带钢轧制过程损伤与开裂行为的研究

发布时间：2019-05-09 08:19

【摘要】：轧制是薄板生产的一种重要方法,其最终产品冷轧薄板被广泛应用于电力、汽车、建筑、产业设备等各个国民生产的关键领域,其技术和产量已经成为衡量一个国家工业化进程的重要指标。生产中带钢材料不可避免的存在各种缺陷(如夹杂、孔洞、裂纹等),缺陷在冷轧过程中承受巨大的塑性变形而扩展,将造成带钢的质量下降或边部开裂,严重情况下还会引起带钢的断带,影响生产的连续性,降低生产效率,甚至还会对生产设备造成损坏。由于轧制过程中在轧制变形区内金属材料处于非常复杂的应力状态,目前国内外对于轧制工艺条件下带钢材料的损伤和断裂机理的理论研究还非常薄弱,缺乏完整的理论体系。因此开展对带钢在轧制过程中的损伤和断裂机理的研究,不仅具有一定的理论创新性,同时对预防和控制轧制过程中边裂和断带具有非常重要工程实用价值。本文首先通过理论推导的方法,分析了轧制过程中带钢在轧制变形区内的应力分布规律。考虑轧制过程中应力分布的边部效应,将轧制变形区从宽度方向分为中部区域和两个边部区域,边部区域根据金属材料的流变状态又分为停滞过渡区和完全滑动区,建立了整个轧制变形区内的应力分布解析表达式。并讨论了各个轧制参数对整个轧制变形区内的应力分布的影响规律。基于轧制变形区的应力状态,提出采用剪切修正GTN损伤模型对轧制过程中带钢边部的损伤与开裂行为进行数值仿真研究。推导了剪切修正GTN模型的损伤本构方程及其数值算法,并编写VUMAT材料子程序实现损伤模型在ABAQUS\Explicit中的有限元运算。并给出了标定金属材料关于剪切修正GTN模型损伤参数的一套方法。建立轧制过程有限元模型,基于剪切修正GTN损伤模型分析了带钢在轧制过程中的损伤演化及分布规律,结果表明轧制过程中带钢边缘区域的损伤要明显高于中部区域,这与实际生产中带钢容易出现边部开裂的现象是吻合的。采用正交试验分析的方法,研究了轧制半径、压下率、摩擦系数和张力等工艺参数对带钢边部损伤值的影响规律。随着轧制压下率和轧制张力的增大,带钢边部损伤值越大,而随着轧辊半径和摩擦系数的增大,损伤值会略有减小在带钢边部预制缺陷,进行轧制实验和有限元仿真分析,结果表明：含边部缺陷带钢在轧制过程中容易在缺陷尖端沿45°和135°方向产生了两条裂纹,且以135°位置的裂纹为主裂纹,扩展方向与轧制方向相反。主裂纹的扩展长度随着压下率和张力增大而增大,随着轧辊半径和摩擦系数的增大而减小。同时,分析了带钢边部不同尺寸形式的V-型缺陷在多道次轧制过程中的变形和开裂行为,V-型缺陷的宽度越大,长度越小,轧制过程中缺陷尖端越不容易形成裂纹。基于剪切修正GTN损伤模型对带钢轧制过程边部缺陷开裂行为和机理的研究,提出了一种带钢边部缺陷在轧制过程中的扩展准则。在准则中缺陷扩展的驱动力定义为缺陷尖端等效应力和静水应力的加权组合形式,当组合应力和材料抗拉强度的比值大于1则认为材料失效。采用有限元模拟和数学回归方法得到带钢边部缺陷尖端的最大等效应力和静水应力对工艺参数、材料力学属性和缺陷尺寸等轧制参数的函数关系,建立了带钢边部缺陷在以上轧制参数条件下的扩展判据的数学表达式。通过不同的轧制参数下的轧制实验验证了缺陷扩展判据的正确性,并最终给出轧制过程失效评定图,指导轧制生产实践。
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【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG335

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