系
b0
b0 b1 b1
h0
h1
b1 b2 b1
b1
b1 b3 b1
宽展沿轧件横断面分布
(b )
(c)
轧后轧件侧边形状
l / h 较大，双鼓形；(b)．l / h 较小， 单鼓形；(c)． l / h 适中，平直形 (a) ．
宽展一般由以下几个部分组成：滑动宽展Δb1、翻平宽展Δb2 和鼓形宽展Δb3 。
滑动宽展是变形金属在与轧辊的接触面上，由于产生相对滑动使轧件宽 展增加的量； 翻平宽展是由于接触摩擦阻力的作用，使轧件侧面的金属在变形过程中 翻转到接触表面上，使轧件的宽度增加量； 鼓形宽展是轧件侧面变成鼓形而造成的展宽量，与翻平宽展有密切联系。
h h0
3. 3 影响宽展的因素
(2) 轧制道次
总压下量一定时，轧制道次越多，总宽展越小。
多道次轧制时变形区形状参数较小，变形渗透性差，所
以宽展较小。
No. 1 2 3 4 轧制温度 （º C） 1000 1085 925 920 道次数 1 6 6 1 Δh/h0 （％） 74.5 73.6 75.4 75.1 Δb（mm） 22.4 15.6 17.5 33.2
0.31~0.38
0.35~0.38 0.38 0.37~0.42 0.38~0.42 0.47~0.59
18~22
20~22 22 21~24 22~24 27~34
网纹或者有堆焊）

各种轧制条件下的允许最大咬入角
轧制条件 在有表面刻痕或堆焊的轧辊上热轧 在型钢轧机上热轧 在钢板轧机上热轧 在表面粗糙的轧辊上冷轧
1.55
1.62
3. 3 影响宽展的因素
(5) 轧件宽度
随着轧件宽度的增加，宽展先增加，后来趋于不变。
b0 h0 l0

h1
b1

l1
咬入角 α
轧件开始进入轧辊时，轧件与轧辊的最先接触
h R R cos 2
点和轧辊中心的连线与两轧辊中心连线所构成的 圆心角，称为咬入角。稳定轧制时，咬入角即为 轧件与轧辊相接触的圆弧所对应的圆心角。
h 2R1 cos
1 cos h
h1
b1 db b ln b0 b b0
b1
l1 dl l ln l0 l l0
l1

h 1 h0 b1 b0 l1 l0

通常将相对压下量（工程应变）称为压下率，记为ε。
1.5 轧制变形速度
N x Tx
N sin T cos


N sin f N cos tan f tan
Nx
N
Tx
T

稳定轧制条件
咬入过程中，
N x Tx
N sin T cos


N sin f N cos tan f tan
Nx
Tx
若压下量不变而增加压下率（减小h0和h1），则宽展的 增加要慢一些，因为变形区长度不变。
h / h0
h , mm
(a) 当Δh、h0、h1为常数，低碳钢，轧制温度为900º C和轧制速度为1.1 m/s时， Δb与r的关系； (b) 当h0、h1为常数，低碳钢，轧制温度为900º C和轧制速度为1.1 m/s时， Δb与Δh的关系。
2R
sin

2

sin

2

1 h 2 R
1 (1 cos ) 2
sin

2


2
h R
变形区长度 l
轧件与轧辊之接触弧的水平投影长度，称为变形区长度。
h 2 ) 2
l 2 R 2 (R
h 2 l Rh 4
l Rh
1.3 体积不变条件
对于消除了铸态组织的已变形金属，塑性加工时金属的密
咬入角 ，º 27～34 22～24 15～24 5～6
在表面光滑带润滑的轧辊上冷轧
3～4
改善咬入条件的途径
满足咬入条件，是顺利实现轧制过程的基本保证，而改 善咬入条件，是增加压下量、提高生产率的有力措施。 发挥稳定轧制阶段咬入潜力
（1）小头进钢
（2）带钢压下 （3）强迫喂钢 提高β角 （1）改变轧件或轧辊的表面状态
根据侧面凸出程度的不同系数a可取1/2～2/3。
3. 3 影响宽展的因素
(1) 压下
压下是形成宽展与延伸的原因，压下量增加，高向压下
来的金属体积增加增加，所以宽展增加；同时，随着压下
量增加，变形区长度增加，使纵向塑性流动阻力增加，根 据最小阻力定律，金属沿横向运动的趋势增大，因而使宽
展增加。此时压下率也增加。
（2）合理调节轧制速度
1.7 最小阻力定律
如果变形体各质点有向各个方向移动的可能，则变形体的 每个质点将朝阻力最小的方向移动。
中性角
中性面
1.8 工具形状对变形的影响
由于轧辊呈圆柱状，会造成金属在宽度和长度方向的流动 阻力不同，金属横向流动的阻力是平行于辊面且与流动方 向相反的摩擦力，而纵向流动阻力是摩擦力的水平分量与
b0 h0 l0

h1
b1

l1
在轧制过程中，轧辊对轧件的作用力要同时产生两 个效果：将轧件拖入辊缝同时使之产生塑性变形。 在满足屈服条件的前提下，轧制过程能否开始取决 于轧辊是否能将轧件拖入辊缝。
在轧制过程中，轧件高度减小。轧件在高度方向减 少的体积，要转移到轧件的宽度和长度方向，这一 变形过程不仅决定了轧制后的轧件尺寸，而且也影 响到轧件进出轧辊的速度。