顏城博,丁文紅 ,孫 力 , 張志強(qiáng) ,陳 壯
(1.省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室(武漢科技大學(xué)),武漢430081; 2.河鋼集團(tuán)鋼研總院,石家莊 050023;3.河鋼集團(tuán)邯鋼公司技術(shù)中心,河北 邯鄲056002)
隨著市場對高強(qiáng)鋼需求的日益增加,其強(qiáng)度級別也越來越高,快速冷卻和超快速冷卻逐漸成為提高鋼材強(qiáng)度的主要手段[1]??炖渫鶗阡摪寮庸み^程中引入較大的殘余應(yīng)力,而殘余應(yīng)力的存在將影響高強(qiáng)鋼的尺寸穩(wěn)定性、疲勞壽命、抗腐蝕能力等性能[2]。在后續(xù)加工或使用過程中,由于部分內(nèi)應(yīng)力釋放,殘余應(yīng)力也會導(dǎo)致材料畸變,甚至造成材料的開裂。因此,殘余應(yīng)力一直是高強(qiáng)鋼工業(yè)生產(chǎn)及使用過程中的共性問題[3]。
殘余應(yīng)力是指在沒有外力的情況下存在于材料內(nèi)部的應(yīng)力系統(tǒng),其本質(zhì)是由金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻的塑性變形引起的。工件在常見的機(jī)械加工[4-5]和熱處理過程[6]中都會伴隨著殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。在已有的研究中,對于殘余應(yīng)力的有效消除方法主要有機(jī)械拉伸法[7]、時效消除法[8]、熱處理法[9-10]、振動消除法[11-13]及深冷處理[11]等。雖然這些方法均能夠?qū)堄鄳?yīng)力起到很好的消除效果,但也都有各自的局限性。
為了解決鋼材中由殘余應(yīng)力導(dǎo)致的問題,殘余應(yīng)力的表征和殘余應(yīng)力的調(diào)控[14]是目前的研究熱點。在表征方面,由于殘余應(yīng)力具有整體平衡的特點,所以材料局部應(yīng)力水平無法全面表征和預(yù)測殘余應(yīng)力的演變規(guī)律。然而,現(xiàn)有殘余應(yīng)力表征方法,如磁測法、X射線衍射法、盲孔法、裂紋柔度法[15]中多為局部應(yīng)力的表征方法,無法反應(yīng)殘余應(yīng)力的整體水平以及分布規(guī)律;同時,受組織結(jié)構(gòu)以及碳化物析出的影響,采用晶格間距或磁致伸縮效應(yīng)表征殘余應(yīng)力的方法存在一定程度的隨機(jī)誤差[16]。在調(diào)控方面,殘余應(yīng)力不均勻分布是導(dǎo)致材料畸變的主要因素[17],但現(xiàn)有研究尚未建立材料畸變的評價指標(biāo),現(xiàn)有高強(qiáng)鋼制備工藝缺乏殘余應(yīng)力控制的理論支撐,工藝調(diào)控目標(biāo)不明確。
現(xiàn)有的殘余應(yīng)力表征方法中,裂紋柔度法(CCM)可以準(zhǔn)確表征帶鋼內(nèi)部殘余應(yīng)力[18]。本文采用本課題組前期基于彈性斷裂力學(xué)原理開發(fā)的裂紋柔度法殘余應(yīng)力測試計算系統(tǒng),解決了高強(qiáng)鋼內(nèi)部厚度方向上殘余應(yīng)力的表征難題;結(jié)合本課題組前期開發(fā)的裂紋柔度法殘余應(yīng)力測試計算系統(tǒng)和ABAQUS有限元仿真軟件,提出了將帶鋼“應(yīng)力不平衡度”作為材料畸變評價指標(biāo);借助ABAQUS有限元分析,優(yōu)化平整工藝參數(shù),提高材料抗畸變的能力,以期為高強(qiáng)鋼殘余應(yīng)力消除工藝優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。
實驗所用的材料為熱軋卷取后的620JJ攪拌罐體用鋼(卷號19IA16976300),其厚度為2.75 mm,寬度為1 500 mm,化學(xué)成分見表1。
表1 邯鋼620JJ鋼板化學(xué)成分表(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)
采用裂紋柔度法檢測板內(nèi)部的殘余應(yīng)力,對于原始和平整工藝處理后的鋼板,均在距離卷芯30 m處位置的軋卷處取1 500 mm×500 mm的寬板,從操作側(cè)開始,以鋼板寬度的1/2處為對稱中心,分別在1/16,1/8,1/4,1/2寬度處取7塊50 mm×60 mm的試樣作為殘余應(yīng)力的測試樣,取樣示意圖如圖1所示。
圖1 殘余應(yīng)力測點示意圖(單位:mm)
1.2.1 殘余應(yīng)力表征方法
為了更精確地反應(yīng)試樣內(nèi)部沿厚度方向上的殘余應(yīng)力分布,本文采用裂紋柔度法(CCM)作為殘余應(yīng)力表征方法。圖2為裂紋柔度法測量應(yīng)力示意圖,為了避免試樣在加工過程中引入的裂紋對測點處應(yīng)力產(chǎn)生影響,本實驗采用電火花線切割的方式在試樣表面中間位置引入裂紋。電火花數(shù)控線切割機(jī)床為江蘇泰州天龍數(shù)控機(jī)床有限公司生產(chǎn)的DK7745,線切割絲為Φ0.18 mm鉬絲;應(yīng)變片選用高精密級箔式酚醛-縮醛類BE120-3AA;用江蘇東華測試公司的DH3818Y型靜態(tài)應(yīng)變儀采集應(yīng)變數(shù)據(jù),并用半橋法實現(xiàn)溫度補(bǔ)償。
圖2 裂紋柔度法應(yīng)變測量示意圖
假設(shè)高強(qiáng)鋼殘余應(yīng)力僅沿待測鋼板的厚度方向變化,沿長度、寬度方向均勻分布[18]?;诩墧?shù)展開法,通過測量所得的應(yīng)變值計算材料初始?xì)堄鄳?yīng)力,能夠有效降低測量應(yīng)變引起的應(yīng)力計算誤差,故用一個級數(shù)展開式來描述未知的應(yīng)力分布。
式中:Ai為待定系數(shù);n為插值函數(shù)的階數(shù);Pi(z)為線性無關(guān)插值函數(shù),為保證應(yīng)力分布滿足力和力矩的平衡條件,本文選用2至15階勒讓德多項式作為插值函數(shù)。
P0(z)=1
裂紋柔度法的關(guān)鍵部分是得到上述級數(shù)展開式的待定系數(shù)Ai,為了得到Ai,需要先進(jìn)行以下計算。計算圖2切口背面處的應(yīng)變隨裂紋深度aj增加的響應(yīng)值,即柔度函數(shù)(Ci(aj)),由疊加原理可用另外一個級數(shù)展開計算響應(yīng)應(yīng)變值。
為使誤差最小,將響應(yīng)應(yīng)變值與實測應(yīng)變值進(jìn)行最小二乘法擬合。
式中m為試樣的應(yīng)變采集次數(shù),且m?n。通過對上述方程的運算,即可得到待定系數(shù)Ai。
Ai=(CTC)-1CTεm=Bεm
因此,選擇適當(dāng)?shù)牟逯岛瘮?shù)Pi(z)后,再求得待定系數(shù)Ai,即可計算出材料內(nèi)部殘余應(yīng)力分布。
1.2.2 單下輥傳動平整仿真模擬
利用ABAQUS有限元軟件對620JJ高強(qiáng)鋼單下輥傳動平整的殘余應(yīng)力進(jìn)行仿真模擬。如圖3所示,為簡化模型,提高計算速度,建模時將帶鋼在長度上截取一段,模型長度為2 000 mm,板寬為1 500 mm,厚度為2.75 mm。鋼板垂直方向的自由度受到限制,鋼板在被咬入軋輥之后僅受軋輥的摩擦力向前運動,軋輥與鋼板間的摩擦系數(shù)取0.15,平整的軋制力為4 500 kN。軋輥輥徑取500 mm,自由度被限制為僅能夠沿輥軸方向旋轉(zhuǎn),下輥為主動輥,以6.28 rad/s的角速度順時針勻速旋轉(zhuǎn),上輥為自由旋轉(zhuǎn)的從動輥。
圖3 ABAQUS模擬620JJ高強(qiáng)鋼單下輥傳動平整計算模型
平整前后鋼板的殘余應(yīng)力分布如圖4所示。由圖4(a)、(b)、(d)可以看出,平整前鋼板沿厚度方向的殘余應(yīng)力呈“W”形分布,拉壓應(yīng)力交替。在試樣的側(cè)邊部(A、E、K點),如圖4(a)、(b)、(d),試樣上下邊部以及試樣芯部的應(yīng)力皆呈壓應(yīng)力狀態(tài),其余部分呈拉應(yīng)力狀態(tài)。測試點A、E、K上表面的應(yīng)力分別為:58.66、463.26和7.62 MPa,下表面的應(yīng)力分別為:-201.61、-47.28和-226.93 MPa,其中拉應(yīng)力以正值表示,壓應(yīng)力以負(fù)值表示。圖4(c)是試樣寬度1/2處G點的殘余應(yīng)力分布,此處的芯部應(yīng)力呈拉應(yīng)力狀態(tài),與試樣側(cè)邊部(A、E、K點)的應(yīng)力分布不同,上下表面都為壓應(yīng)力,應(yīng)力大小分別為-78.01和-35.78 MPa。
圖4表示平整前后帶鋼厚度方向的殘余應(yīng)力分布。由圖4可以看到,經(jīng)過平整后帶鋼厚度方向殘余應(yīng)力曲線呈“U”形分布,經(jīng)過平整的每一個試樣,上下表面的應(yīng)力狀態(tài)均相反,下表面均為壓應(yīng)力狀態(tài),上表面均為拉應(yīng)力狀態(tài),且在下邊部的次表面處都有一個拉應(yīng)力波峰。在帶鋼上下邊部以外的部分,帶鋼板厚方向上應(yīng)力的最大值由463.26 MPa降至363.6 MPa,降幅為22%;而在上下表面和次表面處,應(yīng)力的最大值由238.47 MPa升高至260.06 MPa。
圖4 平整前后試樣厚度方向殘余應(yīng)力分布
圖5為平整前后鋼板上下表面寬度方向的應(yīng)力分布,表2為平整前后板寬方向上下表面的應(yīng)力極值及其差值。從圖5和表2中可以看到,平整前帶鋼上表面各點殘余應(yīng)力的幅值較大,為572.35 MPa,經(jīng)過平整后降至267.38 MPa,下降了53.28%;下表面的殘余應(yīng)力幅值由平整前的437.84 MPa降至392.39 MPa,下降了10.38%;經(jīng)過平整工藝后,帶鋼上表面應(yīng)力極值從463.26 MPa降至331.05 MPa,下降了28.54%,下表面應(yīng)力極值從210.91 MPa降至189.08 MPa,下降了10.35%。
表2 平整前后帶鋼上下表面應(yīng)力極值及其差值
圖5 平整前后板寬方向上的表面應(yīng)力分布
以彈性應(yīng)變能(ERS)[18]表征帶鋼寬度方向殘余應(yīng)力的總體水平,彈性應(yīng)變能是對殘余應(yīng)力絕對值積分后所得,其公式為
式中:ERS為帶鋼內(nèi)部殘余應(yīng)力的單位彈性應(yīng)變能,MPa·mm;σRS為帶鋼內(nèi)部殘余應(yīng)力值,MPa。
圖6為平整前后帶鋼寬度方向上的彈性應(yīng)變能,可以看到:平整后板寬方向平均彈性應(yīng)變能水平有所提高,從201.15 MPa·mm提高到225.92 MPa·mm,提高了12.31%;彈性應(yīng)變能的不平衡度有所改善,平整前各測點彈性應(yīng)變能與平均彈性應(yīng)變能的最大差值為169.25 MPa·mm,平整后此差值降低為141.86 MPa·mm,降低了16.18%。
圖6 平整前后帶鋼寬度方向彈性應(yīng)變能
板形缺陷是指在帶鋼的制備、加工過程中出現(xiàn)的平直度缺陷[19-20],而出廠時具有良好板形的帶鋼在下游使用過程中會出現(xiàn)變形,這種材料下游使用過程中出現(xiàn)的變形被稱作畸變。帶鋼發(fā)生畸變的可能性與帶鋼內(nèi)部殘余應(yīng)力的分布有直接關(guān)聯(lián)[17]。通過觀察和測量發(fā)生畸變的鋼板中殘余應(yīng)力的分布,發(fā)現(xiàn)上下板面的應(yīng)力不平衡會導(dǎo)致帶鋼發(fā)生翹曲,板寬方向應(yīng)力不平衡則會導(dǎo)致帶鋼側(cè)彎[21],下游加工的不同方式也會對鋼板引入不同程度的應(yīng)力,影響鋼板畸變的可能性。
針對帶鋼內(nèi)部殘余應(yīng)力分布影響鋼板畸變的可能性,本文定義“應(yīng)力不平衡度”,并將其作為帶鋼產(chǎn)生畸變的評價指標(biāo)。帶鋼厚度方向“應(yīng)力不平衡度”為帶鋼上下邊部區(qū)間應(yīng)變能差值的絕對值與材料的屈服強(qiáng)度的比值,其公式為
式中:BTE為帶鋼應(yīng)力不平衡度;σRS為帶鋼內(nèi)部殘余應(yīng)力值,MPa;σs為帶鋼屈服強(qiáng)度,MPa。應(yīng)力不平衡度越大,帶鋼越容易發(fā)生板形缺陷和畸變。
平整工藝影響帶鋼應(yīng)力不平衡度和殘余應(yīng)力變化率的主要作用是應(yīng)力均衡化。圖7和表3為帶鋼平整前后板寬和板厚方向的應(yīng)力不平衡度。從圖7中可知經(jīng)過平整以后,板寬方向整體不平衡度從0.90%降至0.59%,結(jié)合圖6中板寬方向彈性應(yīng)變能的變化,可以發(fā)現(xiàn)帶鋼板寬方向整體的不平衡度和殘余應(yīng)力變化率均有所下降。板厚方向測點E和測點G的應(yīng)力不平衡度波動幅度在12%左右;測點I的應(yīng)力不平衡度上升了131.56%;其余測點處的應(yīng)力不平衡度均有大幅下降,平均降幅為57.14%。盡管測點I的應(yīng)力不平衡度波動幅度很大,但無論帶鋼是否平整,其應(yīng)力不平衡度的數(shù)值都很低,I點應(yīng)力不平衡度上升是應(yīng)力均衡化造成的結(jié)果,而使帶鋼內(nèi)部應(yīng)力均衡化的主要原因在于平整過程帶鋼的變形機(jī)制。
表3 平整前后帶鋼厚度方向應(yīng)力不平衡度及變化率
圖7 平整前后帶鋼寬度方向應(yīng)力不平衡度
平整過程是一種非均勻塑性變形過程,相比軋制工藝,平整工藝的軋制力很小,小軋制力無法使帶鋼芯部的滑移系開動,帶鋼在軋制摩擦力的作用下發(fā)生表層塑性變形,變形由表面向芯部傳遞,因此,平整工藝導(dǎo)致的帶鋼內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)與軋制工藝相反。由于平整產(chǎn)生的殘余應(yīng)力屬于宏觀殘余應(yīng)力,可以與外力疊加[21-25],形成應(yīng)力均衡化的效果。對于原始帶鋼中應(yīng)力不平衡度低的區(qū)域,平整的應(yīng)力均衡化會適度增加該區(qū)域的應(yīng)力不平衡度;對于帶鋼整體,平整可以有效改善帶鋼的不平衡度。
針對上述導(dǎo)致應(yīng)力不平衡的因素,從單輥傳動及雙輥傳動對畸變的影響、摩擦力及張力對畸變的影響和軋制壓力對畸變的影響,本文利用ABAQUS有限元模擬軟件進(jìn)行平整工藝優(yōu)化探究。
3.3.1 傳動方式對畸變的影響
帶鋼經(jīng)過單下輥傳動平整機(jī)進(jìn)行平整,圖8為ABAQUS模擬單下輥/雙輥平整后帶鋼的受力示意圖。由圖8可知,帶鋼的運動僅依靠下輥的摩擦力,帶鋼上下表面受到的摩擦力方向相反,因此,帶鋼下表面的延伸就會大于上表面,這將導(dǎo)致帶鋼上下表面應(yīng)力不平衡。在圖4中可以看到,帶鋼厚向殘余應(yīng)力也不平衡,每個測點帶鋼都為上拉下壓狀態(tài),上下表面應(yīng)力分別為-67.53/260.06 MPa、-203.21/326.89 MPa、-65.3/181.01 MPa、-71.4/247.22 MPa,這是由于平整工藝與單下輥傳動產(chǎn)生的殘余應(yīng)力疊加導(dǎo)致的。
圖8 ABAQUS模擬單下輥/雙輥平整后帶鋼的受力示意圖
將傳動方式改為雙輥傳動可以有效改善由于單輥傳動導(dǎo)致的高應(yīng)力不平衡度問題。圖9為ABAQUS模擬單下輥/雙輥平整后帶鋼厚向和寬向的應(yīng)力不平衡度,可以看到,將傳動方式改為雙輥傳動后,帶鋼厚度方向和寬度方向上的應(yīng)力不平衡度均有下降。由圖9(a)可知,厚度方向的平均應(yīng)力不平衡度從2.66%降至1.19%,降幅為55.26%,說明雙輥傳動平整緩解了帶鋼寬向的高應(yīng)力不平衡度,這樣就減少了帶鋼發(fā)生C翹的可能性;由圖9(b)可知,寬度方向平均應(yīng)力不平衡度從5.17%降至3.50%,降幅為32.30%。傳動方式是影響帶鋼整體應(yīng)力不平衡度的主要原因,傳動方式改為雙輥傳動后,帶鋼整體應(yīng)力不平衡度降低,帶鋼發(fā)生畸變的可能性同時降低。
圖9 ABAQUS模擬單下輥/雙輥平整后帶鋼應(yīng)力不平衡度
3.3.2 摩擦力及張力對畸變的影響
由于帶鋼在平整過程前后分別會經(jīng)歷開卷和卷取,所以在平整時帶鋼頭部及尾部有張力;平整過程中軋輥與帶鋼之間的摩擦力也會對平整后帶鋼畸變產(chǎn)生影響。ABAQUS有限元模擬中,初始摩擦系數(shù)為0.15,變更后的摩擦系數(shù)為0.3;模擬開卷機(jī)和卷取機(jī)對帶鋼施加的張力,取前張力為7 kN,后張力為20 kN,厚度方向應(yīng)力不平衡度的測點位置與1.2小節(jié)殘余應(yīng)力測點位置相同。
增加摩擦力或者張力均可有效改善帶鋼寬向應(yīng)力不平衡度,對帶鋼厚向應(yīng)力不平衡度改善效果不明顯。圖10是在ABAQUS模擬增加摩擦力或張力前后,單下輥/雙輥傳動平整帶鋼厚向和寬向的應(yīng)力不平衡度,可以看到,寬度方向上,單下輥傳動時增加摩擦力使寬向平均不平衡度從5.17%下降至3.36%,增加張力使寬向平均不平衡度下降至2.20%;雙輥傳動時增加摩擦力使寬向平均不平衡度從3.50%下降至1.21%,增加張力使寬向平均不平衡度下降至2.44%。厚度方向上,單下輥傳動時增加摩擦力使厚向平均不平衡度從3.17%下降至1.61%,增加張力使寬向平均不平衡度上升至4.08%;雙輥傳動時增加摩擦力使厚向平均不平衡度由1.19%上升至5.28%,增加張力使寬向平均不平衡度上升至2.75%。
圖10 ABAQUS模擬增加摩擦系數(shù)及張力前后單下輥/雙輥平整帶鋼應(yīng)力不平衡度
3.3.3 軋制力對畸變的影響
適度增加軋制力可以減小平整后帶鋼出現(xiàn)畸變的可能性。圖11為ABAQUS模擬增加軋制力前后單下輥/雙輥傳動平整帶鋼厚向和寬向的應(yīng)力不平衡度,有限元模型中將軋制壓力從4 500 kN提升到5 600 kN。從圖11可以看到,增加軋制力后,高應(yīng)力不平衡度的部分減小,小應(yīng)力不平衡度的部分適度增大,平整的應(yīng)力均衡化效果進(jìn)一步提升;厚度方向單輥/雙輥平整平均應(yīng)力不平衡度分別下降了53.37%和37.74%,寬度方向單輥/雙輥平整平均應(yīng)力不平衡度分別下降了40.62%和28.57%。
圖11 ABAQUS模擬增加軋制力前后單下輥/雙輥平整帶鋼應(yīng)力不平衡度
帶鋼變形幅度加劇和金屬流動性的增加是造成應(yīng)力均衡化效果進(jìn)一步提升的原因。增加軋制力后,帶鋼在軋輥處發(fā)生的表面塑性變形程度增加,變形由表面向芯部傳遞后,帶鋼內(nèi)部金屬在平整過程中流動的幅度加劇。因此,增加軋制力后,平整工藝導(dǎo)致應(yīng)力狀態(tài)更顯著,更大的平整導(dǎo)致殘余應(yīng)力與平整前的殘余應(yīng)力疊加,形成應(yīng)力均衡化的效果更為明顯,平均應(yīng)力不平衡度的下降也表明,增加軋制力后能夠有效降低平整后帶鋼出現(xiàn)畸變的可能性。
本文通過裂紋柔度法測量帶鋼內(nèi)部整體殘余應(yīng)力,分析了平整后高強(qiáng)鋼產(chǎn)生畸變的原因,根據(jù)殘余應(yīng)力在厚度或板寬方向分布不均將導(dǎo)致帶鋼發(fā)生畸變,將“應(yīng)力不平衡度”作為畸變評價指標(biāo),并基于應(yīng)力不平衡度分析了平整工藝對帶鋼內(nèi)部殘余應(yīng)力分布和畸變的影響,結(jié)合ABAQUS有限元模擬探索了提高高強(qiáng)鋼抗畸變能力的平整加工優(yōu)化方案。
1)裂紋柔度法可以準(zhǔn)確地表征帶鋼內(nèi)部的殘余應(yīng)力及其分布。經(jīng)過平整后,帶鋼厚度方向的殘余應(yīng)力曲線呈“U”形分布,且下表面受壓,下邊部次表面處有一個拉應(yīng)力波峰,帶鋼內(nèi)部殘余應(yīng)力的最大值由463.26 MPa降至363.6 MPa;而帶鋼邊部殘余應(yīng)力的最大值由238.47 MPa上升至260.06 MPa。寬度方向的殘余應(yīng)力水平用彈性應(yīng)變能來表示,平整后板寬方向平均彈性應(yīng)變能有所提高,從201.15 MPa·mm提高到225.92 MPa·mm;彈性應(yīng)變能的不平衡度有所改善,平整前后各測點彈性應(yīng)變能與平均彈性應(yīng)變能的最大差值降低了16.18%。
2)帶鋼內(nèi)部殘余應(yīng)力分布是影響鋼板畸變可能性的原因,本文定義帶鋼應(yīng)力不平衡度作為畸變評價指標(biāo),是由于應(yīng)力不平衡度可以直觀地表征帶鋼發(fā)生板形缺陷和下游加工產(chǎn)生畸變的可能性。平整加工對帶鋼應(yīng)力不平衡度和畸變的主要影響是應(yīng)力的均衡化。
3)從軋輥傳動方式、摩擦力及張力、軋制壓力3個方向優(yōu)化工藝參數(shù)。ABAQUS模擬傳動方式從單輥改為雙輥傳動后,帶鋼厚向及寬向應(yīng)力不平衡度分別下降了55.26%和32.30%;增加摩擦力或張力均可有效改善帶鋼寬向應(yīng)力不平衡度,對帶鋼厚向應(yīng)力不平衡度改善效果不明顯;增加軋制力后,平整的應(yīng)力均衡化效果進(jìn)一步提升,厚度方向單輥/雙輥平整使平均應(yīng)力不平衡度分別下降了53.37%和37.74%,寬度方向單輥/雙輥平整平均應(yīng)力不平衡度分別下降了40.62%和28.57%。