雙輥薄帶鑄軋斜向裂紋形成機理

李學通,呂 征,張凱帥,李耀琛

河北工程大學機械與裝備工程學院,河北 邯鄲 056038

0 引言

雙輥薄帶鑄軋(TRC)工藝使用一對相對旋轉的鑄輥作為結晶器,短時間內將液態金屬凝固并軋制成金屬薄帶。但這一過程不夠穩定,會出現裂紋、偏析和組織結構不均等缺陷。其中,裂紋對帶材的力學性能影響最為嚴重,引發裂紋的因素較多,例如材質的化學構造、過度的熱壓、顆粒間的位移累積,還有其他一些復雜且不穩定的因素[1],為此眾多研究者對鑄軋板帶裂紋形成機理展開了大量研究。

Hidero et al.[2]通過研究發現,提升鑄造和冷卻的速度,可顯著降低生產帶材時產生的裂紋。但Toshio et al.[3]認為,裂縫的起始點通常位于薄膜表層的晶界處,且會向外延伸。因此,快速冷卻的微型晶?？赡軙α鸭y的生長產生積極影響。Kim et al.[4]認為熔池半固態區的導熱性能較差,導致帶坯中心區導熱降低,薄帶會形成夾層裂紋,并指出應增大軋制力促使半固態區上移,抑制裂紋產生。Hu et al.[5]采用雙輥鑄軋工藝制備高硅鋼,發現帶鋼表面的縱向和斜向裂紋遠比橫向裂紋多,且橫縱向裂紋均出現了晶界擴展和穿晶斷裂,這與上述學者的結論并不一致。此外,Hu et al.[5]指出鑄軋過程中傳熱不均勻是導致鑄軋帶表面裂紋形成的主要因素。綜上所述,鑄軋薄帶裂紋是個十分復雜的問題。

目前,對于鑄軋薄帶開裂原理的探究還不夠深入,研究人員對于鑄軋板開裂原理的理解仍然停留在假設和推測階段,并未提出實質性的解決方案。在實際的鑄軋過程中,鑄軋裂紋往往呈現出斜裂紋的形態,這使得在二維平面場上解決裂紋的生成和擴展問題變得困難。本文以三維視角為基礎,依據熔池溫度場、板帶形變以及開裂理論,通過試驗和數學模型探討斜向裂紋的形成原因。

1 鑄軋板帶裂紋的開裂機理

鑄軋帶坯裂紋缺陷如圖1所示。從圖1(a)可見,鑄軋板帶表面呈現各種斜向裂紋,這些裂紋可能是有規律的分布,也可能是完全連續的,從而構建出一條裂紋帶,如圖1(b)所示。板坯的表面幾乎是裂紋的開口,且他們之間有著明顯的夾角,這種傾斜的裂縫的數量十分多,特別是在帶有坯體的邊緣和流動性差的地方。

圖1 鑄軋帶坯裂紋缺陷

進一步分析裂紋成因,經過對裂紋觀察,得到斷口處有氧化層產生,表明該裂紋是在高溫條件下軋制凝固的過程中產生的。當材料在高溫脆性階段或強烈的冷卻過程中,應力會聚焦在鑄造結構缺陷的區域,從而產生裂紋。但不同的是,裂紋的斷面變形塑痕呈現出鮮明的方向性,并且在裂紋的邊緣可清晰見到物質的流向線,該線條與裂紋的開裂方向保持一致,表明該處的裂紋是由剪切力引起的。當金屬板接觸到與裂紋表面垂直的剪切力,裂紋在面上不停地浮動并擴張,從而產生周期性或者穿透性的裂紋,該狀況稱之為滑移裂紋。這種裂紋通常是在強剪切力作用下產生滑移帶,當剪切力突破金屬材料的塑性極限,在滑移帶上,起初會出現大量的微小裂紋,而后隨著剪切力度持續提升,這些微裂紋會不斷擴大,甚至彼此連接,最終形成完全貫穿的裂紋。

在金屬凝固過程中一般不會產生斜向的滑移帶,這些斜向裂紋只能在軋制變形時所產生。經分析,在二維平面場中,Kiss點在凝固界面的表現較為清晰平穩;然而,在三維空間場中,由于熔池各部分的流量存在差異,受熔池形態影響,在凝固的最后階段獲取平穩的Kiss線是十分困難的。如圖2(a)所示,板帶熔池Kiss點位置并不穩定,Kiss點在換熱較強或者流量較小的區域位置較高(例如A點),反之則位置較低(例如B點)。軋制區各域的相對壓下ΔhN如下。

(a)熔池Kiss曲線示意圖 (b)材料流變圖 (c)鑄軋開裂示意圖

(1)

式中：R為結晶輥半徑;lN為Kiss點高度。

由此可知,在結晶輥尺寸固定的情況下,鑄軋區的相對變形量只取決于Kiss點的高度lN。

以此,本文提出了鑄軋板帶裂紋開裂機理,如果Kiss曲線的位置在特定位置上升,那么輥縫的出口寬度保持不變,Kiss點的位置上升將引發軋制的變形量上升,而Kiss點位置偏低的地方,其軋制的變形量則相對減少。所以軋制區會產生非協調變形,變形量大的厚區材料橫向流動并擠壓周邊薄區材料,形成復雜剪切帶,如圖2(b)所示;簡單來說鑄軋形變模型可簡化為厚度不均的板帶軋制模型,如圖2(c)所示,在厚區與薄區過渡區域的流變界面十分容易產生應力集中,滑移帶會產生較多的細小微裂紋,在剪切力的持續提升下,微小的裂紋不斷向外延伸,彼此連接,最終產生斜向裂紋。不均勻的變形量以及變形的動力均將推動滑動裂紋的發展。裂紋的發展也將消耗原本由于坯體變形所蓄積的動力,一旦這2個因素達成均衡,裂紋就會停止擴展。而在軋制過程中,不均衡的形狀以及其所釋放的能量不斷重復堆積,一旦出現新的裂痕,滑移面就會發生破損。因此,試樣的斜向裂痕是有規律的,在極端情況下甚至發生徹底貫穿。

需要指出的是,在側封區域,由于熔池內部流量相對較少,同時側封板的隔熱性能不夠完全,這就導致了熔池的邊緣溫度較低,從而使其Kiss點的位置偏髙,相對壓下量較大,且在鑄軋過程中側封摩擦的影響,帶坯邊部已存在潛在裂紋,因此鑄軋帶坯的邊部區開裂最為明顯如圖1(b)所示。由于高Kiss點區材料在變形過程中的壓縮比和延展性要高于其他區域,該變形持續累積,還會使薄區材料在軋制方向上產生較大的拉應力,嚴重時還會產生拉伸裂紋。

此外,正常鑄軋過程,大多數的金屬在液體剛凝固時的主要結構為髙溫固溶體。髙溫固溶體滑移性不佳且并不穩定,容易隨著溫度的變化而轉化,加劇了工藝的復雜性。Kiss曲線的不平衡性也可能導致各部位的壓力和熱交換模式的差異,從而對帶坯的品質產生負面效果,引發帶坯的結構失衡。因此,在軋制過程中,材料的不平衡變化,是導致斜向裂紋的關鍵因素。

2 鑄軋裂紋數學模型

2.1 彈粘塑性材料本構方程

為驗證上述理論,構造了鑄軋裂紋的數學模型,并確定在高溫液體中,金屬的形成過程會變得更加復雜,且其溫度會稍微偏離固相線,這也意味著該物質的強度會降低,主要呈現彈粘塑性,彈粘塑性材料本構方程如下。

(2)

(3)

式中：R0為塑性區尺寸,η0為材料的臨界粘塑性因子。

2.2 裂紋萌生理論

雙輥薄帶連鑄技術的冷卻速率屬于亞快速冷卻,液態金屬可能無法及時填充凝固缺陷便已凝固,因而鑄態組織相對缺陷較多,由于分子間的位置差異較大,導致裂縫的產生存在某種程度的不確定性,然而,這些裂縫的形成主要發生在厚度和輕量級之間的過渡部分。主要的原因在于,軋制過程中厚薄過渡區的材料不僅會發生縱向的變形,還會產生較大的橫向移動,使它們的相對位移量超過了其他區域。但固態材料本身的塑性有限,在過渡區易發生非協調變形,則公式如下。

(4)

應力-應變的關系滿足下式。

σij=λδijεkk+2μεij

(5)

式中：λ、μ為lame常數,由此可知應變增大促使薄厚過渡區應力增加,當其超過某一極限值時,就會產生裂紋源。此外,由于鑄態組織本身缺陷較多,滑移系的缺陷點均容易成為裂紋源。

3 軋制裂紋試驗與數學模型結果分析

3.1 試驗準備與建立模型

Kiss曲線分布不均造成熔池各區域變形量不協調,非協調變形致使鑄軋帶坯產生斜向裂紋。為了證實本文所提出的斜裂紋開裂機制理論,試驗中使用圖2(c)軋制模型進行研究,利用厚度不均的鑄態鋁合金板進行軋制試驗,具體試驗參數見表1。

表1 軋制裂紋試驗參數

為進一步研究鑄軋裂紋,本文建立了與試驗條件相應的等比例數學模型(見圖3),并在模型厚薄過渡區等關鍵位置進行網格加密處理。針對軋制區開裂的準靜態問題,采用了顯式算法進行求解,分析殘余應力分布,推導裂紋的開裂趨勢和變化。

圖3 數值仿真的網絡模型

3.2 試驗結果與分析

軋制薄板試驗如圖4所示,試驗結果顯示,軋制后的金屬板從原本的矩形形狀轉變為長多邊形,且厚度區域的擴展變形十分顯著,并有明顯寬展趨勢。而薄區的相對壓下量較小,薄區與厚區變形嚴重不匹配,薄區材料受到拉伸作用,由邊部缺陷開裂向中心延伸,但該類拉伸裂紋通常只存在于低Kiss點區,延展至厚區附近停止,這是由于裂紋釋放了非協調變形產生的拉應力,而在厚區非協調變形不再明顯,拉伸應力減小,裂紋難以繼續擴展,這與本文提出的理論相符。

圖4 試驗軋制薄板

此外,由圖4可知,金屬板厚區兩翼過渡位置從宏觀上顯現出了顯著的斜向裂紋,這些裂紋呈現出周期性或完全貫穿的特征,數學模型結果與試驗結果基本相符(見圖5)。當厚度不均的材料進入變形區時,軋制引起的不均勻變形擠壓材料橫向流動,壓力較高的地方,材料只能在滑動系統中進行單向運動,并在帶坯厚區兩翼堆積,該區應力強度因子(KⅡ)迅速增加,當超出材料的極限值(Kc),滑動表面會產生頸縮現象,并在接下來的剪切變形過程中加快破裂產生裂紋,并進一步擴大。當剪切裂紋產生后,變形區的應力釋放,應力強度因子減小,當KⅡ小于Kc時,裂紋停止擴展,并移出變形區,與此同時,新進入變形區的材料非協調變形勢能會重新累積,直到KⅡ大于Kc產生新的裂紋,如此往復,帶坯出現波浪形狀的剪切應力,并在厚區兩翼成V形分布,因而試驗帶坯的斜裂紋可能為周期性分布的。且剪切應力過大時,裂紋擴展可能會貫穿已產生的裂紋,形成貫穿型長裂紋(見圖4)。

圖5 試驗與仿真結果

此外,鑄軋裂紋的產生是多因素的,而變形量增大還會反作用影響Kiss點位置,Kiss點位置的提升將導致變形范圍擴大,接觸壓力上升,從而提高了界面的熱交換能力,最終導致Kiss曲線的進一步上升。一旦Kiss曲線在鑄軋過程中出現不穩定狀況,帶坯將會產生大量的裂痕,這將直接對鑄軋工藝的穩定性和連續性產生影響。由此可知,裂紋的產生與熔池的布流情況息息相關,通過帶坯的裂紋也可反映出熔池布流狀況的優劣。

軋制的速度可能導致帶坯各部分應力分布不平衡,特別在受到較高壓力的部分,可能出現物質堆積的情況。材料的塑性特征在高應變速率下會受到影響,軋制速度的增加將導致應力更加集中,從而使裂紋的擴展趨勢更加明顯。試驗結果表明,溫度場分布、鑄軋速度、壓下量等因素均與斜向裂紋的形態和分布有關,而其影響規律還需要進一步探究。

4 解決方案及試驗驗證

4.1 抑制斜向裂紋產生的解決方案

通過前文對雙輥薄帶鑄軋板帶斜向裂紋形成機理的研究,總結其本質原因為鑄軋過程中Kiss線不平穩,導致熔池中凝固坯殼嚙合形成的初級板坯出現明顯薄厚不均的現象,經由兩側結晶輥的軋制作用,對板坯產生一定的軋制變形量,進而在薄厚過渡區的流變界面產生應力集中,最終形成多個微小裂紋,并隨軋制過程中所產生的剪切力提升而不斷向外擴展,成為斜向裂紋。

為抑制雙輥薄帶鑄軋過程中斜向裂紋的產生,可從鑄軋工藝和試驗設備的優化2個方面考慮。

1)通過提高金屬液的澆鑄溫度并降低鑄軋速度,可有效地降低材料的粘度,使金屬液在熔池中表現得更加活躍。這樣一來,在產生厚薄差異時,金屬液可為薄區材料提供更多的反應時間,從而有效抑制厚薄過渡區的形成。同時,通過調整鑄軋工藝并采取相應的配合措施,內部熔池溫度場發生變化,導致Kiss線整體高度下降。這種改變還會減小鑄軋過程中的壓下量,具體的鑄軋參數如表2所示。

表2 試驗主要鑄軋參數

2)針對試驗設備優化方面,主要將布流器高度降低,使熔池縮小,并使布流器兩側與結晶輥相切,減少澆鑄對熔池內部的沖擊影響。同時兩側采用硅酸鋁板做側封板,在阻止金屬液外溢的同時確保隔熱性能。鑄軋過程中需要控制兩結晶輥之間的平行度。

4.2 試驗驗證

參照4.1節方案,對鋁合金材料進行了雙輥薄帶鑄軋試驗,驗證抑制斜向裂紋方案的可行性。圖6為改進后雙輥鑄軋板帶的表面宏觀特征。由圖6可知,板帶整體表面平整,未見宏微觀斜向裂紋出現,板帶兩側無周期性摩擦所致的周期性裂紋。由此可得,抑制雙輥薄帶鑄軋工藝的斜向裂紋產生,需要綜合考量鑄軋過程中熔池溫度場、鑄軋速度、鑄軋過程中結晶輥對板帶的壓下量以及熔池布流和側封裝置的選材與設計。

圖6 板帶表面宏觀特征

5 結論

1)Kiss曲線的不穩定性可能導致各區域的壓力下降量和換熱模式的差異,這將對帶坯的品質產生影響,可能引發帶坯的組織不均勻、裂紋甚至報廢。在鑄造過程中,需要精確調整Kiss曲線的位置以保證與輥縫平行,同時,在鑄造過程中應避免使用過高的軋制速度和過大的軋制力。

2)在帶坯穿過輥縫的過程中,由于各區域的形狀不均勻,壓力較大的區域周圍會出現材料堆積,而單向的持續滑動會導致該區域的應力集中,如果超過了鑄造物質的塑性極限,滑動區域會顯露較多微裂紋源。隨著剪切力的持續提升,這些微裂紋會不斷擴大彼此連接,最終構建起完全貫穿的裂紋區域,進一步引發斜向裂紋。

3)通過提高鑄軋過程中的初始澆鑄溫度和降低鑄軋速度來改變熔池內部溫度場的分布,間接降低鑄軋板帶過程中的壓下量,保證Kiss線始終處于同一水平線上,抑制鑄軋板帶出現薄厚不均的現象,杜絕斜向裂紋的產生。同時改變雙輥薄帶鑄軋過程中布流情況以及側縫保溫裝置,對抑制裂紋的產生和維持熔池內部溫度場有積極影響。