CN111157157A - 一种冷轧板残余应力预测和测量方法 - Google Patents

一种冷轧板残余应力预测和测量方法 Download PDF

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Abstract

一种冷轧板残余应力预测和测量方法，属于钢铁材料应力应变检测方法技术领域。其技术方案是：利用线切割从成型前冷轧板中利用线切割的方法选取两组尺寸为一定尺寸长×宽×长的两组，共
Figure DEST_PATH_IMAGE002
组立方体样品X；在每组样品中分别沿着轧制方向和横向方向在材料几何中心贴上应变片或者应变花，测量每组样品在该状态下的初始应变；利用弯曲设备和轮廓扫描设备取得样品弯矩和尺寸变化的关系；利用轮廓扫描仪检测样品的曲率；得到样品表面应变和曲率半径的关系；通过计算公式计算残余应力。本发明通过纯弯曲的方法可以有效地预测出沿着板材厚度方向的残余应力分布，可以为后续冷扎板残余应力控制提供准确数据，从而为提高产品质量提供了可靠的技术支持。

Description

一种冷轧板残余应力预测和测量方法
技术领域
本发明涉及一种简单高效的残余应变和应力检测方法，属于钢铁材料应力应变检测方法技术领域。
背景技术
现代工业要求钢铁产品具有较高的机械性能和形状精度要求，因此在板带生产轧制过程中,要求大的压下量、复杂的辊面曲线和轧制工艺控制会造成板带轧后存在较高的残余应力，且分布不均匀，这些都会影响板材的板型和后续深加工产品的质量。过高的残余应力会导致钢板平直度不够而发生翘曲，影响零件成形时的回弹，以及焊接过程的稳定性。因此准确预测并测定钢板中残余应力并对残余应力加以控制是板材生产的技术难点之一。而板材最终的残余应力通常非常复杂，尤其是沿着厚度方向的应力梯度。目前在后续的生产加工中通常被简化甚至忽略，比如说，后续加工过程的有限元仿真中，由于缺少残余应力的信息，通常认为材料本身没有残余应力，而不进行相应的预定义设置。这使冷加工的高强钢产品质量预测通常有很大偏差，包括回弹和残品缺陷，如弯角开裂，边波，长度方向的翘曲等都无法有效预测。
残余应力的检测方法通常按照检测方法可以分为无损检测和有损检测，如果按照物理原理的话可以分为衍射检测，超声波检测和形状检测。
目前常见的残余应力检测方法有钻孔法、X-射线方法、中子检测方法、超声波检测方法。
钻孔法是破坏性的检测手段，该方法检测精度通常没有办法保证。
X-射线方法的穿透性很弱，只能到达材料表面。只适用于小样品，有放射性安全问题，只能检测样品表面，设备昂贵，不适合于工业应用。
中子检测被认为是精度最高的残余应力检测手段，它可以检测沿着厚度方向的残余应力分布，测量的应变精度可以高达10-4to 10-5. 但是该方法需要高的投资成本，检测时间通常也非常长，目前世界上有民用中子检测的设备非常有限，主要集中在美国，欧洲，日本，澳洲等发达国家。这种方法与X-射线方法一样只适用于小样品，有放射性安全问题，设备昂贵，不适合于工业应用。
超声波检测方法对样品缺陷的显示不直观，技术操作难度大，主客观因素影响大，结果不便保存，工作表面要求平滑，主要适用于大样品。
因此，目前常用的几种检测方法都有很大的局限性，不能满足钢铁工业生产中对钢材中残余应力的预测和测量，如何能够对钢材中残余应力进行快速预测和测量，特别是开发适应工业化生产的检测方法成为困扰企业和技术人员的难题，至今没有有效的解决方法，亟待技术人员进行创新研究。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种冷轧板残余应力预测和测量方法，这种冷轧板残余应力预测和测量方法基于弹塑性理论为基础，提供一种精确高效的残余应力预测，检测和消除的理论实验方法。本发明通过纯弯曲的方法可以有效地预测出沿着板材厚度方向的残余应力分布，可以为后续冷扎板残余应力控制提供准确数据，从而为提高冷成型后高强钢产品质量提供了可靠的技术支持。
解决上述技术问题的技术方案是：
一种冷轧板残余应力预测和测量方法，它采取以下步骤进行：
1)利用线切割从成型前冷轧板中利用线切割的方法选取两组尺寸为一定尺寸长×宽×长(t*W*L)的立方体样品X，两组立方体样品X分别为A组和B组，一共选取n组这样的立方体样品X；
2)在每组样品中分别沿着轧制方向和横向方向在材料几何中心贴上应变片或者应变花，测量每组样品在该状态下的初始应变εx；
3)利用轮廓扫描仪检测样品的曲率ρx；
4)从取出的A组和B组样品中再次利用线切割的方法标沿着样品宽度方向取m个标准尺寸(t*w*t)的立方体样品Y(m×w≤W)，板材的长宽比需要小于1：3；
5)然后利用单拉和纯弯曲的方法分别测试步骤4获得的样品，并得到相应的应力应变曲线；
6)在剩下的每组样品上下表面分别沿着轧制方向和横向方向贴上应变片或者应变花；
7)利用应变检测设备分别测量所有应变片或者应变花的初始应力值εy；
8)利用轮廓扫描仪检测样品的曲率ρy；
9)将A组样品和B组样品分别正反弯曲到同样的曲率ρb；
10)测量此时状态下所有样品的弯曲之后的应变εb；
11)释放所有的加载，让材料回归到自由状态，再次测量在最终状态下的材料的曲率半径ρf和应变εf，
12)最终残余应力是由初始残余应力，弯曲应力和弹性卸载应力所决定，通过以下计算公式计算残余应力；
残余应力计算公式
Figure BDA0002201247410000041
式中：σ纵长 初始和σ横向 初始分别为初始纵长和横向残余应力，M横向 弯角为横向弯矩，Ixy为x-y平面的二次截面弯矩，Iyz为y-z平面的二次截面弯矩，velastic和vplastic为弹塑性泊松比，K为材料强度系数，n为硬化指数，εo为材料初始应变，y为弯曲面距离中心面的距离，p为弯曲半径。
13)通过校验算法校正残余应力计算的结果；
14)如果有需要进一步实验的话，可以选取不同样品尺寸的材料重新进行残余应力检测。
上述冷轧板残余应力预测和测量方法，所述步骤13中的校验算法采用以下步骤：
上述冷轧板残余应力预测和测量方法，利用高阶多项式来描述不同厚度层和残余应力的关系，也就是轧制方向的残余应力σ轧制 初始和宽度方向的残余应力σ横向 初始可以分别表示为(y为某层的厚度)；
σ轧制 初始≈Lnyn+Ln-1yn-1+Ln-2yn-2+…+L1y1+L0y0 公式一
σ横向 初始≈Tnyn+Tn-1yn-1+Tn-2yn-2+…+T1y1+T0y0 公式二 Ln，Ln-1,Ln-2…L0，Tn，Tn-1,Tn-2…T0为多项式相关系数。
本发明的有益效果是：
本发明是是钢材检测方法的首创，解决了如何能够对钢材中残余应力进行快速预测和测量，特别是开发适应工业化生产的检测方法的难题，为提高冷成型后高强钢产品质量提供了可靠的技术支持。
本发明基于弹塑性理论为基础，提供一种精确高效的残余应力预测，检测和消除的理论实验方法，具有理论性强、可预测、成本低、时间短、样品要求不高、可测量沿着厚度方向的分量的优点。冷轧高强钢材料中残余应力和厚度方向基本处于映射关系，也就是某个厚度在某晶面方向对应着一定的固定应力值，它们的关系可以通过高阶多项式的方法来描述，本方法通过纯弯曲的方法可以有效的预测出沿着板材厚度方向的残余应力分布。可以为后续冷扎板残余应力控制提供准确数据，从而为提高冷成型后高强钢产品质量提供了有效的控制手段。
附图说明
图1是材料厚度与应力的映射关系示意图；
图2是材料在弯曲表现下应力应变关系示意图；
图3是样品弯曲的不同方式示意图；
图4是残余应力最终的形成原因示意图；
图5是检测结果校验方法的流程图；
图6是本发明的一个实施例的残余应力分布图。
具体实施方式
冷轧高强钢板材中由于复杂的轧制原因和本身高强度的特点，其内部残余应力较高，尤其是轧制方向。目前冷轧薄板残余应力检测手段有限，尤其是沿着厚度方向的残余应力。冷轧高强钢材料中残余应力和厚度方向基本处于映射关系，也就是某个厚度在某晶面方向对应着一定的固定应力值，它们的关系可以通过高阶多项式的方法来描述。本方法通过纯弯曲的方法可以有效的预测出沿着板材厚度方向的残余应力分布。可以为后续冷扎板残余应力控制提供准确数据，从而为提高冷成型后高强钢产品质量提供了有效的控制手段。
本发明的冷轧板残余应力预测和测量方法，它采取以下步骤进行：
1)利用线切割从成型前冷轧板中利用线切割的方法选取两组尺寸为一定尺寸长×宽×长(t*W*L)的立方体样品X，两组立方体样品X分别为A组和B组，一共选取n组这样的立方体样品X；
2)在每组样品中分别沿着轧制方向和横向方向在材料几何中心贴上应变片或者应变花，测量每组样品在该状态下的初始应变εx；
3)利用轮廓扫描仪检测样品的曲率ρx；
4)从取出的A组和B组样品中再次利用线切割的方法标沿着样品宽度方向取m个标准尺寸(t*w*t)的立方体样品Y(m×w≤W)，板材的长宽比需要小于1：3；
5)然后利用单拉和纯弯曲的方法分别测试步骤4)获得的样品，并得到相应的应力应变曲线；
6)在剩下的每组样品上下表面分别沿着轧制方向和横向方向贴上应变片或者应变花；
7)利用应变检测设备分别测量所有应变片或者应变花的初始应力值εy；
8)利用轮廓扫描仪检测样品的曲率ρy；
9)将A组样品和B组样品分别正反弯曲到同样的曲率ρb；
10)测量此时状态下所有样品的弯曲之后的应变εb；
11)释放所有的加载，让材料回归到自由状态，再次测量在最终状态下的材料的曲率半径ρf和应变εf，
12)最终残余应力是由初始残余应力，弯曲应力和弹性卸载应力所决定，通过以下计算公式计算残余应力；
残余应力计算公式
Figure BDA0002201247410000071
Figure BDA0002201247410000081
式中：σ纵长 初始和σ横向 初始分别为初始纵长和横向残余应力，M横向 弯角为横向弯矩，Ixy为x-y平面的二次截面弯矩，Iyz为y-z平面的二次截面弯矩，velastic和vplastic为弹塑性泊松比，K为材料强度系数，n为硬化指数，εo为材料初始应变，y为弯曲面距离中心面的距离，p为弯曲半径。
13)通过校验算法校正残余应力计算的结果；
14)如果有需要进一步实验的话，可以选取不同样品尺寸的材料重新进行残余应力检测。
在上述冷轧板残余应力预测和测量方法中，所述步骤13中的校验算法采用以下步骤：
在上述冷轧板残余应力预测和测量方法中，利用高阶多项式来描述不同厚度层和残余应力的关系，也就是长度方向的残余应力σ轧制 初始和宽度方向的残余应力σ横向 初始可以分别表示为(y为某层的厚度)；
σ轧制 初始≈Lnyn+Ln-1yn-1+Ln-2yn-2+…+L1y1+L0y0
σ横向 初始≈Tnyn+Tn-1yn-1+Tn-2yn-2+…+T1y1+T0y0 Ln，Ln-1,Ln-2…L0为多项式相关系数，Tn，Tn-1,Tn-2…T0为多项式相关系数。
本发明的一个实施例如下：
取长宽厚为(L*W*t)的样品：L＝150mm，W＝50m,,t＝1.2mm 屈服强度为580MPa,拉伸强度为980MPa，杨氏模量为200GPa；
应变花数据测得上表面长度方向初始应变为0.01％(轧制)和厚度方向应初始变为0.005％(横向)；应变花数据测得下表面长度方向初始应变为-0.006％(轧制)和厚度方向初始应变为0.003％；
利用轮廓扫描仪检测样品的曲率为2/m；
将A组材料和B组材料分别正反弯曲到同样的曲率15/m
释放所有的加载，让材料回归到自由状态，再次测量在最终状态下的材料的曲率半径3/m和应变0.005％，
通过该方法计算出最终残余应力，纵向应力服从公式3，横向应力服从公式4。该应力分布(名义应力：残余应力/屈服应力)分布如图6所示。
σ轧制 初始≈-43.7y3-241.23y2+10.862y+20.215
σ横向 初始≈2597y5-1122y4+377.47y3-24.73y2+20.204。

Claims (2)

1.一种冷轧板残余应力预测和测量方法，其特征在于：它采取以下步骤进行：
1)利用线切割从成型前冷轧板中利用线切割的方法选取两组尺寸为一定尺寸长×宽×长(t*W*L)的立方体样品X，两组立方体样品X分别为A组和B组，一共选取n组这样的立方体样品X；
2)在每组样品中分别沿着轧制方向和横向方向在材料几何中心贴上应变片或者应变花，测量每组样品在该状态下的初始应变εx；
3)利用轮廓扫描仪检测样品的曲率ρx；
4)从取出的A组和B组样品中再次利用线切割的方法标沿着样品宽度方向取m个标准尺寸(t*w*t)的立方体样品Y(m×w≤W)，板材的长宽比需要小于1∶3；
5)然后利用单拉和纯弯曲的方法分别测试步骤4)获得的样品，并得到相应的应力应变曲线；
6)在剩下的每组样品上下表面分别沿着轧制方向和横向方向贴上应变片或者应变花；
7)利用应变检测设备分别测量所有应变片或者应变花的初始应力值εy；
8)利用轮廓扫描仪检测样品的曲率ρy；
9)将A组样品和B组样品分别正反弯曲到同样的曲率ρb；
10)测量此时状态下所有样品的弯曲之后的应变εb；
11)释放所有的加载，让材料回归到自由状态，再次测量在最终状态下的材料的曲率半径ρf和应变εf，
12)最终残余应力是由初始残余应力，弯曲应力和弹性卸载应力所决定，通过以下计算公式计算残余应力；
残余应力计算公式
Figure RE-FDA0002436972280000021
式中：σ轧制 初始和σ横向 初始分别为初始纵长和横向残余应力，M横向 弯角为横向弯矩，Iyz为二次截面据，v弹性和v塑性为弹塑性泊松比
13)通过校验算法校正残余应力计算的结果；
14)如果有需要进一步实验的话，可以选取不同样品尺寸的材料重新进行残余应力检测。
2.根据权利要求1所述的冷轧板残余应力预测和测量方法，其特征在于：利用高阶多项式来描述不同厚度层和残余应力的关系，也就是长度方向的残余应力σ轧制 初始和宽度方向的残余应力σ横向 初始可以分别表示为(y为某层的厚度)；
σ轧制 初始≈Lnyn+Ln-1yn-1+Ln-2yn-2+…+L1y1+L0y0 公式一
σ横向 初始≈Tnyn+Tn-1yn-1+Tn-2yn-2+…+T1y1+T0y0 公式二
Ln，Ln-1，Ln-2...L0，Tn，Tn-1，Tn-2...T0为多项式相关系数。
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