钢的金属加热温度及热应力的研究

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1、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

2、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

3、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：（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：（3）将上述二式与前述的合并处理，可

4、求出形成裂纹的条件为：（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2Gγ，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、、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：（5）亦即形成裂纹时所需的拉应力与晶粒直径成反比。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

5、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L0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：（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

6、γp表示二者之和的有效比表面能，则上式应为：（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：（8）式中，C0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

7、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

8、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