冷轧带钢残余应力及其对板形影响的研究

本文采用小孔应力释放法测定冷轧后带钢内部 的残余应力 。 11 2 实验过程 11 21 1 试件轧制
带钢的轧制是在太原科技大学材料加工实验中 心的 Φ100mm/ 320mm ×350mm 四辊冷轧机上进行 的 , 带钢材质为 08Al , 厚度为 01 945mm , 宽度为 250mm 。轧制工艺参数见表 1 。轧制过程中采用调 整开卷机与卷取机电机电流的方法给定钢带不同的 前后张力 。当张力变化时 , 可以观察到板形的变化 情况 。张力较小时出现明显的边浪 ; 张力加大时板 形明显改善 。轧制后使用剪板机取了试样 , 试样的 编号与工况一致 。
目前应用比较广泛的是破坏性比较小的小孔应 力释放法 。小孔应力释放法测量残余应力是一种比 较成熟和可靠的测试方法 , 在实践中得到了广泛的 应用[9210 ] 。其基本思想是在具有残余应力的构件上 打一小孔 , 使孔的邻域内由于部分应力释放而产生 相应的位移与应变 , 测量这些位移或应变 , 经换算 可得小孔处原有的应力 。应力释放法的优点是应变 测量的精度与灵敏度都比较高 , 缺点是被测工件必 将受到不同程度的破坏 , 致使其实际应用在某些场 合受到限制 。
Abstract : The uneven dist ributio n of deformation in metal during rolling p rocess induces t he exist s of residual st ress in rolled st rip and t he latter is again essential cause of bad plate shape. Small2hole st ress release met hod was adopted in t his paper to measure t he residual st ress of st rip t hat has been cold rolled under different tension conditio ns. A four2high elastic2plastic FEM model of cold rolling p rocess was developed. The dist ribution of residual st ress was numerically simulated using t he model. The influences of tension on t he dist ribution of residual st ress of cold rolled st rip and t he relation of residual st ress wit h plate shape were st udied. The st udy result s have significant meaning fo r t he set up and imp rovement of rolling regulations and t he increase of plate shape qualit y. Key words : cold rolled st rip ; residual st ress ; FEM ; plate shape ; tension
ZHAN G Xiao2ping GUO Hui2guang H E Zong2lin ( School of Material Science and Engineering , Taiyuan U niversity of Science and Technology , Taiyuan 030024 China)
轧制速度/ m/ s 0. 1 0. 1 0. 1 0. 1 0. 1 0. 1
11 21 2 残余应力测量 测量使用由中航电测仪器公司生产的 B F1202
2CA2K 残余应力应变计 。沿板宽方向取了 5 个测试 点 , 靠近边部的两点 , 距离边部为 20mm , 其余 3 点均匀分布 (见图 1) 。钻孔使用高速精密台钻 , 转 速为 12000rp m , 钻孔直径为 2mm 。使用数字应变 仪记录了钻孔时所产生的应变 。
tan 2θ = ε0
+ε90 - 2ε45 ε0 - ε90
式中 A
=
-
1 +μ 2 E( r/ a) 2
B
=
3 (1
+μ) 2 E( r/
4 ( r/ a) 4
a) 2
μ ———泊松比
r ———贴片点与孔中心之间的距离 a ———小孔半径 E ———弹性模量 σ横 ,轧 ———横向 、轧向应力 θ———主应力与轧制方向的夹角
纵向应力/ M Pa - 206 - 223 640 - 685 - 61 - 230 - 759 - 344 47 - 382 - 48 - 946 - 234 233 - 183 - 708 - 836 - 813 - 40 - 310 - 602 154 - 574 - 791 - 646 - 881 90 951 - 472
The study of residual stress of cold rolled strip and its influence on plate shape
ZHAN G Ya2qin ( Huake Instit ute of Taiyuan U niversity of Science and Technology , Taiyuan 030024 China)
(太原科技大学 华科学院 , 太原 0300241) 张雅琴 (太原科技大学 材料科学与工程学院 , 太原 030024) 张小平 郭会光 何宗霖
摘 要 : 轧制过程中金属的不均匀变形导致了板带中残余应力的存在 , 残余应力的不均匀分布又是影响板形的根 本原因 。文章采用小孔应力释放法 , 对在不同张力条件下冷轧后带钢的残余应力进行测量 ; 建立了四辊轧制过程弹 塑性有限元分析模型 , 并利用该模型对残余应力的分布进行数值模拟 , 研究了张力对残余应力分布的影响以及残 余应力与板形的关系 。该研究对制定与完善板带轧制规程 、控制板形质量具有重要意义 。 关键词 : 冷轧带钢 ; 残余应力 ; 有限元 ; 板形 ; 张力 中图分类号 : T G3331 2 文献标识码 : A 文章编号 : 100722012 (2009) 0520075205
第 16 卷 第 5 期 2009 年 10 月
塑性工程学报
J OU RNAL O F PL A S TICI T Y EN GIN EERIN G
doi :101 3969/ j1issn1 1007220121 20091 051 015
冷轧带钢残余应力及其对板形影响的研究
Vol1 16 No1 5 Oct1 2009
引 言
残余应力的实验研究是板形研究的一个重要组 成部分 。
轧制过程中金属的不均匀变形导致了板带中残 余应力的存在 , 残余应力的不均匀分布又是板形不 良的根本原因 。对此已有不少学者及业内人士进行
张雅琴 E2mail : zyq6938345 @1631 co m 作者简介 : 张雅琴 , 女 , 1965 年生 , 副教授 , 硕士 , 主 要研究方向为材料加工工程 收稿日期 : 2008209210 ; 修订日期 : 2008210204
张力对板形有很大影响 , 有关研究也有文献报 道 , 如刘立文 、刘华等[526] 采用有限元的方法研究了
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塑性工程学报
第 16 卷
张力对冷轧薄带板形的影响 , 周庆田[7] 也根据弹性 力学的叠加原理 , 建立了一套辊系弹性变形模型 , 定量地分析了平均张力的变化对板形的影响 。但对 张力影响板形的实质 , 即张力对残余应力的影响则 研究得很少 。
由图 2 、图 3 可以看出 , 由于在轧制过程中金 属的变形沿板宽方向的不均匀分布 , 导致钢带冷轧 后纵向与横向残余应力 , 沿板宽方向的分布也呈现 不规律状态 。由图 4 可以看出 , 横向残余应力与纵 向残余应力尽管在数值上有一些差异 , 但都沿板宽 方向呈相似的分布曲线 。这一点是以往被忽略的一 个重要的现象 。这个规律的发现 , 对正确制定轧制 工艺将具有重要的作用 。
本文通过实验与数值模拟的方法 , 研究了张力 对残余应力的影响以及残余应力分布与板形的关系 , 为板形控制提供更加有力的依据 。
1 残余应力的测量
11 1 测量方法的选择 传统Байду номын сангаас残余应力测量方法按照对于被测构件是
否具有破坏性 , 而分为有损测试法与无损测试法两 类 ; 若按测量的原理 , 则可分为机械法与物理法两 类 。机械法以应力释放法为主 , 物理法以 X 射线衍 射法为主 , 此外还有超声波法和磁性法等 。新型残 余应力测量方法主要有多孔差法 、裂纹柔度法 、磁 记忆应力检测法 、扫描电子声显微镜法以及激光超 声检测法等 。这些方法一般对测量设备有一定要求 , 适用范围也有一定的局限[8] 。
E
- 1006
- 955
21 2 测量结果分析 根据表 2 的数据做出曲线如图 2～图 4 。
图 2 纵向应力随张力的变化情况 Fig1 2 Variation of lo ngit udinal st ress wit h tension
图 3 横向应力随张力的变化情况 Fig1 3 Variation of t ransverse st ress wit h tension
了研究 。如周长林等[1] 用电测法 、云纹法和 X 射线 法等方法 , 测定了高精度不锈钢板的残余应力 , 并 对几种方法进行了比较和分析 ; 张秀玲等[2] 基于残 余应力与板形的关系 , 利用残余应力的横向分布 , 建立了板形控制的传递矩阵方法 ; 曾纪杰等[3] 分析 了板带轧制时产生的残余应力 , 推导了残余应力引 起的板带失效起皱的临界参数计算公式 ; 赵丽丽 等[4] 采用有限元方法分析了铝板冷轧后残余应力的 分布 。但无论是实验还是理论方面的研究都显不足 , 尤其是关于影响残余应力分布的因素以及残余应力 的分布与板形的关系等方面的研究工作比较欠缺 。
图 1 测量点的分布 Fig1 1 Dist ribution of measuring point s
2 测量结果及分析
21 1 残余应力的计算 测量点在轧制方向和横向的应力与测量点应变
之间的关系为
σ横 ,轧
=
ε0
+ε90 4A
±2 4B
(ε0 - ε45 ) 2 + (ε45 - ε90 ) 2 cos2θ
第 5 期
张雅琴 等 : 冷轧带钢残余应力及其对板形影响的研究
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ε0 , ε45 , ε90 ———轧制方向 、45°方向及横向的 应变
计算得到的各点的应力列于表 2 。
表 2 各测量点的横向及纵向残余应力 Tab1 2 Transverse and longit udinal residual
横向应力/ M Pa - 219 - 263 310 - 713 - 101 - 351 - 773 - 399 7 - 704 - 151 - 958 - 249 - 236 - 211 - 972 - 849 - 903 - 108 - 357 - 686 141 - 611 - 910 - 880 - 961 - 101 882 - 715
st ress of every measurement point
试样编号 1
(75A/ 20A)
2 (60A/ 20A)
3 (45A/ 20A)
4 (30A/ 20A)
5 (20A/ 20A)
6 (20A/ 10A)
测量点 A B C D E A B C D E A B C D E A B C D E A B C D E A B C D
表 1 轧制工艺参数 Tab1 1 Rolling parameters
工艺参数 工况 1 工况 2 工况 3 工况 4 工况 5 工况 6
前张力/ A
75 60 45 30 20 20
后张力/ A
20 20 20 20 20 10
相对压下率/ % 26. 98 24. 87 24. 66 23. 92 21. 59 20. 16