在众多牌号的结构钢中，45钢使用的最广泛，尤其是在五金行业中，45钢制构件更多。该钢是一种优质碳索结构钢，可进行各种热处理，它不仅可做结构件，还可做工具。多年来，这一钢种虽然已积累有丰富的生产与应用的经验，但在生产实际中，仍会出现许多使用不当之处，结果设有充分发挥该钢所具有的性能潜力，造成大量浪费。其中，因热处理工艺的制订及操作不合理而引起工件开裂是一种常见现象。 1.轧尖机轧辊的淬裂分析 在金属丝加工过程中，轧尖机是必不可少的辅助机械，而机上的轧辊是一关键部件。由于45钢是最常用的普通碳索钢，热处理工艺简单，在热处理过程中未能引起重视，结果在一次生产中造成数根轧辊淬火开裂，裂纹出现的部位是在轧辊的螺纹齿根部。 对开裂的轧辊进行现场调查发现，轧辊在淬火加热前未经过充分的预热就直接放入840℃的箱式电阻炉中加热40min，然后放入盐水中冷却。用铁锤对轧辊开裂部位轻轻一敲，沿着螺纹齿边就被敲掉一块。 对从轧辊上开裂掉下的断块的断面观察发现，断面显灰亮色，断口晶粒粗大。用S-570型扫描电镜对断口进行观察发现：显露出清晰的晶界二次裂纹，有被拉长的晶界或撕裂棱，还有被拉长的夹杂物夹层。 在断块上切取15mm×15mm金相试样，将断面作为观测面，在PME型金相显微镜上作金相组织分析，发现淬火组织粗大，有羽毛状上贝氏体组织出现。 45钢经840℃加热淬火的正常组织应为较细的淬火马氏体，但是由于45钢的淬透性较差，轧辊的截面积叉较大，故获得混合组织。经比较，轧辊的金相组织属于异常组织。 经上述检测及对检测结果的分析，不难得出如下结论，造成轧辊淬火开裂的原因主要有：淬火加热时有“过热”现象产生；淬火剂选择不当、冷却速度不均匀；淬火时未考虑到零件的形状，产生明显的淬火应力集中区。 对热处理车间实际生产情况进一步调查发现，淬火加热炉的炉温仪表长期不校检，仪表所指的温度与炉内实际温度偏差较大，即仪表所示温度为840℃，工件的实际温度为880℃，已经产生“过热”现象，它使正常的细晶粒钢粗化，它比细晶粒钢对淬火开裂更加敏感。车间里所用的淬火水槽内的淬火剂长期不更换，里面所装的盐水成分已无法确定，由此造成各点处的冷却能力不可能一致。众所周知，淬火冷却是淬火工艺中重要环节，它应保证钢件在冷却时得到马氏体。45钢的淬透性差，淬火冷却介质的使用显得更加重要。淬火冷却介质的冷却速度不仅要使工件的冷却速度大于钢的临界淬火速度，淬火冷却介质的冷却能力还要保证工件各点处的冷却温度相一致。因为工件在冷却时，它的表里及各部位存在的温度差过大的话，造成热胀冷缩不一致而产生热应力。另外，奥氏体转变产物的比容不同，也会造成组织应力，热应力与组织应力的叠加就会在钢中产生内应力。在机械加工过程中，轧辊表面螺纹槽根部会发生较大的机械应力，该部位在热处理过程中成为内应力最集中的地方。当内应力增大时，将使轧辊弯曲变形，而内应力大于断裂极限时，就会沿螺纹槽根部开裂。 针对上述分析，采取了以下措施，从而避免了轧辊再次发生淬火开裂现象。这些措施包括： (1)轧辊经机械加工成型后，在400℃的箱式电阻炉中加热保温2h，目的是及时消除机械加工应力。 (2)对炉温仪表进行了重新校对，使实际淬火加热温度控制在(840±5)℃范围内，严防过热现象的产生，因为过热组织的产生是引起淬火开裂的重要原因。 (3)重新配制了淬火冷却用的盐水，并且采取了水、油混合冷却法。因为水在Ms点附近温度冷却太快，而油比水慢。 2.提高45钢工件使用寿命的措施 影响材料使用性能及寿命的因素有化学成分、工艺参数、组织结构以及服役条件。就45钢的化学成分而言，虽然很简单，但若忽视，必然会影响它的热处理性能及使用性能。例如目前所述的轧辊原材料中就含有夹杂物，冶金质量较差，用这种材料制造一般的五金机械结构件可以，但用来制造类似轧辊这样的工具，使用寿命不会长的。45钢的化学成分有一个允许范围，研究表明，45钢的化学成分适当控制在中上限可获得较高的机械性能，接近或达到50钢或45Mn钢的性能水平。 45钢的主要化学成分是碳，而国产45钢的同批材料含碳量变化幅度大，这样会在相同的热处理工艺条件下，含碳量高的工件会过热、开裂，而含碳量低的，硬度偏低。降低淬火温度，采用亚温淬火法是防止45钢淬火开裂的一种简单有效的方法。 对于尺寸较大的工件，需要将原材料锻造改形时，可以采用高温形变淬火法。该法是将工件毛坯加热至稳定奥氏体区域，保持适当时间后，在再结晶温度以上进行形变并淬火的复台处理工艺。值得注意的是，45钢形变奥氏体晶界和高温淬火奥氏体品界的化学成分存在明显差别，在高温淬火的原始奥氏体晶界上有S、Si元素的富集，形变淬火后其杂质元素比较均匀地分布在奥氏体中。故可认为，晶界的净化是高温形变热能获得强韧化重要原因之一。 对较长的圆柱形工件淬火时，一般采用感应加热淬火法。该法时常也会出现淬火开裂现象。淬裂主要原因是：凸轮和桃尖截面尺寸变化过大，加热时在桃尖方向上易产生应力集中；碳含量超过45钢上限，感应加热时，随含碳量的增加淬裂倾向性增大；机械加工时产生的加工应力在淬火加热前未被消除。改进措施：把含碳量控制在0.43%—0.48%内；毛坯件经正火处理，晶粒度控制在6—8级；冷加工后，加一道550℃加热2h去应力退火。

随着产品结构的调整以及产品品种的扩大，需要改产高强度不锈钢带、双金属带和合金钢带等，而该机组不具备生产高强度钢带的能力。若新建一台拉伸弯曲矫直机组，势必需要大量投资，而且建设周期长，此外，还会造成原有设备的闲置。 该机组设备陈旧、老化，尤其是电气控制系统(模拟控制)已不能适应现代工业生产的需要，而且原始设计资料不全，技术改造难度较大。更重要的是，所生产的产品由普通不锈钢带改为高强度合金钢带及双金属带，不仅带材本身的矫直难度增大了(合金钢强度高、硬化大、难以矫正；双金属带上下两面的变形特性不同)，而且对产品矫直精度的要求也大大提高了。在这种状况下，通过综合分析高强度钢带的特性、原机组的工艺配置、设备组成以及各设备的能力，提出了以下的改造方案。 改造方案 (1)拉伸弯曲矫直和多辊矫直相结合 拉伸弯曲矫直是同时对带材进行拉伸和弯曲，在弯曲应力和拉伸应力的共同作用下，使带材外层拉伸应力达到或超过屈服极限而产生延伸；经过反复多次的拉伸、弯曲后，使带材产生一定的塑性延伸，弹复后带材纵向纤维达到相同长度，从而使带材得到矫直。与纯拉伸矫直和辊式矫直相比，这种矫直方式能耗小、效率高、精度高、矫直范围广。 由于原拉伸弯曲矫直机的矫直能力有限，且原矫直机本体只有横向弯曲调整功能，对于高强度合金钢带矫后产生的纵向卷曲无法消除。基于这种情况，在原矫直机本体后增加了一台七辊辊式矫直机，给带材施加较小的反复多次的弯曲变形，进一步消除带材内应力和纵向弯曲，提高矫直精度。 (2)七辊矫直机的开发 七辊矫直机属于辊式矫直机。辊式矫直机的工作原理是板带材在矫直辊压力的作用下产生反复弹塑性弯曲变形，每经过一次反弯曲后，板带材弹性回复，就会消除一部分弯曲应力，经过反复渐减的弯曲变形，残余弯曲应力逐渐减小，带材趋于平直。 本机组中七辊矫直机布置在张力辊之间，所以其矫直机理与普通辊式矫直机略有不同，带材是在拉伸应力和弯曲应力的联合作用之下产生塑性变形。由于高强度钢带的难变形特性，需要多次施加小的弯曲变形才能矫平。 七辊矫直机由上下机架、上下辊系、下辊系压上装置、上辊系倾斜机构和上辊系快速打开机构等组成。该矫直机辊系为四重式结构，上下辊系各由一排工作辊(上三、下四)和一排支撑辊组成。下辊系由一台交流电机通过蜗轮蜗杆减速器进行上下升降，实现辊缝的调整；上辊系固定在上机架上。上、下机架通过铰链联接。通过液压缸驱动实现上机架的摆动来完成辊缝的快速打开，以便于穿带；通过蜗轮蜗杆减速器驱动上辊系倾斜机构，实现上辊系相对于下辊系的倾斜。 (3)接中间套鼓形齿联轴器的应用 前、后张力辊为集体传动，由一台主电机驱动。由于增加了七辊矫直机，拉大了前后张力辊之间的距离，也就拉长了两个伞齿轮箱的距离。齿轮箱之间的联接原为轴套联接，这种联接为刚性联接，而且转速高，对轴套的加工精度及前后齿轮箱的安装精度要求很高。因此，改造中采用了接中间套鼓形齿联轴器。这种联轴器具有两轴线相对位移补偿的特点，对安装精度要求低，转动平稳，噪音小。 (4)矫直机本体 矫直机本体的改造，主要是提升自动化水平及改进工作辊的固定方式等。原设备是靠人工调节辊缝，调节量完全靠经验，调节精度低，对工人的操作水平要求高。改造中增加了位移传感器，用于辊缝控制和显示，提高了产品精度及机组的自动化程度。另外，对矫直机工作辊的装配方式进行了改进，使其更加合理。 (5)电气控制 拉伸弯曲矫直机的电气控制系统主要由电气传动装置和可编程序控制器组成。开卷机、卷取机、张力辊组及差速机构分别由4台直流电机驱动，每台直流电机由一套可控硅调速装置控制。选用6RA70系列直流电机控制装置。它的特点是采用全数字控制方式，每一套装置至少由一台计算机控制，速度检测元件选用光电编码器；可以精确控制直流电动机的转速和力矩，速度控制精度可以达到0.05%，力矩控制精度可以达到1%；装置设有Profibus串行通讯接口，与PLC连接组成网络，所有控制命令由PLC下达，如转速给定信号、力矩给定信号都由PLC通过通讯总线传达到直流调速装置，实现了数字量给定，与传统的模拟量给定相比，提高了给定精度；直流调速装置的工作状态和参数也可以通过总线传至PLC，由PLC完成对调速装置的监控。6RA70系列直流调速装置内可以增加一块T400工艺板，实际上是增设了一台可以完成各种控制功能的单板计算机。开卷和卷取机的带材张力控制就是利用T400板以及配套使用的SM420软件完成的。采用这种方式，用户不必自己设计用于张力控制的计算机硬件和软件，只需设置参数就可以完成复杂的带材张力控制，大大缩短了设计和调试时间。拉矫机组的带材延伸率控制是通过精确控制主机电动机和调节机电动机的转速来完成的，由于调速装置较高的调速精度，将以往使用的延伸率闭环控制改为开环控制，大大简化了控制系统，取得了良好效果

纳米Ag纤维相强化Cu-Ag合金具有较高强度可抵抗强磁场Lorentz力并兼有较高电导率可避免大电流产生高Joule热。因此，这种合金目前在强磁场线圈绕组中作为先进导体材料具有重要的应用前景。 在这种合金的原始组织中，除基体外还存在富Ag或者Cu-Ag共晶体。经过较大冷应变后，这些组织组成物可演变成为纳米纤维强化相，合金便成为具有纤维相增强的微复合体，能够比一般组织形态的导体合金表现出更为优良的强度及导电性能。在形成纤维相的应变过程中，导电性能一般会随应变程度的增加而下降，其变化规律与显微组织有密切关系。分析了应变影响Cu-24%Ag合金导电性能的因素，认为在冷变形过程中纤维相直径减小到纳米级别而接近电子平均自由程时会对传导电子产生更强烈的散射作用而严重损害导电性能。研究发现，溶质原子在冷变形过程中由于溶解度变化会重新溶入基体，也会因点缺陷散射效应的变化导致合金导电性能发生变化。已有的研究表明，合金中Ag含量及第三组元不同，在强应变纤维组织形成过程中导电性能的变化规律也相应地不同。然而，已有研究主要针对具有原始组织基本不存在共晶体或存在连续共晶体的合金，导电机制研究局限于一般Cu/Ag界面的散射作用。 1.实验方法 用给定配比的电解铜、高纯银在真空感应炉中熔炼成分为Cu-12%Ag的合金，氩气保护下在铜模中浇注成直径为23.0mm的棒状铸锭，分别于700及720℃均匀化退火2h。对铸锭表面进行车削加工后在室温下经多道次拉拔。 2.结果 由于共晶体数量较少并难以分辨出两相层叠结构，因而基本表现为离异共晶形态。在均匀化退火时，不平衡组织的溶解和团聚导致了共晶体的离散化，先共晶基体中的过饱和Ag也得以析出，并形成一些弥散分布的次生相颗粒。 冷变形过程中，基体、共晶体及富Ag次生相均沿拉伸方向变形，共晶组织演变成宽约1um的带状。Cu和Ag两相的协同变形可使合金在横截面上始终保持加工前Cu相基体包围岛状共晶体的形态。在更大变形程度下，共晶条带演变成纤维束，直径和间距均随变形程度增大而减小。 共晶体内部包含若干更紧密排列的纤维，直径大约为5～20nm，其中出现清晰平直的Moire条纹，表明内部位错很少。这说明强烈应变导致纤维晶体的直径和间距小于胞状位错亚结构稳定存在的临界尺寸，使得位错亚结构失稳而被比表面积迅速增大的晶界和相界吸收。 3.结论 (1)Cu-12%Ag合金共晶体在强烈冷拉拔应变过程中演变为纤维束结构，合金主要依赖共晶体纤维束之间的Cu基体导电。 (2)随变形程度增加，共晶体纤维束间距减小，导致合金电导率下降，尤其当变形程度较大时，电导率下降更为显著。 (3)应变过程中共晶体纤维束与Cu基体界面间距减小或比表面积增大是合金电导率下降的主要因素，根据界面散射模型建立的电阻率与应变量之间的定量关系，可以反映拉拔变形引起的组织纤维化过程对合金导电性能的影响规律。(

近年来，随着计算机硬件能力及软件水平应用的提高，有限元法在金属弹塑性变形领域中得到进一步的应用。在热轧钢板生产中，随着高强度用钢需求量的不断上升，板形缺陷成为主要的质量问题。矫直是改善钢板残余应力分布，使热轧钢板生产合乎平直度标准要求的一道必不可缺的重要工序。因此有必要对矫直工艺参数与钢板残余应力之间的关系进行研究分析，但在实际生产中很难进行这样的对比研究，而且矫直的中间状态也无法取得。针对矫直工艺参数的变化以及钢板初始状态的不同，通过有限元软件ANSYS进行模拟分析，从而为矫直工艺的优化提供建议，实现热轧钢板产品质量的提高。 1.几何和计算模型的建立 模型结构来源于厚板横剪机组的精矫机，是9辊平行辊矫直机，矫直工作辊下辊有单独调节功能，上辊升降为手动，有弯辊的凸度调节。 2.矫直工艺模拟的结果分析 一般钢卷打开后，除了在纵向上存在残余应力分布不均的问题，在钢板横断面上也易出现残余应力分布不均的情况。当钢板在横断面上有应力分布不均时，需要采取弯辊措施以增加局部变形的方法来补偿纵向纤维的长短不齐，达到消除波浪弯的目的。因此，除了研究在纵向上的压弯方案优化以外，矫直机横向的凸度值调节也是改善钢板残余应力分布的重要措施。当板子边部有浪形(存在压应力)，辊子向上抬起；中部有浪时，辊子两边向下，中部抬起。具体数值依靠钢板原始弯曲浪形情况并结合现场数据得到。 3.不同矫直工艺参数的模拟结果比较 (1)没有初应力状态的矫直工艺 为简化初始条件，采用没有初应力状态的钢板模型，模拟了两种不同辊缝值的矫直工艺。模拟实验按照不同矫直压弯量的计算方法得到两组参数变量。压弯量不同，得到矫直后的钢板内应力结果也有所不同，同时，各辊矫直力水平也不尽相同。 a.内应力分布比较。对于两组压弯值，选用钢板中部的同一横断面上的单元节点来比较。从不同矫直工艺下的应力分布曲线中可以知道，无论是内应力的分布还是数值上结果都是较好的。采用大变形线性递减原则进行的压弯方式虽然矫直模拟后的残余应力分布也比较均匀，但是在数值上比其余两者都要大出许多，而采用小变形原则进行的压弯方式尽管数值上结果相差不大，但在分布上却并不是很均匀。 b.矫直力大小比较。由于辊缝值的不同，自然得到模拟后各辊矫直力大小也会有所不同。两组模拟实验结果都表明辊缝值越小的辊子矫直力越大。 (2)施加初应力后矫直工艺 除了讨论钢板在矫直前无初应力状态的情况，为了结合实际，模型针对待矫钢板的残余应力在纵向上分布不均的情况，模型中施加初应力载荷进行模拟试验。模拟残余应力的方法是在钢板矫直前通过施加初应力载荷的方式使钢板纵向产生分布不均的残余应力。施加了初应力载荷后，矫直前的内应力分布，即初应力载荷沿钢板纵向分布不均。板子前端存在较大的压应力，而中部是拉应力，即整个钢板在纵向存在着内应力的分布不均，并且在外形上看板子纵向存在浪形。 在总体上看，无论哪种压弯方式，可以肯定的是钢板纵向上压应力存在的部位趋于减少，转变成与其他部位值相近的正应力，钢板纵向上的内应力分布不均在模拟矫直后有所改善。外观上看钢板也没有出现浪形，已经达到矫直的目的。就分布上来说两种工艺参数矫直后的改善情况相当，即增大压弯量对降低残余应力值的大小有一定的作用，但是在改善应力分布不均上的效果并不突出。 4.总结 (1)当钢板没有施加初应力载荷情况时，在矫直过程中钢板表面都要经过拉—压—拉—压—拉的反复弯曲过程。 (2)不同初始条件的模拟结果表明：在上矫直辊上增加凸度值对消除横断面上的内应力分布不均是非常有效的。结果中看出在板子中部存在的较大内应力已经消失，并且边部存在压应力的位置也都得到改善