轧制过程中轧件裂纹和夹杂物演变行为研究

论文摘要

近年来,随着钢铁工业的发展,对钢铁产品质量的要求越来越高,而轧制钢材上裂纹和夹杂物等是影响产品质量的主要因素。因此,本文针对轧制过程中轧件裂纹萌生、扩展与闭合和夹杂物等的演变行为开展模拟与实验研究,论文的主要研究内容和主要进展如下：1.提出多道次轧制过程中有限元模拟的几何更新方法。并对多道次立—平轧制过程轧件变形行为进行有限元模拟,分析了立辊孔型等因素对轧制过程中轧件头尾不均匀形状、轧件翻边行为、轧件应变场等的影响,通过轧制实验验证了数值模拟结果,两者吻合很好。2.采用几何模型更新方法对多道次立—平轧制过程中轧件角部横向裂纹演变行为进行了有限元模拟。首次采用裂纹表面接触压力分析轧制条件对裂纹闭合程度的影响。获得了轧制过程中裂纹形状、裂纹表面接触压力和裂纹尖端应力等计算结果,分析了立辊孔型、摩擦系数、初始裂纹尺寸等因素对裂纹演变行为的影响,通过轧制实验验证了数值模拟结果的可靠性。同时,应用该方法对多道次立—平轧制过程中轧件边部表面纵向裂纹演变行为进行了模拟研究,分析了裂纹在不同截面的投影形状。在数值模拟结果的基础上,分析了轧件表面裂纹消失的演变行为。3.通过对多道次轧制过程中轧件内部纵向裂纹演变行为的三维模拟研究,获得了轧制过程中裂纹形状和表面接触压力等计算结果。分析了不同轧制阶段裂纹形状的演变行为,并分析了立辊孔型、裂纹位置等因素对裂纹扩展与闭合的影响。4.通过对热轧过程中轧件内部裂纹愈合行为的轧制实验,分析了不同压下率下裂纹形状、裂纹断口形貌的演变和裂纹愈合区域剪切强度的变化规律。采用热力模拟实验的方法对轧件内部裂纹愈合行为进行模拟,采用扫描电镜分析了不同加热速度、加热温度、保温时间、应变速度、压下率、压下道次等条件下裂纹的形貌,并分析了各因素对裂纹愈合行为的影响。在实验结果的基础上,提出了轧制变形条件下轧件内部裂纹的愈合机理。5.利用扫描电镜分析了轧件内部常见的夹杂物形状,通过能谱分析检测了夹杂物的主要化学成份。在此基础上,首次对多道次轧制过程轧件内部微米尺寸的夹杂物演变行为进行了三维数值模拟,获得了不同夹杂物尺寸、位置、工作辊直径等条件下夹杂物形状、夹杂物及其附近区域应变场、夹杂物在轧件中的相对位置,分析了夹杂物变形行为对轧件内部裂纹产生的影响。6.轧制过程中,轧件基体围绕夹杂物存在着较大的应变梯度,夹杂物直径增加,对于难变形夹杂物,夹杂物与基体之间应变梯度增加。对夹杂物与轧件基体脱离时夹杂物变形行为进行了二维数值模拟,分析了夹杂物尺寸、形状和位置对轧制过程中夹杂物周围裂纹萌生的影响。通过对轧制过程轧件裂纹、夹杂物的演变行为研究,丰富了轧制条件下裂纹和夹杂物的演变行为的理论,同时,研究结果对企业提高轧件质量具有指导作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 多道次轧制过程轧件变形行为数值模拟研究进展
• 1.2.2 轧制过程中轧件夹杂物和裂纹演变行为研究进展
• 1.3 研究背景和主要研究内容
• 1.3.1 研究背景
• 1.3.2 主要研究内容
• 第2章 多道次轧制有限元模型与应用
• 2.1 显式动力学有限元方法基本理论
• 2.2 弹塑性本构方程
• 2.3 轧制过程中接触问题的罚函数法
• 2.3.1 接触问题的弱形式
• 2.3.2 罚函数法的有限元方程
• 2.4 多道次轧制过程几何模型更新实现
• 2.5 多道次轧制过程轧件变形行为分析
• 2.5.1 有限元模型与参数
• 2.5.2 多道次轧制过程轧件变形行为的模拟结果
• 2.5.3 轧制实验验证
• 2.6 本章小结
• 第3章 轧制过程轧件表面裂纹演变研究
• 3.1 轧制过程轧件角部横向裂纹演变行为
• 3.1.1 轧制过程裂纹的扩展与闭合
• 3.1.2 轧制过程裂纹表面接触压力
• 3.1.3 轧制过程裂纹尖端应力
• 3.1.4 轧件表面横向裂纹扩展与闭合的轧制实验
• 3.2 轧制过程轧件表面纵向裂纹演变行为
• 3.2.1 轧制过程纵向裂纹形状变化
• 3.2.2 轧件表面纵向裂纹演变行为的轧制实验
• 3.3 轧制过程轧件表面裂纹演变机制
• 3.4 本章小结
• 第4章 轧制过程轧件内部裂纹演变研究
• 4.1 轧制过程轧件内部裂纹演变行为的数值分析
• 4.1.1 轧制过程裂纹形状变化
• 4.1.2 轧制过程轧件内部裂纹表面接触压力
• 4.2 轧件内部裂纹愈合行为的热轧实验研究
• 4.2.1 试样制备与实验方案
• 4.2.2 实验结果与分析
• 4.3 轧件内部裂纹愈合行为热力模拟实验研究
• 4.3.1 裂纹愈合的热力模拟实验研究
• 4.3.2 裂纹愈合行为分析
• 4.4 轧制过程轧件内部裂纹愈合机制
• 4.5 本章小结
• 第5章 轧制过程轧件内部夹杂物演变研究
• 5.1 轧件中夹杂物的检测
• 5.2 轧制过程轧件内部夹杂物演变行为的数值模拟
• 5.2.1 模型中几何和材料参数
• 5.2.2 含有夹杂物的轧件轧制有限元模型
• 5.3 轧制过程夹杂物形状变化
• 5.3.1 夹杂物尺寸对轧制过程中夹杂物形状变化的影响
• 5.3.2 夹杂物位置对轧制过程中夹杂物形状变化的影响
• 5.3.3 工作辊直径对轧制过程中夹杂物形状的影响
• 5.3.4 夹杂物变形能力对轧制过程中夹杂物形状变化的影响
• 5.4 轧制过程夹杂物及其附近区域基体应变分布
• 5.4.1 夹杂物变形能力对夹杂物及附近区域应变分布的影响
• 5.4.2 夹杂物位置对夹杂物及附近区域应变分布的影响
• 5.4.3 工作辊直径对夹杂物及附近区域应变分布的影响
• 5.5 轧制过程夹杂物在轧件中相对位置变化
• 5.5.1 夹杂物直径对轧制过程中夹杂物在轧件中相对位置的影响
• 5.5.2 夹杂物变形能力轧制过程中夹杂物在轧件中相对位置的影响
• 5.5.3 夹杂物位置对轧制过程中夹杂物在轧件中相对位置的影响
• 5.5.4 工作辊直径对轧制过程中夹杂物在轧件中相对位置的影响
• 5.6 夹杂物与轧件基体之间裂纹形成
• 5.7 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 博士期间完成的主要研究工作
• 一、发表的学术论文
• 二、已录用待发表的学术论文
• 三、已投稿在审稿件
• 四、参与出版的学术著作
• 五、获取的国家软件注册权
• 六、专利申请
• 七、获奖情况
• 八、参与的科研项目
• 致谢
• 作者简介