CN110699540A - 一种不锈钢/碳钢复合板固溶热处理过程的翘曲预报方法 - Google Patents

一种不锈钢/碳钢复合板固溶热处理过程的翘曲预报方法 Download PDF

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Abstract

一种不锈钢/碳钢复合板固溶热处理过程的翘曲预报方法，其主要包括以下由计算机执行的步骤：1、收集固溶热处理炉的工艺参数和不锈钢/碳钢复合板的参数；2、定义相关参数；3、计算加热段各材料层的应力和应变；4、计算冷却段各材料层的初始残余应变、应力和应变；5、计算热处理后不锈钢/碳钢复合板回弹收缩完成时的长度和产生的弯矩；6、判断不锈钢/碳钢复合板是否弯曲及弯曲方向；7、计算不锈钢/碳钢复合板回弹弯曲阶段的应变中性层距离界面层的距离；8、计算不锈钢/碳钢复合板弯曲后的圆心角和残余曲率；9、计算不锈钢/碳钢复合板的翘曲量。本发明实现了对不锈钢/碳钢复合板固溶热处理过程的翘曲预报，提高了生产效率。

Description

一种不锈钢/碳钢复合板固溶热处理过程的翘曲预报方法
技术领域
本发明属于热处理技术领域，特别涉及一种板材的固溶热处理方法。
背景技术
固溶热处理是将钢材加热至高温单相区恒温保持，使中间相充分溶解到固溶体中后快速冷却，以得到饱和固溶体的工艺。由于经过固溶热处理后的钢材获得了均匀的单相组织，消除了加工硬化，提高了钢的耐蚀性和加工性，因此固溶热处理技术被广泛应用，但是金属复合板在轧制、热处理过程中都存在一个共性问题，那就是翘曲[1]。在不锈钢/碳钢复合板固溶热处理过程中，由于两种金属的弹性模量、屈服强度等力学性能和热传导率、热膨胀系数等热力学参数的差异，在不锈钢/碳钢复合板的固溶热处理过程都很容易岀现翘曲。翘曲不仅会影响后续生产的通板性、通过性和运行稳定性，还会影响用户的使用。翘曲现象作为金属复合板热处理过程中的重大技术难题，已成为现场技术攻关的焦点。
不锈钢/碳钢复合板的翘曲主要受到厚度比、设定张力、材料参数、厚度方向温差等因素的影响。以往学者对该现象主要围绕材料界面结合机理、组织演化、性能调控等方面展开研究，通过简单的兼顾两种金属的理化性能来分析产生翘曲的原因，而对固溶热处理过程中温度-应力多场耦合下不同金属层间的协同变形问题未作研究，不但无法实现对翘曲的在线预报，而且不能给出翘曲的量化指标。这样，如何综合考虑厚度比、设定张力、材料参数、厚度方向温差等因素，建立不锈钢/碳钢复合板发生翘曲的量化指标，及时发现甚至预测出不锈钢/碳钢复合板的翘曲方向，进而指导生产，成为现场攻关的重点。
参考文献：
[1]管奔，王亚飞，臧勇,等.双金属复合板的拉伸回弹特性研究[J].中国石油大学学报(自然科学版)，2015，39(2)：98-104.
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够及时对不锈钢/碳钢复合板翘曲做出预报并准确采取相应措施进行控制的不锈钢/碳钢复合板固溶热处理过程的翘曲预报方法。
本发明主要是在已知不锈钢/碳钢复合板设定的张力的基础上，根据两种金属材料参数和内力的不同而导致两种金属材料变形不协调，进而产生翘曲的问题，制定评判不锈钢碳钢翘曲的量化指标，对不锈钢/碳钢复合板固溶热处理过程的翘曲做出预报。
本发明包括以下由计算机执行的步骤：
(a)收集固溶热处理炉的工艺参数，主要包括：固溶热处理炉内总工艺段数i，并依次编号Ⅰ、Ⅱ(Ⅰ-加热段，Ⅱ-冷却段)，收集各工艺段设定的张力σi-t，温度Ti；
(b)收集不锈钢/碳钢复合板的参数，主要包括：不锈钢/碳钢复合板长度L，不锈钢/碳钢复合板厚度h，不锈钢层与不锈钢/碳钢复合板厚度之比λ，对不锈钢/碳钢复合板的材料层j依次编号1、2(1-不锈钢层，2-碳钢层)，收集各材料层线膨胀系数βj，弹性模量系数Aj、Bj，屈服强度系数Cj、Dj，强化阶段弹性模量系数ξj；
(c)定义相关参数，主要包括：室温T0，各工艺段各材料层在温度为Ti-j时的弹性模量E(Ti-j)、强化阶段的弹性模量为E′(Ti-j)、屈服强度
Figure BDA0002260398990000021
各工艺段各材料层的应力σi-j、应变εi-j、屈服应变εi-js、初始残余应变Δεi-j；各材料层在回弹收缩阶段完成时自由状态下长度为Lj，不锈钢/碳钢复合板的长度为L′，各材料层的应力为σjr，应力形成的弯矩为Mr；回弹弯曲阶段的应变中性层距离界面层的距离为δ，不锈钢/碳钢复合板弯曲后对应的圆心角为θ，板厚坐标为Z,不锈钢/碳钢复合板的残余曲率为ρ，不锈钢/碳钢复合板的翘曲量为ΔL；
(d)计算加热段各材料层的应力σⅠ-j、应变εⅠ-j；
Figure BDA0002260398990000031
其中：
Figure BDA0002260398990000032
(e)计算冷却段各材料层的初始残余应变ΔεⅡ-j；
Figure BDA0002260398990000033
(f)计算冷却段各材料层的应力σⅡ-j、应变εⅡ-j；
Figure BDA0002260398990000034
其中：
Figure BDA0002260398990000041
(g)计算热处理完成后不锈钢/碳钢复合板回弹收缩完成时的长度L′；
Figure BDA0002260398990000042
其中：
Figure BDA0002260398990000043
(h)计算不锈钢/碳钢复合板在回弹收缩完成时产生的弯矩Mr；
其中：
(i)判断不锈钢/碳钢复合板是否弯曲及弯曲方向，包括以下步骤；
(i-1)判断Mr＝0是否成立，若成立，则不锈钢/碳钢复合板不发生弯曲,输出结果；若不成立，则不锈钢/碳钢复合板发生弯曲，转入步骤(i-2)；
(i-2)判断Mr＞0是否成立,若成立，则不锈钢/碳钢复合板向不锈钢侧弯曲，转入步骤(j)；若不成立，则不锈钢/碳钢复合板向碳钢侧弯曲，转入步骤(j)；
(j)计算不锈钢/碳钢复合板在回弹弯曲阶段的应变中性层距离界面层的距离δ；
Figure BDA0002260398990000046
(k)计算不锈钢/碳钢复合板弯曲后的圆心角为θ；
Figure BDA0002260398990000051
(l)计算不锈钢/碳钢复合板的残余曲率ρ；
Figure BDA0002260398990000052
(m)计算不锈钢/碳钢复合板的翘曲量ΔL；
(n)输出结果。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、采用的预报方法建立不锈钢/碳钢复合板发生翘曲的量化指标，根据该方法实现了在线预报，工作量小，能够及时根据预报结果对固溶热处理过程工艺采取相应的控制措施，极大的提高了生产效率。
2、所采用的预报方法充分考虑到了不锈钢碳钢厚度比、设定张力、材料参数、厚度方向温差等因素，可对不同材料参数的不锈钢/碳钢复合板在固溶热处理过程中的翘曲方向进行预测并可以此作为现场调节的依据，从而最大程度保证不锈钢/碳钢复合板的平整性。
附图说明
图1是本发明的总计算流程图。
图2是实施例1不锈钢/碳钢复合板翘曲示意图。
图3是本发明步骤(i)流程图。
图4是本发明实施例1计算出的不锈钢/碳钢复合板翘曲量示意图。
图5是本发明实施例2计算出的不锈钢/碳钢复合板翘曲量示意图。
具体实施方式
实施例1
选取规格1000mm×500mm×20mm的316L/Q235复合板为例，进一步说明该规格产品在固溶热处理过程的翘曲预报过程，其计算流程如图1所示：
首先，在步骤a中，收集固溶热处理炉的工艺参数，主要包括：固溶热处理炉内总工艺段数i，并依次编号Ⅰ、Ⅱ(Ⅰ-加热段，Ⅱ-冷却段)，分别代表加热段，冷却段，收集各工艺段设定的张力σⅠ-t＝15Mpa，σⅡ-t＝15Mpa，温度TⅠ＝1000℃，TⅡ＝450℃；
随后，在步骤b中，收集不锈钢/碳钢复合板的参数，主要包括：不锈钢/碳钢复合板长度L＝1000mm，不锈钢/碳钢复合板厚度h＝20mm，不锈钢层与不锈钢/碳钢复合板厚度之比λ＝0.4，对不锈钢/碳钢复合板的材料层j依次编号1、2(1-不锈钢层，2-碳钢层)，分别代表不锈钢钢层，碳钢层，收集各材料层线膨胀系数β1＝19×10-6℃、β2＝12×10-6℃，弹性模量系数A1＝206000、A2＝200000，B1＝0.20986、B2＝0.20643，屈服强度系数C1＝177、C2＝235，D1＝-0.00457、D2＝-0.00447，强化阶段弹性模量系数ξ1＝0.02456、ξ2＝0.02505；
随后，在步骤c中，定义相关参数，主要包括：室温T0，各工艺段各材料层在温度为Ti-j时的弹性模量E(Ti-j)、强化阶段的弹性模量为E′(Ti-j)、屈服强度
Figure BDA0002260398990000061
各工艺段各材料层的应力σi-j、应变εi-j、屈服应变εi-js、初始残余应变Δεi-j；各材料层在回弹收缩阶段完成时自由状态下长度为Lj，不锈钢/碳钢复合板的长度为L′，各材料层的应力为σjr,应力形成的弯矩为Mr；回弹弯曲阶段的应变中性层距离界面层的距离为δ，不锈钢/碳钢复合板弯曲后对应的圆心角为θ，板厚坐标为Z,不锈钢/碳钢复合板的残余曲率为ρ，不锈钢/碳钢复合板的翘曲量为ΔL(见附图2)；
随后，在步骤d中，计算加热段各材料层的应力σⅠ-1＝-15.3Mpa、σⅠ-2＝22.6Mpa、应变εⅠ-1＝0.01928、εⅠ-2＝0.01928；
随后，在步骤e中，计算冷却段各材料层的初始残余应变ΔεⅡ-1＝0.01905、ΔεⅡ-2＝0.01888；
随后，在步骤f中，计算冷却段各材料层的应力σⅡ-1＝-16.4Mpa、σⅡ-2＝21.3Mpa、应变εⅡ-1＝0.01925、εⅡ-2＝0.01925；
随后，在步骤g中，计算热处理完成后不锈钢/碳钢复合板回弹收缩完成时的长度L′＝1018.84mm；
随后，在步骤h中，计算不锈钢/碳钢复合板在回弹收缩完成时产生的弯矩Mr＝2.7851×104N·m；
随后，在步骤i中，判断不锈钢/碳钢复合板是否弯曲及弯曲方向，包括以下步骤(其流程如图3所示)；
i-1、判断Mr＝0是否成立，显然2.7851×104≠0,等式不成立，则转入步骤i-2；
i-2、判断Mr＞0是否成立,显然2.7851×104＞0，等式成立，则不锈钢/碳钢复合板向不锈钢侧弯曲；
随后，在步骤j中，计算不锈钢/碳钢复合板在回弹弯曲阶段的应变中性层距离界面层的距离δ＝-4.8mm；
随后，在步骤k中，计算不锈钢/碳钢复合板弯曲后的圆心角为θ＝0.0063；
随后，在步骤l中，计算不锈钢/碳钢复合板的残余曲率ρ＝0.0062；
随后，在步骤m中，计算不锈钢/碳钢复合板的翘曲量ΔL＝0.77mm(如图4所示)；
最后，输出计算结果，不锈钢/碳钢复合板的翘曲量为0.77mm。
实施例2
现选取规格1000mm×500mm×20mm的316L/Q235复合板为例，进一步说明该规格产品在固溶热处理过程的翘曲预报过程。
首先，在步骤a中，收集固溶热处理炉的工艺参数，主要包括：固溶热处理炉内总工艺段数i，并依次编号Ⅰ、Ⅱ(Ⅰ-加热段，Ⅱ-冷却段)，分别代表加热段，冷却段，收集各工艺段设定的张力σⅠ-t＝20Mpa，σⅡ-t＝20Mpa，温度TⅠ＝1000℃，TⅡ＝450℃；
随后，在步骤b中，收集不锈钢/碳钢复合板的参数，主要包括：不锈钢/碳钢复合板长度L＝1000mm，不锈钢/碳钢复合板厚度h＝20mm，不锈钢层与不锈钢/碳钢复合板厚度之比λ＝0.2，对不锈钢/碳钢复合板的材料层j依次编号1、2(1-不锈钢层，2-碳钢层)，分别代表不锈钢钢层，碳钢层，收集各材料层线膨胀系数β1＝19×10-6/℃、β2＝12×10-6/℃，弹性模量系数A1＝206000、A2＝200000，B1＝0.020986、B2＝0.020643，屈服强度系数C1＝177、C2＝235，D1＝-0.00257、D2＝-0.00247，强化阶段弹性模量系数ξ1＝0.02456、ξ2＝0.02505；
随后，在步骤c中，定义相关参数，主要包括：室温T0，各工艺段各材料层在温度为Ti-j时的弹性模量E(Ti-j)、强化阶段的弹性模量为E′(Ti-j)、屈服强度
Figure BDA0002260398990000081
各工艺段各材料层的应力σi-j、应变εi-j、屈服应变εi-js、初始残余应变Δεi-j；各材料层在回弹收缩阶段完成时自由状态下长度为Lj，不锈钢/碳钢复合板的长度为L′，各材料层的应力为σjr,应力形成的弯矩为Mr；回弹弯曲阶段的应变中性层距离界面层的距离为δ，不锈钢/碳钢复合板弯曲后对应的圆心角为θ，板厚坐标为Z,不锈钢/碳钢复合板的残余曲率为ρ，不锈钢/碳钢复合板的翘曲量为ΔL；
随后，在步骤d中，计算加热段各材料层的应力σⅠ-1＝-10.24Mpa、σⅠ-2＝27.56Mpa，应变εⅠ-1＝0.01928、εⅠ-2＝0.01928；
随后，在步骤e中，计算冷却段各材料层的初始残余应变ΔεⅡ-1＝0.01907、ΔεⅡ-2＝0.01896；
随后，在步骤f中，计算冷却段各材料层的应力σⅡ-1＝-11.23Mpa、σⅡ-2＝25.42Mpa、应变εⅡ-1＝0.01935、εⅡ-2＝0.01935；
随后，在步骤g中，计算热处理完成后不锈钢/碳钢复合板回弹收缩完成时的长度L′＝1019.12mm；
随后，在步骤h中，计算不锈钢/碳钢复合板在回弹收缩完成时产生的弯矩Mr＝23.915×103N·m；
随后，在步骤i中，判断不锈钢/碳钢复合板是否弯曲及弯曲方向，包括以下步骤：
i-1、判断Mr＝0是否成立，显然23.951×103≠0,等式不成立，则转入步骤i-2；
i-2、判断Mr＞0是否成立,显然23.951×103＞0，等式成立，则不锈钢/碳钢复合板向不锈钢侧弯曲；
随后，在步骤j中，计算不锈钢/碳钢复合板在回弹弯曲阶段的应变中性层距离界面层的距离δ＝-14.88mm；
随后，在步骤k中，计算不锈钢/碳钢复合板弯曲后的圆心角为θ＝0.00998；
随后，在步骤l中，计算不锈钢/碳钢复合板的残余曲率ρ＝0.0098；
随后，在步骤m中，计算不锈钢/碳钢复合板的翘曲量ΔL＝1.22mm(如图5所示)；
最后，输出不锈钢/碳钢复合板的翘曲量为1.22mm。
根据上述结果，针对不同复合比的不锈钢/碳钢复合板，由异质金属热膨胀系数、屈服强度及弹性模量等理化参数的差异所导致的层间非协调变形，可根据本发明实现翘曲方向及翘曲量的在线预报，极大改善了复合板的平直度，降低了翘曲缺陷，提高了生产质量。

Claims (1)

1.一种不锈钢/碳钢复合板固溶热处理过程的翘曲预报方法，其特征在于：它包括以下由计算机执行的步骤：
(a)收集固溶热处理炉的工艺参数，主要包括：固溶热处理炉内总工艺段数i，并依次编号Ⅰ、Ⅱ(Ⅰ-加热段，Ⅱ-冷却段)，收集各工艺段设定的张力σi-t，温度Ti；
(b)收集不锈钢/碳钢复合板的参数，主要包括：不锈钢/碳钢复合板长度L，不锈钢/碳钢复合板厚度h，不锈钢层与不锈钢/碳钢复合板厚度之比λ，对不锈钢/碳钢复合板的材料层j依次编号1、2(1-不锈钢层，2-碳钢层)，收集各材料层线膨胀系数βj，弹性模量系数Aj、Bj，屈服强度系数Cj、Dj，强化阶段弹性模量系数ξj；
(c)定义相关参数，主要包括：室温T0，各工艺段各材料层在温度为Ti-j时的弹性模量E(Ti-j)、强化阶段的弹性模量为E′(Ti-j)、屈服强度各工艺段各材料层的应力σi-j、应变εi-j、屈服应变εi-js、初始残余应变Δεi-j；各材料层在回弹收缩阶段完成时自由状态下长度为Lj，不锈钢/碳钢复合板的长度为L′，各材料层的应力为σjr，应力形成的弯矩为Mr；回弹弯曲阶段的应变中性层距离界面层的距离为δ，不锈钢/碳钢复合板弯曲后对应的圆心角为θ，板厚坐标为Z,不锈钢/碳钢复合板的残余曲率为ρ，不锈钢/碳钢复合板的翘曲量为ΔL；
(d)计算加热段各材料层的应力σⅠ-j、应变εⅠ-j；
Figure FDA0002260398980000012
其中：
(e)计算冷却段各材料层的初始残余应变ΔεⅡ-j；
(f)计算冷却段各材料层的应力σⅡ-j、应变εⅡ-j；
Figure FDA0002260398980000023
其中：
Figure FDA0002260398980000024
(g)计算热处理完成后不锈钢/碳钢复合板回弹收缩完成时的长度L′；
Figure FDA0002260398980000025
其中：
(h)计算不锈钢/碳钢复合板在回弹收缩完成时产生的弯矩Mr；
Figure FDA0002260398980000031
其中：
Figure FDA0002260398980000032
(i)判断不锈钢/碳钢复合板是否弯曲及弯曲方向，包括以下步骤；
(i-1)判断Mr＝0是否成立，若成立，则不锈钢/碳钢复合板不发生弯曲,输出结果；若不成立，则不锈钢/碳钢复合板发生弯曲，转入步骤(i-2)；
(i-2)判断Mr＞0是否成立,若成立，则不锈钢/碳钢复合板向不锈钢侧弯曲，转入步骤(j)；若不成立，则不锈钢/碳钢复合板向碳钢侧弯曲，转入步骤(j)；
(j)计算不锈钢/碳钢复合板在回弹弯曲阶段的应变中性层距离界面层的距离δ；
Figure FDA0002260398980000033
(k)计算不锈钢/碳钢复合板弯曲后的圆心角为θ；
Figure FDA0002260398980000034
(l)计算不锈钢/碳钢复合板的残余曲率ρ；
Figure FDA0002260398980000035
(m)计算不锈钢/碳钢复合板的翘曲量ΔL；
Figure FDA0002260398980000036
(n)输出结果。
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