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第2l卷第3期2013年6月材料科学与工艺MATERIALSSCIENCE&TECHNOLOGYV01.21No.3Jun.,2013低合金钢热膨胀系数测定和分析”操龙飞1,徐光1一,邓’鹏1。,吴”隽1,吴润1'2(1.武汉科技大学材料与冶金学院,武汉430081;2.武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室,武汉430081)摘要:按照国标对某热连轧生产线上的两种典型钢种的热膨胀系数进行实验测量,得出其线性热膨胀率、平均线膨胀系数和瞬时线膨胀系数随温度的变化曲线,对比分析了钢种的化学成分对总膨胀量的影响实质以及取样方向对膨胀系数的影响.结果表明:金属材料的化学成分主要通过影响相交点温度而影响膨胀量;取样方向不影响金属材料的膨胀系数,即膨胀系数是各向同性的.实验得到两个钢种在不同温度段的热膨胀系数值,为实际的宽度在线控制提供了依据.关键词:低合金钢;热膨胀系数;瞬时线膨胀系数;相交点;取样方向中图分类号:TGll3.22;TGlll.5文献标志码:A———文章编号:10050299(2013)03010505tMeasurementandanalysisofthermalexpansioncoeffidentsoflowalloysteelCAO’Long.feil。,XU”Guan91,DENG”Pen91,WU”Junl,WURunl,2(1.FacultyofMaterialsandMetallurgy,WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430081,China;2.KeyLaboratoryforFerrousMetallurgyandResourcesUtilizationofMinistryofEducation,WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430081,China)Abstract:Thethermalexpansioncoefficientsoftwotypicalsteelgradesonhotcontinuousrollingproductlineweremeasuredbystandardexperiments,andthecurvesoflinear,averageandinstantexpansioncoefficientsversusthetemperaturewere舀ven.Theeffectofchemicalcompositionontotalthermalexpansionandtheinfluenceofsamplingdirectiononexpansioncoefficientswereinvestigated.Theresultsshowthattheeffectofchemicalcompositiononcoefficientofthermalexpansioniscausedbythechangeofphasetransformationpoints.Thecoefficientofthermalexpansion(CTE)isnotaffectedbysamplingdirection,whichmeansthattheCTEisisotropic.TheCTEsindifferenttemperatureperiodsprovidethebasicfoundationforthe—onLinecontrolofwidthofthesesteels.Keywords:lowalloysteel;coefficientofthermalexpansion;instantlinearexpansioncoefficient;phase—transformationpoints;samplingdirection热镀锌板具有耐腐蚀、可美化产品外观、有利于后续加工、减少环境污染等优点而广泛应用于…汽车等行业.低合金结构钢中加入少量的合金元素[2J,极大地提高其使用性能,如高强度、耐磨、耐腐蚀、耐高温等,在工业生产中也有广泛应用.目前对这两个钢种热膨胀参数的研究少见报——收稿日期:20120517.基金项目:湖北省教育厅重点项目(D20121101),作者简介:操龙飞(1987一),男,硕士研究生;徐光(1961一),男,教授,博士生导师通信作者:徐光.E-mail:xuguang@wust.edu.C11.道,并且已有的相关热膨胀数据不能很好地应用于实际生产中,本文选取上述两种有代表性的热连轧产品进行热膨胀系数的测定和分析,为其宽度的在线控制提供理论依据,并对热膨胀系数的一些基本规律进行探讨.热膨胀是物体因温度改变而出现的胀缩现象,固体的热膨胀是固体中相邻原子间的平均距离随温度的升高而增大,由原子的非简谐振动引起的.目前,关于金属材料热膨胀方面的研究报道非常少,Ruffapl给出了材料热膨胀系数与原子间距及其他热力学参数之间的关系,MegawHl给出万方数据・106・材料科学与工艺第21卷了材料热膨胀系数公式,J.E.Daw等¨o测量了两种核反应堆用钢的膨胀系数,Russell等旧。对超硬耐磨A1MgBl4复合材料进行了研究,Fu等¨o采用高温热膨胀仪对Q235在室温至1℃400内的瞬时热膨胀系数进行精确测量,James等¨1对高温状态下金属及合金的热膨胀系数测定原理及测试方法进行了详细的阐述,靳星等一1通过热膨胀试验研究了AH36和Q345在室温至奥氏体温区内的线性热膨胀和平均线膨胀系数,钱宏智等¨0J对八个钢种铸态下的热膨胀特性进行了研究,张立强¨¨对GCrl5钢的瞬时线膨胀系数进行了回归分析.针对钢铁材料,由于钢种繁杂,化学成分、生产工艺等各不相同,且随着化学成分的改变其热膨胀系数变化较大¨卜"』,因此目前绝大多数钢铁企业都是先测定各具体钢种的热膨胀系数,而后将其应用于实际的生产控制中.1买验实验材料为某热连轧厂生产的两种典型产品,为了使热膨胀系数的测定具有代表性,选取两种成分不同的钢种进行测量,实验钢种A和B的成分见表1.两种钢种在热连轧生产线上都是经加热、粗轧、精轧、冷却和卷取等工艺生产的,试样取自带钢切头部沿宽度的1/4处.生产过程中加热温度为1150~1℃200,精轧的终轧温度为℃850左右,卷取温度约为600oC.钢种A是一种低碳热镀锌卷,B是一种低合金高强度结构钢.表1钢种A和B的化学成分(质量分数/%)钢种CMnSiCrTiVA0.02900.1800.0050.0150.0120.018BO.13251.456O.3580.0300.037O.043将切头处取得的试样加工成函5mmX25mm的标准热膨胀试样,在德国DIL402C热膨胀仪上进行测量.按照要求以5。C/min的加热速度将试样从室温加热到1150cC,加热之前先抽真空然后充人氩气,以防止试样在加热过程中氧化.整个过程中实时记录试样长度方向的膨胀量等参数的变化情况.2测量结果实验选用德国DIL402C热膨胀仪进行测量,△∥该仪器可直接给出线性热膨胀(厶)、平均线膨胀系数(Ot。)、瞬时线膨胀系数(Ot。)等参数随温度的变化情况.钢种A、B实测热膨胀系数和温度的关系曲线如图1和图2所示.图1钢种A的热膨胀系数与温度的关系图2钢种B的热膨胀系数与温度的关系1.61.5—141.3声童1.21岂1.11.00.91.61.5—1.42c1.3o≤‘≈l21.11.0△∥图中线性热膨胀(£。)曲线的计算公式为△L/Lo=(£。一Lo)/Lo,(1)平均线膨胀系数(Ot。)计算公式为—Ot。=(LiLo)/[Lo×—(tito)]△=(厶/厶)/At,(2)瞬时线膨胀系数(Ot。)计算公式为—Ot:=(£;一£i1)/[Li×——(titi1)].(3)式中:Lo是环境温度下t。时试样的原始长度,mm;£;、£H分别为温度t。和t㈠时试样的长度,mm;ALi是从起始温度%至所测试温度ti试样长△∥度的变化量,mm;L。常以百分率或百万分之‘“℃“几(106)表示;or。一般以10。1或10K。1为“”’℃单位;or,亦被称为热膨胀率,一般以106。1“或10K。1为单位.3结果分析和讨论3.1金相组织制备钢种A、B的金相试样,采用Zeiss—Axioplan2多功能金相显微镜进行金相观察,结果如图3所示.钢种A的金相组织为铁素体+珠光体(少量),钢种B为不规则铁素体+珠光体.掩¨H地加嘴%¨∞。o一一,rlod万方数据第3期操龙飞,等:低合金钢热膨胀系数测定和分析a)钢种Am)钢种B图3钢种A和B的金相组织3.2相变点的确定图1为钢种A的热膨胀系数与温度的关系—曲线.从图1可以看出,150710oC温度内,瞬时线膨胀系数基本保持在一个稳定的值不变,初始℃阶段从室温到150膨胀系数有较大的波动,分析是由实验误差导致的,可以认为从室温一直到℃710都没有发生相变,材料的热膨胀仅是由热℃效应引起的.在710~855温度区间,珠光体开始向奥氏体转变,因而瞬时线膨胀系数出现较大的波动,由线性热膨胀曲线可知试样尺寸继续在伸长,但是膨胀率变小了,说明这个温度段内,虽然发生了奥氏体转变,引起体积收缩,但还是以热℃膨胀为主.在855~893内,发生铁素体向奥氏体的转变,线膨胀主要是由奥氏体相变引起的,导致试样收缩,由线性热膨胀曲线可知膨胀率为负℃值.893后,奥氏体相变基本完成,一直加热到1150oC,瞬时线膨胀系数维持在另一个值,说明这个温度段内主要是奥氏体的热效应引起试样的膨胀,没有发生相变.表2给出了钢种A在加热过程中的相变情况及其线膨胀系数,其中的线膨胀系数是对不同△∥温度段内的线性热膨胀率曲线(厶一目)进行拟合得到的.由表2可知奥氏体线膨胀系数大于铁素体线膨胀系数,也就是金属的晶体结构不同,其膨胀系数亦不同.钢种B的热膨胀系数与温度的关系曲线如图2所示.由瞬时线膨胀率曲线(O/,一日)可知,从℃室温到150左右,Od,有明显波动,分析认为是℃由实验误差导致的,之后一直加热到700,O/,℃都稳定在某个数值,可认为从室温到700,没有发生相变,试样的膨胀完全是由热膨胀引起的.从700℃oC到745,瞬时线膨胀系数出现很快的下降,波动很大,发生了珠光体向奥氏体的转变,这个温度段内,虽然发生了奥氏体转变,温度升高引℃起的热膨胀占主导地位.在745~880内,Ot,又出现明显的波动,发生了铁素体向奥氏体的转变,试样在收缩,说明膨胀主要是由奥氏体相变引起的.在880~1150oC内,奥氏体转变趋于完全,随着温度的继续升高,试样的膨胀主要是由奥氏体的热膨胀导致的.钢种B在加热过程中各温度区间的相变情况及其线膨胀系数见表3.表2钢种A的线膨胀系数表3钢种B的线膨胀系数3.3钢种A和B的对比分析钢材在加热过程中,将发生膨胀,反之亦然.如果在加热过程中发生相变,则伴随相变的进行,由于各相的晶格结构不同,试样尺寸的变化取决于温度升高产生的热膨胀和相变引起的体积收缩之间的竞争.当温度引起的热膨胀效应大于相变产生的体积收缩,试样将膨胀,反之试样将收缩.对于具体某个钢种(以钢种B为例),由表3可知,在加热过程的不同温度区间,线膨胀系数是不一样的.在相变前,由于不存在组织变化,体积膨胀主要是热膨胀造成的;在相变期间,相变产生组织的变化,而不同组织的比容是不一样的,因而引起试样体积的变化.从图2可以看出,相变的发万方数据材料科学与工艺第21卷生改变了原有热膨胀稳定的膨胀系数,使试样的膨胀发生明显的改变,相变结束后又建立一个新的线膨胀系数平衡点.合金钢加热或冷却过程中会发生相变,随着相变的进行,试样的体积会发生变化,当过冷奥氏体转变为铁素体,珠光体或马氏体时,钢的体积将膨胀,反之,钢的体积将收缩.人们通过大量的实验研究,得出不同含碳量以及不同组织的平均热膨胀系数¨4[,如表4所示.在相变过程中,各种组织的热膨胀系数与转变温度、转变类型及转变程度等因素都有关,需要指出的是本实验所测得的铁素体和奥氏体的线膨胀系数与表4中的结果有些细微的差别.表4碳钢中不同组织的热膨胀系数钢中的组织∥““热膨胀系数(10K)铁素体∞奥氏体(。=0~1.4%)马氏体((E,。=0~1.4%)∞渗碳体(。=6.67%)14.523.O11.512.5由实验数据可知,钢种A、B在1150oc时的△∥线性热膨胀率(厶)分别为0.016573和0.015755,其中厶表示试样在室温条件下的原始尺寸,本实验中所选试样均为标准试样,即L。=25mm,AL为试样从室温加热到1℃150长度的△△变化量(热膨胀量),计算表明L。相对L。增大了5.2%,当k较大时,如生产2m宽的带钢时,△这个膨胀量三就不能忽视了.由表2和表3可—℃知,钢种A的相变温度区间是710893,钢种℃B在700~880之间发生相变,相变温度区间均℃为180左右,且钢种A和B在相变前后的热膨胀系数基本相同,所以两者总膨胀量的不同主要是由于相变点温度不同以及相变过程中体积变化不同造成的.表1说明钢种A、B的化学成分不同,可见金属的化学成分是通过影响相变点温度和相变段内体积的变化来影响总的膨胀量.3.4宽度控制应用效果从实验测得的钢种A和B的线性热膨胀系数随温度的变化曲线中,选取其在室温、相变温度区间及高温段的线性热膨胀系数,依次输人宽度在线控制系统,利用宽度控制模型进行宽度控制的预设定,以提高控制精度.宽度的精确控制不仅可以有效减少切边以提高成材率,也有助于后续加工顺利进行.以钢种A的宽度在线控制为例,生产1500mm带钢,原来的宽度控制偏差为0~20mm,采用实验的实测热膨胀系数进行控制之后,宽度波动情况有明显改善,降低到0~12mm.4取样方向对热膨胀系数的影响板带材在平行轧制方向和垂直轧制方向上的力学性能一般是不同的,如抗拉强度、韧性等都表现为各向异性.本实验为了研究取样方向对热膨胀系数的影响,分别沿轧制方向和垂直轧制方向对钢种B取样,测量其线膨胀量,得出线性热膨胀随温度的变化曲线,如图4所示.对实验数据分段拟合得出各温度段的热膨胀系数,见表5.(B1一平行轧制方向,B2一垂直轧制方向)图4钢种B的线性热膨胀随温度的变化曲线由表5可知,钢种B在两个垂直方向取样B1和B2的相变温度区间基本相同,且在不同温度区间的热膨胀系数也相同,平行轧制方向和垂直轧制方向在各温度段的线膨胀系数相对差值依次为1.91%、0.91%、1.82%和1.42%,这个差异可以理解为测量误差所造成的,可见取样方向不会影响材料的热膨胀系数,即热膨胀系数是各向同性的.Eppelsheimer等人u纠对铜的热膨胀系数进行研究了,也得到了铜的热膨胀系数是各向同性的结论.表5钢种B在不同方向上的热膨胀系数万方数据第3期操龙飞,等:低合金钢热膨胀系数测定和分析・109・5结论—1)实验测得热镀锌板DXSIDZ和低合金结构钢GR65的线性热膨胀率、平均线膨胀系数和瞬时线膨胀系数曲线,得到其在各阶段热膨胀系数的变化情况,为这两种钢的宽度在线控制提供了理论依据.2)不同成分和组织金属的热膨胀系数是不同的,金属的化学成分影响相变转变点温度,进而影响其在温度变化过程中的总膨胀量.3)取样方向对热膨胀系数没有影响,即金属材料的热膨胀系数是各向同性的.4)测量得到的体心立方铁素体和面心立方奥氏体的热膨胀系数分别为15.8ד10K~、21.8×’106K一,与已有的报道略有不同.参考文献:宋加.热镀锌板生产技术发展及相关问题探讨—[J],轧钢,2009,26(2):3943.SONGJia.Techniquedevelopmentofhotdippedgal-vanizedsheetsteelandrelativequestionsdiscussion—[J].SteelRolling,2009,26(2):3943.孙传水.微量铌和钛对控轧低合金高强度结构钢—力学性能的影响[J].钢铁,2004,39(2):5156.SUNChuan-shui.InfluenceofNbandTimicmalloy-ingonmechanicalpropertiesofcontrol・roHedhishstrengthlowalloystructuralsteels[J].Ironand—Steel,2004,39(2):5156.RUFFAAR.Calculationofthermalexpansionininsulationandceramicmaterial[J].Thermal—Expan—sion,1981,7:139154.MEGAWHD.Crystalstructureandthermalexpan-sion[J].MaterResBull,1971,6(10):1007.DAWjE,REMPEJL,KNUDSONDL,eta1.ThermalexpansioncoefficientofsteelsusedinLWRvessels[J].JournalofNuclearMaterials,2008,—376(2):211215.RUSSELLAM,COOKBA,HARRINGAJL,eta1.CoefficientofthermalexpansionofA1MgBl4[J].Seripta—Matefialia,2002,46(9):629633.FUJX,LIXD,HWANGWS.Studyofthecoeffi・cientofthermalexpansionforsteelQ235[J].Adv[8][9][10][n][12][13][14][15]MaterRes,20¨——,194196:326330.JAMESJD,SPI'137正JA,BROWNSGR,eta1.Areviewofmeasurementtechniquesforthethermalex-pansioncoefficientofmetalsandalloysatelevatedtemperatures[J].Evans:MeasSciTeehnol,2001,(12):l一5.靳星,陈登福,王启明,等。连铸坯热膨胀性能测试—[J].过程工程学报,2009,9(增刊):206209.JINXin,CHENDeng-fu,WANG—“Qiming,et.Re-searchOilmeasurementofthermalexpansionpropertyforcontinuouslycastslab[J].JProcessEng,2009,—9(sup):206209.钱宏智,张家泉,崔立新.钢铸态热膨胀特性研究—[J].钢铁研究学报,2011,23(3):4449.QIANHong-zhi,ZHANGJia・quan,CUILi-xin.Studyofthermalexpansionpropeniesofascaststeels[J].JIronSteel—Res,2011,23(3):4449.张立强,包燕平,王敏,等,GCrl5钢的热膨胀系数—[J].钢铁研究学报,2012,24(9):4044.ZHANG—hqiang。BAO—Yahping,WANGMin,etat.ThermalexpansioncoefficientsofGCrl5steel[J].JIronSteel—Res,2012,24(9):4044。顾林喻,梁工英.合金元素对灰铸铁膨胀系数的影—响[J].铸造设备与工艺,1998,19(6):4951.GULin-yu,HANGG0ng-ying.Theeffectofalloyingelementsontheexpansioncoefficientofcastiron[J].FoundryEquipmentandTechnology,1998,19—(6):4951.华瑛.材料的热膨胀性能及其影响因素[J].上海—钢研,2005,31(2):6063.HUAYing.Thermalexpansioncharacteristicofmaterialsanditsinfluencefactor[J].ShanghmSteelandIron—Research,2005,31(2):6063.田莳.材料物理性能[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004:240.TIANShi.PhysicalPropertiesofMaterials[M].Beijing:BeihangUniversityPress,2004:240.EPPELSHEIMERDS.PENMANRR.Thermaldilationofcopper[j].Physica,1950,16(10):—792794.(编辑程利冬)1J1J1J、J1j1l-1jI=口bM∞哺口万方数据
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