چکیده

فرآیند نورد یک روش اقتصادی برای تولید تسمه و محصولات فلزی تخت میباشد. بیش از ۸۰% مصنوعات فلزی، چه به صورت محصول میانی و چه محصول نهایی، از طریق این فرآیند تولید میشوند. در این راستا کنترل دقیق پارامترهای فرآیند در حالت داغ و میتواند تأثیر بسزایی در کیفیت محصول نهایی داشته باشد. در این تحقیق با استفاده از یک مدل ریاضی و نرمافزار ABAQUS CAE پارامترهای مهم در حین نورد داغ از قبیل کرنش، نرخ کرنش و توزیع دما محاسبه شده و سپس با کمک این نتایج و از قانون جمعپذیری و مدل سینتیک اورامی کسر تبلور مجدد در زمان بین پاس های نورد و همچنین سینتیک تغییر فاز آستنیت به فریت بعد از نورد داغ پیش بینی می گردد. همچنین آزمایشهای تجربی نورد داغ تحت شرایط و محیطهای سرد کنندهی مختلف بر روی ورقهای فولاد کم کربن صورت پذیرفت و سپس ریزساختار و خواص مکانیکی نمونههای نورد داغ شده بررسی شد، که نتایج حاصل از متالوگرافی و آزمون کشش همخوانی خوبی با نتایج پیشبینی شده از شبیهسازی دارد.

کلمات کلیدی: نورد داغ ـ مدلسازی ریاضی ـ تبلور مجدد استاتیکی- تجزیهی آستنیت – فولاد کم کربن.

-۱دانشجوی کارشناسی ارشد گرایش شکلدهی فلزات دانشکده مهندسی و علم مواد دانشگاه شریف. -۲ استاد دانشکده مهندسی و علم مواد دانشگاه صنعتی شریف.

۵th National Conference of
Metals and Materials Forming
MATFORM’۹۰

Sharif University of Technology
12-14 Oct. 2011 – Tehran, Iran

Thermo-Mechanical-Metallurgical modeling of hot strip a low carbon steel

۱ Mohammad Meshkat, 2 Siamak Serajzadeh

۱ Department of Materials Science and Engineering, Sharif University of Technology, 2 Department of Materials Science and Engineering, Sharif University of Technology
mailto:First%20Author’s%20Email@Email.email,%2021 mohammad.meshkat.s@gmail.com,, 2 Serajzadeh@sharif.edu

Abstract
Rolling process is one of the most economic processes to produce strip and metal products. Over than 80% of metal products are somehow related to this process, therefore evaluating effects of different parameters is a great of importance to control the quality of final products. In this work macro parameters during hot rolling such as temperature history, strain and strain rate fields were determined under different rolling schedules using trade software named ABAQUS/CAE. In the next stage kinetic of static recrystallization and austenite to ferrite transformation were predicted employing evaluated parameters together with additivity. The results indicate that samples rolled in single pass layouts have finer grain structure, higher strength and higher temperature after rolling.

Keywords: Hot rolling – Mathematical modeling – Static recrystallization – Austenite decomposition – Low carbon steel.

۱-MSc student of the department of materials science and engineering, Sharif university of technology. 2-Professor at the department of materials science and engineering, Sharif university of technology.

۱۱۵۰o C
1 پنجمین کنفرانس شکلدهی فلزات و مواد ایران
× MATFORM’۹۰×

مقدمه

تا امروز تحقیقات گستردهای در راستای تشخیص اثر پارمترهای نورد فولاد کم کـربن بـر خـواص نهـایی محصـول انجـام گرفته است. به طور کلی این تحقیقات به دو دستهی کلی پیشبینی پارامترهای ماکرو اعم از تنش، کرنش، نرخ کـرنش و دمای قطعه در حین فرآیند و پیشبینـی ریزسـاختار محصـول تقسـیم مـیشـودPhaniraj .[1] و همکـاران ۲]و[۳ ابتـدا بـه محاسبهی پارامترهای ماکرو پرداختهاند و سپس با استفاده از تحلیل FEM و نتـایج تجربـی سـاختار تبلـور مجـدد یافتـهی آستنیت را پیشبینی کردهاند. در تحقیقی مشابه که توسـط Nanba و همکـاران [۴] صـورت گرفـت بـا اسـتفاده از روش ترکیبی FEM و FDM تحلیل دمایی فولاد نورد شده را انجام شد و سپس با کمک این تحلیل به بررسی سینتیک تبلـور مجدد استاتیکی و دینامیکی و همچنـین رشـد آسـتنیت تبلـور مجـدد پرداختـه شـده اسـت. بررسـی تغییـرات تکسـچری و ریزساختار در حین نورد داغ فولاد پژوهش دیگری است که توسط Zambrano و همکـاران [۵] انجـام شـده اسـت. در همین راستا Zhang و همکاران [۶] مدلی برای تغییر فاز آسـتنیت بـه فریـت ارائـه دادهتنـد و بـا کمـک آن بـه پـیشبینـی ریزساختار و خواص مکانیکی پرداختهاند. با وجود این تحقیقات گسترده کماکان بررسی رفتار فولاد کـم کـربن در حـین نورد داغ به علت پیچیدگی رفتار و وقوع پدیدههای متالورژیکی زیاد در این فرآیند از اهمیت خاصی برخوردار است.

در این پژوهش با استفاده از مدل ریاضی به پیشبینی پارامترهای ماکروی فرآیند برای نورد تک و دو پاس پرداختـه شـده است، سپس با کمک این پارامترها و رابطهی اورامی تبلور مجدد و همچنین اصل جمعپذیری در صد تبلور مجـدد بعـد از پاس اول نورد پیشبینی شده است، و در نهایت سـینتیک تجزیـهی آسـتنیت بـه فریـت نیـز بـا روشـی مشـابه بعـد از اتمـام
پاسهای نورد مورد بررسی قرار گرفته است. به عـلاوه آزمـایش تجربـی نـورد داغ در انجـام گرفـت و سـپس

نمونههای نورد شده تحت آزمون کشش قرار گرفته و برای مقایسهی ریزساختار متالوگرافی شدند.

روش تحقیق
روش تحقیق به دو دستهی کلی مدلسازی و تجربی تقسیم میشود که در بخش اول مدل شرح داده میشود.

شرح مدل

مدل خود نیز شامل دو بخش میشود که با استفاده ار این دو بخش سینتیک تبلور مجدد و تجزیهی آستنیت مورد بررسی قرار گرقت. بخش اول مدل دو بعدی FEM از نورد است که با کمک آن میدان کرنش، نرخ کرنش و دمای قطعهی نورد داغ شده بدست آمد. که این پارامترها در مدل دوم با کمک قانون جمعپذیری مورد استفاده قرار گرفتند تا اهداف ذکر شده محقق شود.

مدل ترمو-مکانیکی
برای محاسبهی پارامترهایی چون میدان کرنش و دما از نرم افزار Abaqus/Explicit که از روش FEM بهره میبرد استفاده شد. در این نرم افزار برای محاسبهی میزان جابجایی گرهها رابطهی (۱) را کمینه میکند۷[و.]۸
(۱) Wu.vdV:DdVt.vdS۰

s v v

شبیهسازی ترمو-مکانیکی-متالورژیکی فرآیند نورد داغ…. ۲

در رابطهی u ( 1)نشان دهندهی شتاب گره، v و t به ترتیب مشخص کنندهی جزء سرعت مجازی و بردار نیروی
سطحی میباشند و همچنین  معرف تنسور تنش کوشی و D نمایانگر نرخ تغییر فرم مجازی میباشد.
همچنین برای تحلیل دمایی از روابطه (۲) تا (۵) در این برنامه استفاده میشود. کـه در ایـن روابـط  ، c و k بـه ترتیـب

چگالی، گرمای ویژه و هدایت حرارتی را نشان میدهند، Q نشانگر نرخ گرمای تغییر شکل میباشد،  و به ترتیـب

تنش سیلان و نرخ کرنش مؤثر میباشند.
(۲) T Q c (kT)
t

(۳) ۰٫۹۰٫۹۵
Q  ,

(۴) ۴ ۴ Ta  ST haT T k
 Ta n

(۵) hconTTr T k
n

رابطهی (۳) شرایط مرزی انتقال حرارت به محیط را نشان میدهند، در این روابط n ، ha و Ta به ترتیب نشاندهندهی

جهت عمود بر سطح مرزی، ضریب جابجایی حرارت به محیط و دمای محیط میباشند. همچنین S و  ثابت استفان-
بولتزمن و قابلیت انتشار را به ترتیب مشخص میکنند. رابطهی (۴) نیز نشانگر انتقال حرارت به غلتک است، hcon نشانگر

ضریب انتقال حرارت بین قطعه و غلطک میباشد. شکل ۱ تصویری شماتیک از نحوهی نورد و شرایط مرزی میباشد.