Gleeble 3500在无缝钢管设计开发和生产过程中的应用

陈 燕，张哲平，刘江成

（天津钢管制造有限公司，天津 300301）

Gleeble热模拟试验技术，属于物理模拟技术的范畴［1］。在利用Gleeble热模拟试验机对热加工过程进行模拟时，主要的影响因素有：化学成分、原始状态、应变、应变速率、温度、升温/降温速度。通过对这些基本参数的测定和规律性研究，可实现经过少量试验找出钢组织和性能的演化规律，可节省大量人力、物力和财力，大幅缩短新材料的开发周期。天津钢管制造有限公司（简称天津钢管）引进的Gleeble 3500热模拟试验机主要有控制柜、拉伸压缩单元、扭转单元和液压系统组成。此外，还配有真空泵系统、冷却循环水系统、空气压缩机和稳压电源等附属设备。根据不同的试验目的，可以切换相应的控制单元。现主要介绍Gleeble热模拟试验技术在无缝钢管研究开发方面的一些典型应用。

1 Gleeble 3500的典型应用

无缝钢管生产的主要工艺流程为：钢坯冶炼—连铸—穿孔—热连轧—热处理，针对高温条件下的热—机械变形过程，Gleeble 3500试验机可以实现对连铸、穿孔、热轧等工序工艺参数的模拟试验，从而确定最佳生产方案。Gleeble 3500通过高温拉伸试验模拟无缝钢管生产过程中的连铸、穿孔过程，来研究材料在以上过程中的高温塑性和高温力学性能；通过高温压缩试验来模拟无缝钢管生产过程中的轧制过程，来研究轧制过程中的变形抗力、加工硬化、动态回复与再结晶过程，也可以研究轧制过程，通过研究轧制过程不同道次的压缩分配比来指导现场控轧工艺；通过高温扭转试验来模拟无缝钢管生产过程中的穿孔过程，研究高温热塑性和大应变的模拟；通过动态CCT（连续冷却转变）试验来研究轧后控制冷却过程，从而为生产工艺的优化提供参考；通过焊接热循环来模拟无缝钢管环焊缝热影响区的组织和性能变化。通过以上几种高温试验，可以采集的变量有温度、力、位移、应力、应变、动力角、扭矩、转角、转速等，最多能同时采集8个变量。所有的试验数据经采集后以Origin格式存储于计算机，Origin软件有强大的数据处理功能，操作者可分析各变量之间的关系，如应力—应变曲线，塑性、应力等与温度、时间之间的关系等，从而得到合适的工艺参数。现将对Gleeble 3500在不同生产工序中的应用进行介绍。

1.1 连铸过程

对于连铸过程，Gleeble 3500通过高温拉伸试验评价材料的热塑性。

钢在连铸过程中受到机械应力和热应力的作用，有可能在其低塑性区间产生裂纹缺陷，连铸阶段的质量问题将严重影响后续的生产过程，尤其是裂纹产生将对后续的轧制工艺与产品质量带来不利的影响，连铸坯裂纹主要分为内部裂纹和表面裂纹两种。内部裂纹产生主要发生在铸坯内部的液—固相并存区间，脆性薄膜在拉应力作用下被拉开裂，当粗大的柱状晶表面有较多杂质时，更易产生晶间微裂。表面裂纹是由于已凝固的坯壳在冷却过程中，受收缩不均、温度不均、坯壳鼓肚和相变等影响，致使坯壳受到外裂和热负荷间歇式突变而产生开裂［2］。因此需要高温拉伸试验对钢连铸过程中的热塑性进行评估，找出脆性倾向较大的温度范围，避免铸坯在此区间进行拉矫受力而产生裂纹，这对于合理控制铸坯温度、优化二次冷却工艺、减少裂纹缺陷具有重要意义。

断面收缩率是衡量材料塑性变形能力的性能指标，该值愈大说明材料的塑性愈好。

参照实际生产，选用管线钢种，变形温度选为750℃至峰值温度之间，拉伸变形速率选择0.001 s-1，每隔50℃测一个试样。峰值温度的选择按日本学者的研究，用零强度温度减去50℃作为峰值温度［3］。所有温度点的试验结束后，绘制温度与断面收缩率的关系曲线，然后根据实际数据，用插值法确定补测其他温度点，这样即可得到完整无遗漏的塑性与温度关系和管线钢的断面收缩率与温度的关系曲线，由此可见塑性随温度变化有几个低塑性峰值，不同成分的钢有不同的低塑性温度区间。

评价某试验钢连铸过程的热塑性指标时，热模拟试样为Φ10 mm圆棒拉伸试样。模拟连铸工艺，试验方案如图1所示，连铸过程温度-断面收缩率曲线如图2所示。

图1 连铸过程模拟工艺试验方案

图2 连铸过程温度-断面收缩率曲线（应变速率0.001 s-1）

由图2可以看出，从1 250℃至750℃温度，断面收缩率整体呈下降趋势，具体为：从1 250℃至925℃，断面收缩率基本保持在85%以上；从925℃至750℃，断面收缩率开始迅速下降，在750℃时断面收缩率为62%。结合应力和塑性，建议连铸过程中，通过调整铸坯温度、控制二次冷却工艺，保证钢的拉矫温度高于925℃。

1.2 穿孔过程

1.2.1 高温拉伸试验评价热塑性、变形抗力

穿孔时钢管旋转前进，且速度非常快，应变速率约为0.1 s-1，那么热塑性差的钢种在穿孔过程中会出现变形抗力大，变形不深透，穿孔过程中内表层和外表层的金属变形严重，在外表层与中间层的过渡区和内表层与中间层的过渡区产生区域间的剪切应力，尤其是在轧辊转速较高的情况下，易产生分层或者离层缺陷［4-7］；因此，有必要通过拉伸试验模拟穿孔过程中的热塑性。而一些高合金钢在穿孔过程中易产生较大的变形抗力，对于顶头的损坏非常大，造成顶头更换频率高，增加了生产成本。因此在穿孔过程中主要研究钢种的热塑性和高合金钢的变形抗力，为穿孔过程工艺参数的制定提供数据参考。以模拟高Cr合金钢在穿孔过程中的热塑性为例，将试样加热到1 230℃保温3 min，然后分别冷却到900，950，1 000，1 050，1 100，1 150，1 200℃或再加热至1 250，1 300℃保温30 s，然后以0.1 s-1的应变速率拉断试样，最后测得最大变形抗力。拉伸后得到的最大应力随温度变化曲线如图3所示。可以看出，随着变形温度的升高，最大变形抗力逐渐降低。该分析结果可为现场的工艺参数设定提供指导。

图3 拉伸后得到的最大应力随温度变化曲线（应变速率0.1 s-1）

1.2.2 高温扭转试验评价热塑性

热扭转试验也是模拟金属材料塑性变形的一种方法，可以准确模拟旋转穿孔过程的热塑性。相比之下，热扭转试验的主要优势是［8］：①大应变量试验，可通过增加扭转圈数加载大的应变量，最大可达±90圈；②大应变速率试验，可通过增加扭转速度获得大的应变速率，转速范围0～1 500 r/min；③扭转过程中不易发生塑性失稳。而热拉伸变形试验变形到一定程度时会产生颈缩现象，会加剧材料的变形不均匀，甚至还没达到设定的变形量时，试样就已经断裂。热压缩试验中由于试样与加载器具的摩擦力作用，使试样因两端面上的径向流变随压缩程度的加剧而受到更强的约束呈鼓状外观，限制了大应变试样的精准性。可以通过热扭转试验来模拟穿孔过程中大应变量条件下材料的热塑性问题。

1.3 轧制过程

1.3.1 高温拉伸、压缩试验评价变形抗力

热轧过程中希望材料有好的热塑性和低的变形抗力，在保证钢管质量和性能的同时对设备的轧制负荷降到最低。

现研究试验钢轧制过程的变形抗力。选取高强度低合金钢种，以10℃/s的速度将温度升高至1 250℃，保温5 min，然后以3℃/s的速度冷却到变形温度（900，950，1 000，1 050，1 100，1 150℃），采用0.1 s-1的应变速率进行拉伸和压缩试验，其中压缩试验的压缩量为60%，最后将拉伸和压缩试验的最大变形抗力结果进行对比。

高温拉伸和高温压缩过程的应力-应变曲线如图4所示。可以看出，高温情况下，随着变形温度的升高，试样最大变形抗力逐渐降低，从曲线形状可以看出当变形抗力达到最大值后试样开始出现颈缩，所以对于要求应变量比较大的试验一般选用压缩试验。从高温压缩过程应力-应变曲线可以看出，随着变形温度的升高，最大变形抗力呈下降趋势。与拉伸过程应力-应变曲线不同的是，压缩过程的应力-应变曲线可以描述轧制过程中的加工硬化、动态回复与再结晶过程：当变形温度为900℃时，曲线为加工硬化过程；当温度为950℃时，曲线为动态回复过程；当在1 000℃及以上温度变形时，发生了动态再结晶过程。图5所示为相同条件下拉伸和压缩过程中变形抗力的对比，可以看出，拉伸的变形抗力值比压缩试验要高，但是差值不超过13 MPa。

图4 高温拉伸和高温压缩过程应力-应变曲线

图5 拉伸和压缩试验所得应力与温度关系

通过上述对比，可知拉伸试验和压缩试验均可模拟轧制过程中的最大变形抗力；拉伸试验除了变形抗力，还可以得到断面收缩率的数值，以此来评价材料的热塑性；而压缩试验则可以研究加工硬化、动态回复与再结晶过程。可以根据需求来选择试验类型。

1.3.2 压缩试验模拟加工硬化过程及本构方程建立

热压缩试验可以用来很好地模拟轧制过程，能得出不同温度下轧制过程中的变形抗力，在热变形过程中，存在3种典型的应力-应变曲线［9-10］：即加工硬化型、动态回复型和动态再结晶型。热模拟试验可以研究控制轧制过程中的工艺参数（包括形变温度、形变量、形变速率等）对组织性能的影响：①研究奥氏体再结晶区轧制工艺参数对变形过程中再结晶的影响；②研究奥氏体未再结晶区轧制过程中工艺参数对奥氏体拉长晶粒内的位错变形带和形变诱导析出物的影响；③研究两相区轧制过程中工艺参数对变形亚结构和细化晶粒的影响。因此，可以通过热压缩试验研究材料在热轧过程中的动态再结晶行为、动态回复行为与加工硬化行为，并建立相应的本构方程，为后续制定工艺提供理论依据。

以某纯TA1试验材料的压缩试验为例，研究不同变形条件下的应变曲线，以及相应本构方程的建立。试样尺寸为 Φ8 mm×12 mm。在 Gleeble 3500热模拟试验机上进行等温-恒应变速率压缩试验。将热压缩试样在真空环境下以10℃/s速度分别加热到660℃、700℃、740℃和780℃，保温5 min后进行热压缩，压缩量为60%，应变速率分别为 0.1 s-1、1 s-1、10 s-1。

不同应变速率和不同温度下的应力-应变曲线如图6～7所示。可以看出，在660～780℃的温度下进行压缩时，应力-应变曲线为典型的加工硬化型曲线，变形速率一定的情况下，变形抗力随着温度的降低而升高；变形温度一定时，变形抗力随着变形速率的增加而升高。

图6 不同应变速率下的应力-应变曲线

图7 不同温度下的应力-应变曲线（应变速率0.1 s-1）

根据热压缩试验过程中应力、应变、温度、应变速率等试验参数，通过数学拟合方法确定描述热流变应力（变形抗力）的Arrhenius方程表达式中的基本参数，即可得到该试验条件下试验钢热压缩本构方程［11］：

式中σ——流变应力，MPa；

R——气体常数，取8.31 J/（mol·K）；

T——温度，℃。

该方程描述了金属材料成型过程中应变速率、流变应力、成型温度等主要参数之间的关系，为成型工艺的制定提供理论依据。

1.4 轧后控冷

对于轧后控冷过程，可利用动态CCT曲线来进行研究。

利用圆棒试样单轴压缩试验可以模拟压缩变形后冷却过程中的相变情况，可以得出相变起始点和相变结束点，从而绘制出动态CCT曲线。其原理是：钢铁试样在加热和冷却时，试样的长度除了受正常的热胀冷缩的影响外，还与相变过程有关，即其长度变化由热胀冷缩引起的长度变化和相变体积效应引起的长度变化组成；当发生相变时，由于钢中各相的比容不同，曲线就出现拐折。冷却过程中的线膨胀曲线如图8所示，其中B点为相变起始点，C点为相变结束点，因此在此冷却速度下，TB即为相变起始温度，TC即为相变结束温度，再通过温度—时间曲线找出该温度所对应的时间，将各个相变点连在一起，即构成了动态的CCT曲线。

将试验用钢加工成Φ8 mm×12 mm的圆柱体做单向压缩试验，先将试样在1 200～1 250℃以上保温一段时问，使其奥氏体化均匀，然后降至某一温度（奥氏体温度或奥氏体+铁素体两相温度区），按照预定轧制工艺进行压缩变形，然后以不同冷却速度进行冷却，按照上述方法绘制动态CCT曲线，如图9所示。此CCT曲线可以为轧制后的在线控冷工艺提供理论参考，通过在线控冷来细化晶粒提高强度，从而弥补去掉热处理工艺后带来的性能损失，最终实现轧制之后控制冷却。

图8 线膨胀曲线测定相变温度点示意

图9 试验钢的动态CCT连续冷却转变曲线

1.5 焊接性能评价

通过焊接热循环试验，可模拟环焊缝的热影响区性能。

无缝管线管通过合理设计成分和采用合理的工艺后，均能使母材满足强韧性要求。然而在焊接热循环的作用下，管线钢的热影响区易出现组织恶化和韧性下降的问题［12-15］，尤其是在粗晶区和多道焊中的临界粗晶区，因此其环焊缝热影响区的冲击韧性和对裂纹的敏感性必须要进行研究。可以通过Gleeble 3500焊接热循环试验来模拟环焊缝的热影响区，然后通过研究焊接工艺参数来改善焊接热影响区的性能和裂纹敏感性问题，这也是接下来的重点工作之一。

2 结 语

目前，Gleeble 3500热模拟试验机为天津钢管的产品开发、工艺与数学模型的参数优化提供了重要的试验数据，天津钢管也在热塑性研究方面积累了一定的数据和研究结果。今后，应该进一步结合天津钢管的科研项目和产品研发学术发展方向，致力于设备功能的开发和试验方法的研究，充分发挥该Gleeble 3500热模拟试验机在产品开发、轧钢、连铸等诸多领域的应用。