CN103353296A - 冷冲压封头基于形变诱发马氏体相变的形变量预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及冷冲压成形封头质量检测工艺，旨在提供冷冲压封头基于形变诱发马氏体相变的形变量预测方法。该形变量预测方法包括具体步骤：进行封头冷冲压成形试验和冷冲压过程有限元仿真，并建立冷冲压封头的形变量与马氏体相变量关系曲线；使用铁素体测量仪分别测量冷冲压封头的需要预测的区域的马氏体相变量；将测得的冷冲压封头不同区域的马氏体相变量，分别代入得到的对应区域的形变量与马氏体相变量关系曲线，即得到冷冲压封头的该区域的形变量。本发明可以实现确定不同奥氏体不锈钢封头过渡和直边段、壳体部分的形变量与马氏体相变量关系曲线，通过铁素体测量仪方便、快速且准确地得知封头塑性变形的大小，非常适用于工程中应用。

Description

冷冲压封头基于形变诱发马氏体相变的形变量预测方法

技术领域

本发明是关于冷冲压成形封头质量检测工艺，特别涉及冷冲压封头基于形变诱发马氏体相变的形变量预测方法。

背景技术

随着国民经济的迅速发展，低温液化气体，包括液氮、液氧、液氢、液化天然气（LNG）等的应用日趋广泛。奥氏体不锈钢深冷容器是液化气体的主要储运设备之一，其需求量亦越来越大。冷冲压成形封头具有表面质量好、形状规整、成形尺寸精确，尤其是封头成形快速，容易实现大批量生产等优点，以被普遍用于中小型深冷容器的制造。但是冷冲压成形封头塑性变形较大，特别是封头直边段部分，会有大量的形变诱发马氏体相变。马氏体相的生成，提高了相变区域的强度，但却降低了该区域的塑性、韧性。国内已出现多起奥氏体不锈钢冷冲压封头直边段开裂导致容器失效的案例。因此，对冲压成形封头，预测其冲压成形后形变量的大小，对于封头形变量的控制，保证冲压成形封头的质量和使用安全性具有重要的意义。

国内外对于冷冲压封头形变量的预测主要通过标准规定的形变量计算公式计算得到。然而，采用公式计算存在若干问题。首先，采用不同公式计算的结果差异较大，这是因为不同公式所考察的形变量不同，有的考察封头经线方向的平均形变量，有的则考察环向的最大压缩形变量，而对于冲压过程中受多轴应力作用的封头，公式很难体现封头真实的变形大小；另外，公式适用于所有奥氏体不锈钢材料冲压成形封头的形变量计算，而不同材料由于其材料性能的不同，即使相同形变量下，封头使用性能也会有较大差异。

目前，国内外尚无一种简易且准确预测奥氏体不锈钢冷冲压成形封头形变量的方法。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供冷冲压成形封头基于奥氏体不锈钢形变，诱发马氏体相变特性的形变量简易且准确预测方法。为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

提供冷冲压封头基于形变诱发马氏体相变的形变量预测方法，冷冲压封头包括壳体部分、过渡和直边段，所述形变量预测方法包括以下具体步骤：

步骤A：进行封头冷冲压成形试验和冷冲压过程有限元仿真；

所述封头冷冲压成形试验的方法为：首先在制作冷冲压封头的钢板上，径向等间距绘制测量点，然后按照冲压封头的流程，将钢板冲压成封头，通过铁素体测量仪测量绘制的测量点，得到测量点的马氏体相变量；

所述冷冲压过程有限元仿真的方法为：将与封头冷冲压成形试验中相同几何尺寸的钢板进行冲压过程有限元仿真，得到冲压成形封头的形变量分布云图，即等效塑性应变分布云图，并沿钢板径向等间距提取测量点的形变量；

然后以测量点的马氏体相变量值为横坐标、形变量值为纵坐标建立数据点，基于Olson-Cohen模型，通过最小二乘方法，分别得到冷冲压封头壳体部分的形变量与马氏体相变量关系曲线、过渡和直边段的形变量与马氏体相变量关系曲线；

其中Olson-Cohen模型为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{1}{\mathrm{\α}}\ln \left[\frac{1}{1-\sqrt[n]{\frac{-1}{\mathrm{\β}}\ln (1-\mathrm{FN})}}\right]$ ；

式中，ε为形变量，α为反映剪切带形成速率的常数，β为反映剪切带交界处发育成马氏体概率的常数，n为拟合常数，FN为马氏体相变量；

步骤B：使用铁素体测量仪分别测量冷冲压封头的需要预测的区域的马氏体相变量；

步骤C：将步骤B中测得的冷冲压封头不同区域的马氏体相变量，分别代入步骤A中得到的对应区域的形变量与马氏体相变量关系曲线，即得到冷冲压封头的该区域的形变量。

作为进一步的改进，所述马氏体相变量是指铁素体测量仪测得的铁素体数，即FN数。

作为进一步的改进，所述冷冲压封头为奥氏体不锈钢材质的封头。

本发明的工作原理：当亚稳态的奥氏体不锈钢发生形变时，会发生面心立方结构的奥氏体向体心立方的马氏体转变的过程，即形变诱发马氏体相变。形变越大，生成的马氏体相变量越多。由于体心立方结构的马氏体强度硬度高、塑性韧性低，使得发生变形后的材料强度硬度提高而塑性韧性下降。同时，由于生成的马氏体相具有磁性，因此可以通过测量磁性的方法定量检测相变马氏体量的多少。本发明中对形变诱发马氏体相变量进行检测，根据建立的马氏体相变量和形变量之间的关系曲线，就可以得到形变量的定量值，以此反映变形程度的大小。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

可以实现确定不同奥氏体不锈钢封头过渡和直边段、壳体部分的形变量与马氏体相变量关系曲线，通过铁素体测量仪方便、快速且准确地得知封头塑性变形的大小，非常适用于工程中应用。

附图说明

图1为冷冲压封头的结构示意图。

图2为S30408冷冲压封头变形率与马氏体相变量数据点。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1所示，根据冷冲压封头不同区域在冲压成形过程中受力情况的不同，冷冲压封头分为两个部分：A-B段的壳体部分、B-D段的过渡和直边段。

冷冲压封头基于形变诱发马氏体相变的形变量预测方法包括以下具体步骤：

步骤A：进行封头冷冲压成形试验和冷冲压过程有限元仿真。

所述封头冷冲压成形试验的方法为：首先在制作冷冲压封头的钢板上，径向等间距绘制测量点，然后按照冲压封头的流程，将钢板冲压成封头，通过铁素体测量仪测量绘制的测量点，得到测量点的马氏体相变量。

所述冷冲压过程有限元仿真的方法为：将与封头冷冲压成形试验中相同几何尺寸的钢板进行冲压过程有限元仿真，得到冲压成形封头的形变量分布云图，即等效塑性应变分布云图，并沿钢板径向等间距提取测量点的形变量。

然后以测量点的马氏体相变量值为横坐标、形变量值为纵坐标建立数据点，基于Olson-Cohen模型，通过最小二乘方法，分别得到冷冲压封头壳体部分的形变量与马氏体相变量关系曲线、过渡和直边段的形变量与马氏体相变量关系曲线；

其中Olson-Cohen模型为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{1}{\mathrm{\α}}\ln \left[\frac{1}{1-\sqrt[n]{\frac{-1}{\mathrm{\β}}\ln (1-\mathrm{FN})}}\right]$ ；

式中，ε为形变量，α为反映剪切带形成速率的常数，β为反映剪切带交界处发育成马氏体概率的常数，n为拟合常数，FN为马氏体相变量。

步骤B：使用铁素体测量仪分别测量冷冲压封头的需要预测的区域的马氏体相变量，在进行马氏体相变量测量时，可以通过多次测量取平均值的方法减小测量误差。所述马氏体相变量是指铁素体测量仪测得的铁素体数，即FN数。

步骤C：将步骤B中测得的冷冲压封头不同区域的马氏体相变量，分别代入步骤A中得到的对应区域的形变量与马氏体相变量关系曲线，即得到冷冲压封头的该区域的形变量。

在本实施例中，采用S30408奥氏体不锈钢材质的冷冲压封头，铁素体测量仪采用Ferritescope MP30的铁素体测量仪。

如图2所示，根据步骤A得到以测量点的马氏体相变量值为横坐标、形变量值为纵坐标所建立的数据点，然后根据Olson-Cohen模型，得到冷冲压封头壳体部分的形变量与马氏体相变量关系曲线为：

，冷冲压封头过渡和直边段的形变量与马氏体相变量关系曲线为：

，其中ε为冷冲压封头的形变量，FN为冷冲压封头的马氏体相变量。再使用铁素体测量仪分别测量冷冲压封头的需要预测的区域的马氏体相变量，即铁素体测量仪测得的FN数。最后将测得的不同区域的马氏体相变量，即FN数代入对应的形变量与马氏体相变量关系曲线，得到该需要预测的区域的形变量大小。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (3)

1.冷冲压封头基于形变诱发马氏体相变的形变量预测方法，冷冲压封头包括壳体部分、过渡和直边段，其特征在于，所述形变量预测方法包括以下具体步骤：

步骤A：进行封头冷冲压成形试验和冷冲压过程有限元仿真；

所述封头冷冲压成形试验的方法为：首先在制作冷冲压封头的钢板上，径向等间距绘制测量点，然后按照冲压封头的流程，将钢板冲压成封头，通过铁素体测量仪测量绘制的测量点，得到测量点的马氏体相变量；

所述冷冲压过程有限元仿真的方法为：将与封头冷冲压成形试验中相同几何尺寸的钢板进行冲压过程有限元仿真，得到冲压成形封头的形变量分布云图，即等效塑性应变分布云图，并沿钢板径向等间距提取测量点的形变量；

然后以测量点的马氏体相变量值为横坐标、形变量值为纵坐标建立数据点，基于Olson-Cohen模型，通过最小二乘方法，分别得到冷冲压封头壳体部分的形变量与马氏体相变量关系曲线、过渡和直边段的形变量与马氏体相变量关系曲线；

其中Olson-Cohen模型为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{1}{\mathrm{\α}}\ln \left[\frac{1}{1-\sqrt[n]{\frac{-1}{\mathrm{\β}}\ln (1-\mathrm{FN})}}\right]$ ；

式中，ε为形变量，α为反映剪切带形成速率的常数，β为反映剪切带交界处发育成马氏体概率的常数，n为拟合常数，FN为马氏体相变量；

步骤B：使用铁素体测量仪分别测量冷冲压封头的需要预测的区域的马氏体相变量；

步骤C：将步骤B中测得的冷冲压封头不同区域的马氏体相变量，分别代入步骤A中得到的对应区域的形变量与马氏体相变量关系曲线，即得到冷冲压封头的该区域的形变量。

2.根据权利要求1所述的形变量预测方法，其特征在于，所述马氏体相变量是指铁素体测量仪测得的铁素体数，即FN数。

3.根据权利要求1至2任意一项所述的形变量预测方法，其特征在于，所述冷冲压封头为奥氏体不锈钢材质的封头。

Images