热轧金属塑性变形阻力研究

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1983.01.010 北京钢铁学院学报 1983年第1期 热轧金属塑性变形阻力研究· 北京钢铁学院管克智周纪华 鞍钢自动化所朱其圣 鞍钢钢研所 孙世辉 摘 要 采用凸轮式形变试验机，压缩端面带凹槽并在凹槽里充满不同熔点温度的玻璃粉 作润滑剂的圆柱形试件。为保证试验过程中整个试件温度的均匀和衡定，采用了试 件保温装置。在变形温度为850°1100°C、变形速度为5一80秒1、变形程度 (e=1,片)最大为2的条件下，实验研究了1Cr18N9T1等十个钢种在高温高速 条件下的变形阻力。 文中叙述了金属塑性变形阻力的试验方法，分析了变形温度、变形速度、变形程度、 等诸因素对变形阻力的影响规律，通过对实验数据的回归分析一非线性回归，提 出在计算机控制的设定模型以及工程计算中可优先采用的变形阻力计算公式和查 用图表。 其表达式为： 。=Exr(4+U)(0.〔U,()°-U,-D4) 式中：T-803 U,~U。为系数，其值与钢种有关。 世界各国对金属塑性变形阻力的研究已有七、八十年历史了，在研究中已经取得了许多 有益的成果，为金属压力加工设备设计、设备挖潜、工艺规程合理制订提供了一批有用的参 考数据。在计算机控制的轧钢生产中，变形阻力模型是轧制力模型的重要组成部分。 在我国，对热轧变形阻力的研究工作开展得相当晚，研究成果更远远满足不了设计部 门、生产部门的要求。目前技术部门所采用的数据大多来自国外文献。由于各国实验设 备、实验方法、实验技术等差别，导致了实验数据有相当大的差别。更为突出的矛盾是各 国矿藏资源的差别，使炼得的钢中化学成分不能完金一样。因此，必需结合我国钢种开展 对变形阻力的研究。 一九八一年北京钢铁学院和鞍钢自动化所共同在北京钢院怡金机械实验室的凸轮形变 机上，进行了高速高温下变形阻力的实验研究，完成了1C18Ni9Ti,30MnSi,16Mn,08Al, ·鞍铜钢研所陈振涛同志参加了部分试验工作。鞍钢自动化所张宝田同志多抑丁试验工作。 123

北 京 铆 铁 学 院 学 报 年 第 翔 热轧金属塑性变形阻力研究 ’ 北 京钢铁 学院 管克 智 周 纪 华 鞍 钢 自动化 所 朱其 圣 鞍 钢 钢 研 所 孙 世辉 摘 要 采用 凸轮式形 变试验机 ， 压 缩端面带 凹槽并在 凹 槽里充满不 同熔点温度的玻璃粉 作 润滑 剂的圆 柱形试件 。 为保证 试验过 程 中整 个试件温度的均匀和衡定 ， 采 用 了试 件保温 装置 。 在 变形温度为 。 、 变形 速 度 为 一 秒 一 ‘ 、 变 形 程 度 月 二 、 ， 二 ， ， 二 一 、 ‘ ’ ， 兮 最大 为 “ 的条件下 ， 实验研究了 “ ‘ 等十个钢种在高温 高速 条件下 的变形阻 力 。 文 中叙述了金属塑性变形 阻力的试验方法 ， 分 析了 变形温度 、 变形速度 、 变形程度 、 等诸因素对 变形阻力的 影 响规律 ， 通过对实验 数据的 回归分析— 非线性 回归 ， 提 出在计算机控制 的设定模型 以及 工程计算中可 优先采 用的变形阻力计算公式和查 用 图表 。 其表 达式 为 夸 · 希 “ ” ‘ ” ‘ · 〔 。 六 ” ’ 一 一 六〕 式中 。 为系 数 ， 其值与钢种有关 。 世界各 国对金 属塑 性变形阻力的研究 已有七 、 八十年 厉史了 ，在研究中已经取得 了许 多 有益的成果 ， 为金 属压力加工设备设计 、 设备挖潜 、 工艺 规程合理制订提供了一批有用的参 考数据 。 在计算机控制 的 轧钢生产中 ， 变形阻 力模型是 轧制 力模型 的重 要组成部 分 。 在我国 ， 对热 轧变形阻力的研究工作开展得 相 当晚 ， 研究成果更远远满足 不了设计部 「〕 、 生产部门 的要求 。 目前技术部门所采用 的 数据大 多来 自国外文 献 。 由于各 国 实 验 设 备 、 实验方法 、 实验技术 等差别 ， 导致 了 实验 数据有相 当大的 差别 。 更为突 出的 矛盾是各 国矿藏资源的 差别 ， 使炼得 的钢 中化学成 分不能完全一样 。 因此 ， 必需结合我国钢种开展 对变形阻力的研究 。 一九 八一年北京钢铁学 院和鞍钢 自动化所共同在北 京钢 院冶金机械实验室 的 凸轮 形变 机上 ， 进 行了 高速高温下 变形阻力的实验研究 ， 完成 ， ， ， ， ， 鞍 俐俐研所 陈 振 涛 同 志参 加 了部分 试 脸工作 ， 鞍 铜 自动化所 张宝 田 同志参加了试 脸工作 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001—053x．1983．01．010

20MnSi,A,、B,F、B,F,10和15Ti等十个钢种的实验研究。取得了预期的效果，为进一步研 究鞍钢1700半连轧的现有规程提供了具有参考价值的数据。 一、金属塑性变形阻力的实验方法 1.实验设备：凸轮式高速形变试验机详见图1。 图1凸轮式高速形变试脸机 图中，1.直流电机，2，飞轮，3.离合器把手，4.上横梁，5.平台，6.光，7，光电脉冲发生疆18.套 简，9.拨杆，10.杠杆，11.电磁使，12.压下螺丝，13，楔块，14.压力传感器，15.整板，16.保温装 置117.工作平台，18.挂塞)19.液子；20.凸轮块，21.弹货，22村套，23.主轴。 该试验机具有以下特点： (1)在变形程度e=0~69%的范围内，能保持“等变形速度”， (2)变形速度u能在3.5~80秒~1范围内任意调节， (3)能承受15吨载荷，并具有较大的刚度； (4)在低速压缩时速降小于3%。 压力的测量采用设置在上工作台上的轮辐式弹性元件14，该压力传感器具有较高抗偏 心和歪斜的能力，精度可达0.5%，转速的测量用与凸轮轴相连的光电脉冲发生器7，精度 达0.5%，试件放在保温装置中在K0-11型电炉中一起加热，压缩时试件仍和保温装置16一 起放在工作台上，其炉温采用可控硅过零触发温度调节器来控制，实验范围内能保持炉温 波动量不大于±1°C。 凸轮式形变机的凸轮曲线按保证整个压缩过程皆为等变形速度来设计。 u=品=妆 (1) 积分得 △h=H,(1-e-t) (2) 变换成凸轮转角后得 △h,=H。(1-e) (3) 式中： p一凸轮曲线工作段总角度， H。一试件原始高度， 124

， 。 、 万 、 ，它 ， 和 等十个钢种的实验研究 。 取得了 预期的效果 ， 为进一步研 究 鞍钢 。 。 半连 轧的现有规程提供了具有参考价值的 数据 。 金属塑性变形阻力的实验方法 实验设备 凸轮式 高速形变试验机 详见 图 。 口一 卜 ‘片 二月 书 卜 ’ ‘ ，厂 颤 〕 「 「 一 卜一 匕卫 了 卜 卜 住二川 〔 」』 记抓月 困 凸 轮 式商邃 形交试 脸机 图 中 ， 直 流 电机， 。 飞轮 ， 。 离合 器 把手 ‘ 上 橄莱， 。 平 台， 。 光娜 ， 。 光 电脉 冲发生 器 ， 。 套 筒 ， 。 援杆 ， 。 杠杆， 。 电滋铁， 。 压 下 姗 丝， 。 棋块， 。 压 力传 感器 ， 。 垫 板 ， 。 保温 装 工， 工作平 台一 。 住塞， ， 。 滚子 ， 。 凸轮块， 。 弹挤， 衬套 ， 。 主 轴 该试验机具有以下特点 在 变形程度 。 的范围 内 ， 能保持 “ 等变形速度 ” 变形速度 能在 。 秒 一 ’ 范围 内任意调 节， 能承受 吨载荷 ， 并具有较大的 刚度 在低速压缩时速降小于 。 压力的测量采用设置在上工作 台上的轮辐式弹性元件 ， 该压力传感器具有较 高抗偏 心和歪斜的能力 ， 精度可 达。 ， 转速的测量用 与凸轮轴相连的 光电脉冲发生器 ， 精度 达 ， 试件放在保温装置 中在 一 剪电炉 中一起 加热 ， 压缩 时试件仍 和保温装 置 一 起放在 工 作台上 ， 其护温采 用可控硅过零触发温度调 节器来控制 ， 实验范围 内能 保持炉温 波动量不大于 士 。 凸轮 式形变机的凸轮 曲线按保证整个压缩过程 皆为等变形速度 来设计 。 — ﹃冬‘ ，上 一 一 积 分得 变换成凸轮转角后得 △ 。 一 一 ’ △ 一 式 中 甲— 凸轮曲线工作段总角度， 。 — 试件原 始高度

△h一一试件绝对压下量， 。一试件变形速度，。一变形程度e=, t一试件变形时间。 用公式(3)计算所得到的凸轮曲线(H。=15毫米，△h=7.5毫米，p=18°)如图2所 示，工作段之前(AC段)为圆滑过渡曲线。 2.实验方法 全部试验采用端面上带凹槽，并在凹槽里充满不同润滑剂的压缩试件，试件形状见图3 18 2 12 2 04 R0.2 R130t: R132±0.015 中12±0.01 图2凸轮曲线 图3试件形状 试验范围： (1)试验钢种，十种，其化学成份见表1 寝1 各钢种的化学成份 化学成份% C Si Ma P Al Cr Ni TI Cu B2F 0.11 0.03 0.36 0.009 0.015 B3F 0,15 ≤0.03 0.43 0.017 0.022 As 0.12 0.22 0.47 0.012 0,024 08AI 0.08 ≤0,03 0.44 0,008 0.020 0.056 10° 0.09 0.29 0.51 0.008 0.020 16Ma 0.18 0.38 1.44 0.023 0.024 15Ti 0,16 0.42 0.55 0.013 0.018 0.21 种 20MaSI 0.19 0.62 1.43 0.012 0.021 30CrMaSiA 0.33 1.06 1,05 0.013 0.021 0,93 1,01 1Cr18NigTi 0.11 0.50 1.49 0.023 0.010 17.8 8.40 0.43 0.06 125

△五— 试件绝对压下量， — 试件变形速度， — 变形程度 。 — 试件变形时间 。 用 公式 计算所得到的凸 轮 曲线 。 毫米 ， △ 毫米 ， 甲 。 如圈 听 示 ， 工作段之前 段 为圆 滑过 渡 曲线 。 。 实验方法 全 部试验采 用端面 上带 凹 槽 ， 并在 凹槽 里充满不 同润 滑剂的 压缩试件 。 试件形状见图 州娇钊‘岩 上上 工二 狱 上 几 ‘ ， ， 、 〕 一 〕 二工 函 二 … 一 「刀 解 厂 型 一一 二 一 州洲 夕 矛舞分勺亦门 乏 找 户瓜 犷 。 。 厂 ‘ 一 ，一” 一 ‘ 减 产 一 子 一 图 试验范围 试验钢种 ， 农 凸 轮 曲线 图 试 件形状 十种 ， 其化 学成 份见表 ， 各 钢 种 的 化 学 成 份 。 ‘ 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 一 。 。 。 一 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 一 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 一。 。 。 王 口 。 。 。 吞

(2)变形温度为850C,900C,950°C,1000°℃，1050°℃，1100C, (3)变形速度为5~80秒-1， (4)变形程度最大达e=1n2。 ：试验表明了端面上带有凹槽，并在凹槽里填满合适的润滑剂时，能使工具与试件接触 面上廉擦力大为减小，因而在压缩时能获得足够近似的单向应力状态。 图4A为试件凹槽内充满玻璃粉的润滑剂，即使在变形程度达=69%时，试件在外形 上仍保特圆柱形。图4B表示了一般圆柱形试件，端面上不加润滑剂时，则由于端面上摩擦 的存在，使试件产生不均匀变形，导致试件产生严重的鼓形。 3,变形时参数的测量和控制 正确地控制变形条件并精确测量和记录有关变量的参数值是变形阻力实验研究中极为 重要的一环。其主要参数为变形温度，变形速度、变形程度和变形时的总压力等。 (1)总压力测量，来自传感器信号经动态应变仪放大，由光学示波器记录变形过程的 压力。 (2)试件原始高度的确定 由于试件的两个端面上带有凹槽，如图5所示，根据压缩前后，试件实际状况，经过 统计计算得到试件原始高度合理计算值为： 图4 图5试件原始高度的确定 H。=H'+0.18 (3)试件加热 试件放在保温盒中放在电炉内加热，经保温25分钟后，连同保温装置一起取出放到实 验台上进行压缩试验。经辅助试验证明，保温装置出加热炉后，在20秒内保温盒中试件没 有显示出温降，而实际试验时从出炉到压缩试件结束不超过6秒钟。 (4)试件的变形速度确定 实现一定变形速度所需电机转速可用公式(4)计算得到。 n=- uo (4) h 式中，.u一给定的变形速度影 p一凸轮的工作角度。 但由于试验时每个试件的压力不同（温度、速度不同），在设备弹跳影响下，将使压 缩后高度有所差异，因此每块试件的实际变形速度应由实际变形时间和实际变形程度©计 算得到： 126

变形温度 为 ， 变形速度为 秒 一 ’ ， 变形程度最大 达 。 试验表明了端面上带有凹槽 ， 一 “ ， “ ， ， “ 并在凹槽里填满合适的 润滑剂时 ， 能使工具与试件接触 面上摩擦力大为减小 ， 因而在压缩时能获得足够近似的 单向应力状态 。 图 为试件凹槽 内充满玻璃粉的润 滑剂 ， 即使在 变形程度达 时 ， 试件在外 形 上仍保持圆柱形 。 图 表示了一般圆柱形试件 ， 端面上不加润 滑剂时 ， 则 由于端面上摩擦 的 存在 ， 使试件产生不均匀变形 ， 导致试件产生严 重的鼓形 。 变形时参数的 测 和控制 正确地控制 变形 条件并精确测量和记录有关变量的参数值是变形阻力实验研究中极 为 重要的一环 。 其主 要参数 为变形温度 ， 变形速度 、 变形程度和变形时的总压力等 。 总压力测量 ， 来 自传感器信号经动态 应变仪放大 ， 由光学示波器记录 变形过程的 压力 。 试件原始高度的确定 由于试件的两个端面上 带有凹 槽 ， 如 图 所 示 ， 根据压缩前后 ， 试件实 际状况 ， 经过 统计计算得到欲件原始高度合理计算值为 扮忿 汾 「粼尸 阵丫 图 田 试 件原 始高度的确定 二 ， 。 试件加热 试件放在保温盒 中放在 电炉 内加热 ， 经保温 分钟 后 ， 连同保 温装置一起取 出放到实 验台上进行压缩试验 。 经辅助试验证明 ， 保温装置 出加热炉 后 ， 在 秒 内保温盒 中试件 没 有显示 出温降 ， 而实际试验 时从 出护到压缩试件结束不超过 秒钟 。 试件的 变形速度确定 实现一定变形速度所 需 电机转速可用公式 计算得到 。 。 口 ’ 下 式 中 ， 卜 — 给定的变形速度， 甲— 凸轮的工作角度 。 但 由于试验 时每个试件的压力不 同 温度 、 速度不 同 ， 在设备弹跳影响下 ， 将 使 压 缩后高度有所差异 ， 因此每块试件的实 际变形速度应由实 际变形 时间和实际变殆程 ’度 。 计 算得到

lnH。 In Ho h h u=t=0.001×m (5) 式中： m一一示波照相图上得到的脉冲个数，一个脉冲为一毫秒， t一变形时间。 (5)变形过程中试件变形量的确定 从图6、7的示波照相曲线可以看到，实测正力是连续变化的，要计算出相应点的变形 阻力，还必须有各压力点所对应的试件变形量。因此变形量的确定采用直接标定出凸轮转 角与从动杆升程的关系，并考虑到设备弹跳影响推算出试件的压下量，从而算出变形程度 和变形阻力。 图6示波飘相曲线 AAAAAAAAA4A合A044公9 图了示波服相脚线 二、变形阻力实验结果及其分析 到目前为止，各国发表的变形阻力数据，大多采用图表形式给出，即每种钢给出变形 阻力和变形速度、温度、程度的关系图或表格，在计算机控制轧钢生产发展以后，开始采 用公式化形式给出。 1,为了使用方便和提高计算精度，并考虑到计算机控制数学模型的需要，目前很多学 者都以公式化形式给出。 经对大量实验数据分析表明变形温度、速度、程度对变形阻力的影响，用下述结构形 式较好地反应其影响规律。 g=ExP(*+）小(8）》+·〔(0a)-a,-Dog) (6) 式中： T=t+273 1000 t一加热温度C; u—一变形速度秒1， 一变形程度，e=ln。 u1,u2,u3,u4yuB,ug一为系数。 变形温度对变形阻力的影响为对数关系，变形速度对变形阻力的影响为双对数关系， 变形程度对变形阻力的影响近似为幂函数关系。 公式(6)中的常数10是考虑变形速度u。的基数为10秒~，而公式中的常数0.4是考虑 127

卫上 一 丝上 一 二 一 一 。 又 式 中 — 示波照相 图上得到 的脉冲个数 ， 一 个脉冲为一毫秒， — 变形时’ 。 变形过 程 中试件变形量的 确定 从图 、 的示波照相 曲线可 以看 到 ， 实测 压力是 连续变化的 ， 要计算 出相五达点的 变形 阻力 ， 还必须有各压 力点所对应的 试件 变形最 。 因此变形 量 的 确 定采用 直接标定 出凸轮转 角与 从 动杆 升程的关 系 ， 并考虑到设备弹跳 影 响推算 出试 件的 压 下量 ， 从而算出变形程度 和变形阻 力 。 几 肠 点 … 声 八 八 几 诵 丹 月 内 八 八凡氏 图 示 波 照 相 巾线 图 了 示 波 照 相 曲线 二 、 变形 阻力实验结果及其分析 到 目前 为止 ， 各国 发表的 变形咀力数 据 ， 大 多采 用 图表形式给 出 ， 即每种钢给 出变形 阻力和变形速度 、 温度 、 程度的关系图或表格 ， 在 计算机控制轧钢生产发展 以后 ， 开始采 用 公式化形 式给 出 。 为了 使用方 便和 提高计算精度 ， 并考 虑到 计算机控制数学模型 的需 要 ， 目前很 多学 者都 以公 式 化 形 式给 出 。 经对 大 量 实验 数 据分析表 明 变形 温度 、 速度 、 程度对变形阻力的影响 ， 用下述 结构形 式较好地 反应 其影 响规律 。 。 午 · · 命 ” “ ‘ · 〔 · 。 六 “ 一 · 。 一 ‘， 二一 、户尸 式 中 止碳淤 ， — 加热温度 “ ， 。 — 变形速度秒 一 ‘ ， — 变形程度 ， ， 呈 一一‘ ‘ 一 ‘ ， ， 。 ， 。 ， “ 。 ， 。 — 为系数 。 变形温度对 变形阻力的 影 响 为对数关 系 ， 变形速度对 变形阻 力的影响 为双对数关 系 ， 变形程度对 变形阻力的 影 响近似 为幂函数关 系 。 公 式 中的常数 是考虑变形速度 。 的基数为 秒 一 ’ ， 而公式中的 常数 是考 虑