臨界應變

臨界應變是指冷變形加工時所達的這樣一個形變率，即達此形變率則導致一次再結晶時形成非常粗大的晶粒。在所有的形變溫度下，形變開始後，隨著應變數的增加，變形抗力先是快速增加，當應變不同溫度下的曲線達到一定程度時，形變抗力達到峰值，此時的應變稱為臨界應變。

基本介紹

• 中文名：臨界應變
• 外文名：criticalstrain
• 類別：應變
• 內容：臨界
• 學科：冶金工程
• 領域：冶煉

簡介

連鑄坯裂紋是影響鑄機產量和鑄坯質量的重要缺陷，據統計，鑄坯各類缺陷中約50%為裂紋。鑄坯出現裂紋，重者會導致漏鋼或廢品，輕者要進行精整，這樣既影響鑄機生產率，又影響產品質量。因此，防止鑄坯裂紋、提高鑄坯質量一直是一個重要技術。

鑄坯裂紋可以分為表面裂紋和內部裂紋兩大類，這兩類裂紋都嚴重危害鑄坯質量。為了有效地防止裂紋的產生，了解裂紋產生的條件至關重要。就內裂紋而言，其形成與鑄坯鼓肚、支導輥不對中、鑄坯表面回熱以及帶液芯矯直等有關，但歸根結底是由於鑄坯凝固過程中，凝固前沿所受的拉應變超過了裂紋形成的臨界應變值而造成的。

鑄坯內裂紋形成的臨界應變

1981年，J. Miyazaki等人通過將正在凝固的鋼錠彎曲研究了不同成分的鋼在不同應變速率條件下裂紋形成的臨界應變。被彎曲的鋼錠尺寸為330（高）x 220（寬）x 100（厚）mm，凝固組織為充分發展的柱狀晶，用硫印檢查鋼錠中的裂紋，通過將鋼錠變形與有限元應力分析結果進行比較而得到裂紋產生處的應變值。圖1為所得的臨界應變一應變速率曲線。圖中號碼①一⑥對應於表1中的鋼錠成分。

圖1

表1

由圖1可以看出，①號鋼錠，含C量較低，當應變速率為10-3/S時，臨界應變值為1.5%，裂紋敏感性最低；③、④號鋼錠含C量有所增加，相同應變速率條件下，臨界應變為1.0%，裂紋敏感性有所增大；⑤、⑥號鋼錠含C量較高，②號鋼錠含S量較高，其裂紋敏感性均異常突出，臨界應變值非常低，僅0.5%-0.6%。由上可見，增加C含量和增大應變速率均使臨界應變值降低；高C高S的鋼種裂紋敏感性非常突出，臨界應變值很低，且幾乎與應變速率大小無關。

1986年，T. Matsumiy等人設計了一種原位熔化一彎曲試驗裝置，測定了不同含C量的鋼內裂紋形成的臨界應變。試樣尺寸為450（長）x 80（寬）x 35（高）mm ，取自板坯柱狀晶區，長度方向與澆鑄方向一致。試驗時，長方體試樣上表面中心被高頻感應加熱熔化，然後減小加熱電流，形成約20mm厚的凝固層，之後將試樣彎曲，使凝固前沿產生拉應變。利用梁的彎曲理論，並假定材料在高溫下的變形主要是蠕變變形，而得到凝固前沿產生的應變數，並用有限元分析方法進行驗證。整個試驗在Ar氣氣氛下進行，試驗完畢後對試樣中的內裂紋進行檢查，將裂紋情況與凝固前沿的應變數進行對照，確定內裂紋形成的臨界應變值。試驗中，凝固前沿應變速率為5x10-4/s。試樣成分見表2，各試樣的臨界應變值見圖2。由圖可以看到，除③號試樣外，其餘試樣隨著含C量的增加，臨界應變值減小。

圖2

表2

1995年，A . Yamanaka等人用帶液芯的圓柱形鋼錠的拉伸試驗研究了低碳鋼內裂紋形成的臨界應變。試驗鋼錠尺寸為。155 x 700（mm ），成分為0.15%C-0.6%Mn-0.02%P-0.012%S。實驗中設定了兩種變形方式，一種是連續變形，另一種是間歇變形。前者用以研究應變、應變速率對內裂紋的影響，後者用以研究應變累積對內裂紋的影響。圖3為所得的臨界應變隨應變速率變化的曲線。由圖可見，增大應變速率，臨界應變減小，當應變速率超過2 x 10^-4s時，臨界應變值基本保持在1.6%。

1996年，Chong Hee YU等人研究了超低碳鋼、低碳鋼、包晶碳鋼、中碳鋼以及高碳鋼裂紋形成的臨界應變與應變速率、含C量等因素的關係。其研究結果表明，裂紋形成與應變速率關係不大，實驗中應變速率的範圍為5-50 x 10^-4/s，而主要取決於含C量。臨界應變值包晶碳鋼為2.0%，超低碳鋼為1.5%，低中高碳鋼為1.0%，如圖4所示。

圖3

圖4

值得注意的是，圖4和圖2中的結果，儘管數據不盡相同，但臨界應變隨C含量的變化規律卻十分相似，特別是在0.09%-0.15%C範圍內，臨界應變出現一個峰值。點一般性的認識：

1.隨應變速率的增大，臨界應變值降低。

2.硫含量增加，臨界應變急劇降低。

3.普通碳鋼的臨界應變，除包晶碳含量範圍（0.09%-0.15%）有一峰值外，基本上隨含碳量增加而逐漸降低。

臨界應變因含C量不同其取值大致如下：

1.低碳鋼（<0.25%C），1.5%-2.0%，其中包晶碳鋼（0.09%-0.15%C）取上限。

2.中碳鋼（0.25%-0.60 % C），0.81%-1.0% 。

3.高碳鋼（>0.60%C），0.5%-0.8% 。

實際套用

實際套用包括：判斷所設計工藝過程的安全裕度；指導選用合適的材料和成形工藝；合理利用變形可控因素，完善衝壓過程；發現試壓時的間題，找出改進措施和確定坯料的合適形狀；開展工藝性研究，積累生產經驗；檢查工藝措施合理性，提高複雜衝壓製件的成形質量；用於生產過程的控制和監視，及時穩定生產中的變化因素；診斷生產故障。例如在確定生產中模具準備是否合適、診斷生產中製件出現過度變薄或破裂的原因時，首先要做出所選薄板的成形極限圖，並將圓形格線系統製作在坯料的臨界應變區域內（每塊坯料中的位置一樣）。將坯料成形為製件並測量臨界位置處變形後的格線，將測定的應變值標在成形極限圖上。製件的臨界應變區域可由肉眼觀察頸縮或破裂決定，或根據經驗選定。

總結

鑄坯內裂紋是由於凝固過程中凝固前沿所受的拉應變超過某一臨界應變值造成的，這一臨界值既與應變速率有關，又與鋼的C、S含量有關。應變速率增大，臨界應變值隨之降低；增加S的含量，鋼的臨界應變值急劇減小；碳鋼的臨界應變，除0.09%-0.15%C範圍內有一峰值外，基本上隨含C量增加而逐漸降低，在連鑄典型的應變速率條件下，臨界應變值大致如下：低碳鋼（<0.25%C），1.5% -2.0%，其中包晶碳鋼（0.09%-0.15%C）應取上限；中碳鋼（0.25%-0.60%C），0.8%-1 .0%；高碳鋼（>0.60%C），0.5%-0.8%。