冷轧带钢残余应力及其对板形影响的研究
矿产资源开发利用方案编写内容要求及审查大纲
矿产资源开发利用方案编写内容要求及《矿产资源开发利用方案》审查大纲一、概述
㈠矿区位置、隶属关系和企业性质。
如为改扩建矿山, 应说明矿山现状、
特点及存在的主要问题。
㈡编制依据
(1简述项目前期工作进展情况及与有关方面对项目的意向性协议情况。
(2 列出开发利用方案编制所依据的主要基础性资料的名称。
如经储量管理部门认定的矿区地质勘探报告、选矿试验报告、加工利用试验报告、工程地质初评资料、矿区水文资料和供水资料等。
对改、扩建矿山应有生产实际资料, 如矿山总平面现状图、矿床开拓系统图、采场现状图和主要采选设备清单等。
二、矿产品需求现状和预测
㈠该矿产在国内需求情况和市场供应情况
1、矿产品现状及加工利用趋向。
2、国内近、远期的需求量及主要销向预测。
㈡产品价格分析
1、国内矿产品价格现状。
2、矿产品价格稳定性及变化趋势。
三、矿产资源概况
㈠矿区总体概况
1、矿区总体规划情况。
2、矿区矿产资源概况。
3、该设计与矿区总体开发的关系。
㈡该设计项目的资源概况
1、矿床地质及构造特征。
2、矿床开采技术条件及水文地质条件。
冷轧薄板带残余应力的研究
一
作 者 简 介 ：何 宗 霖 男
，
，
19 8 2
年生 现 在太原科技大
， ，
学 材料 科 学 与 工 程 学 院读 硕 士 研 究 生 研 究 方 向 ：机 械 设 计
。
T e l ：1 3 8 3 4 6 8 7 4 3 5 E
，
—
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l ： 9 6 2 5 7 3 @ 16 3 6
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，
科 学 轧 件 轧辊统
。
的板 形 理 论 可 以 把 现 代控制 理 论 直接 应 用 于 板 带轧制过 程 是 最 优 控 制综合 在 简化
一
利 用 对 称 性 使模 型 尽 量 简 化
四 辊 低计 算 费 用 [ 。。 ]
。
，
，
，
并且 受 力 及 约 束 条件
日铁 和 美 国 为代 表 的 以 轧 件 为 基 础 的 动态遗 传 理 论
；
定 理 论 意 义 和 实用 价 值 形 研 究 提 供 了新 素 材
1
。
而 且 为 目前普 遍 关 注 的板
第 三 阶段 为 北 京钢 铁 研究 总 院建 立 的轧 件轧 辊 统
。
一
四 辊 板 带冷 轧 的 建 模 过 程
一
装 备 降低消耗 简便 操 作 的条件 下 提 高产 品 质 量
、 、
。
也 对 称 故 在 建模 取 整 体 的 四 分 之
进 行分析 根 据
。 。
关 于 残 余 应 力 对 材 料 性 能 的影 响 实际工 程 中的巨 大意义
视
。 ，
[
川
，
以 及 它在
实 际 情 况 将 轧辊 和 板 带 全 部定 义 为变 形 体
残余应力对材料性能影响研究
残余应力对材料性能影响研究随着现代工业技术的发展，工程材料的强度和耐久性要求也越来越高。
残余应力是一种常见的材料力学问题，它的存在可能会对材料的性能产生影响。
本文将针对残余应力在材料性能中的影响进行探讨。
一、残余应力产生机制残余应力的产生是由于材料在制造过程中受到的外界力量和温度变化引起的应力。
在材料加工、风化等过程中，典型产生残余应力的原因包括：析出、热处理、涂覆、焊接、机械加工、变形等。
在制造过程中，材料的细微变化会导致残余应力的存在，通常分为压应力和拉应力两种情况。
残余应力虽然不会引起材料失效，但它能够显著影响材料的性能。
二、残余应力影响性能的原因残余应力的存在会影响材料的物理、力学性质以及耐腐蚀性。
这主要是由于残余应力可能会促使材料发生塑性形变。
对于金属材料，残余应力还会改变点阵的结构，导致单个晶粒变形。
在分子层面上，残余应力可能会影响材料的离子、分子等小尺寸物理特性。
三、残余应力的测试方法为了探究残余应力的大小和分布状况，科学家们采用了多种方法来进行测试。
其中一种常见的测试方法是X射线衍射法。
该方法可以通过测量材料晶体中 X 射线的散射角度，计算出材料的应力大小和分布情况。
另外，还有电子背散射衍射法、中子衍射法等其他的测试方法。
四、消除残余应力的方法为了减少残余应力对材料性能的影响，在材料的生产、加工过程中需要考虑消除残余应力的方法。
一方面，可以在加工过程中采用较小的力量和温度，以减少应力的产生。
另一方面，可以将材料进行退火处理，使原本的残余应力减小到可接受的范围。
总之，残余应力是一个广泛存在于工业生产过程中的材料问题。
尽管它并不会引起材料的失效，但它的存在会对材料的性能产生影响。
为了更好地应对残余应力对材料的影响，我们需要通过更深入的研究和测试方法，以及更有效的解决方法，来提高材料的耐久性和使用寿命。
冷轧钢卷内部应力的影响因素研究
为任意层带钢的径向位移和半径；uj、uj+1分别为卷上 n圈带钢后第j层和j+1层带钢的径向位移。
对于广义平面应力状态，切向应变方程如下：
= εθ
1 E
(σθ
− µσ r )
(5)
式中：E、μ分别为带钢的弹性模量和泊松比。
卷上去的带钢原来张力为σ0，由于外圈压力使 内圈产生变形εθ，从而引起周向应力的变化。
用定性实验对计算结果进行进一步验证。
冷轧带钢的卷取过程中，带钢卷内应力场不 断变化，会产生错层、折边和层间粘结等缺陷。此 外，在卸载过程中，带钢卷的内应力发生变化导致 重新分布，会出现一定的平整度缺陷，如下凹(塌 卷)、内凸(心型卷)等[1–4]。为了解决这些缺陷问题， 国内外学者对冷轧带钢卷的内应力进行了大量的理 论分析与探讨[5–10]。周国盈[6]把钢卷作为连续带环多 层组合的弹性圆筒，并考虑了钢卷层间的摩擦，运 用每卷一层钢卷对卷筒施加一次径向压力增量，累 加这些应力增量得出考虑缩径的卷筒的径向压力。 计算时把卷取张力(周向应力)取平均值，然而周向应 力是逐层变化的，把径向弹性模量当常量处理，没 有考虑钢卷的各向异性。Wang等[7]在计算冷轧带钢 卷取过程中的应力时忽略了带钢层间径向弹性模量 的变化。连家创[8–10]开始用逐层迭代的方法导出钢卷
21
Metal World
冷轧卷取
取第i层时，钢卷内第j层带钢径向和周向应力的变化
规律以及钢卷内第j层带钢径向应力与钢卷稳定性的
关系，进而建立一套相对准确的卷取张力体系。考
虑卷取第i层时对第j层带钢应力影响，根据图1计算
时，σr用径向压力 综上得：
−
pj
+ p j+1 2
表示，drj=hj
冷轧带钢主要板形缺陷
一、压痕原因：1、因勒带或穿带甩尾不正常，带钢在工作辊表面造成堆焊或粘接2、在轧机空转时预压力过小，造成工作辊与支撑辊点接触而使支撑辊周长磨损，受损支撑辊反过来造成新更换工作辊表面压印而造成带钢表面压痕3、支撑辊掉肉造成工作辊表面压印，即在带钢表面产生压痕措施：1、轻微小面积压痕可对工作辊进行修磨（用砂石），严重压痕应更换工作辊2、轧机空转时给一定轧制压力或采用正弯辊，以避免局部损伤轧辊，发现支撑辊局部损伤，避免使用负弯辊，减轻轧辊表面压痕深度，勤换工作辊，必要时及时更换支撑辊二、压印特征：带钢表面呈周期性凸状印痕原因：工作辊表面产生裂纹或掉皮措施：1、更换新工作辊之前，严格检查轧辊表面质量，防止未磨净裂纹辊投入使用（轧辊间应确保应有磨削量，特别是粘钢辊，以完全消除裂纹层）。
2、确保各机架工艺润滑良好，轧制液温度、浓度、压力在正常范围，防止喷嘴堵塞，避免轧辊局部温度过高3、发现压印及时更换轧辊，更换新辊后，要进行一定预热，同时，开轧头几卷钢要严格控制升速制度三、划伤特征：带钢沿轧制方向的直线凹状缺陷原因： 1、各种导辊与带钢速度不一样2、带钢与辅助设备异常接触3、生产线设备有异物措施：1、定期检查辅助传动辊是否转动灵活及表面状况2、固定辅助设备与带钢应保持一定间隔3、及时检查、清除生产线设备中的异物4、发现带钢表面有划伤，应从后向前逐个检查，查出事故原因后，根据情况采取的办法给予处理。
四、裂边特征：带钢边部局部开裂或呈锯齿形裂口五、原因：1、酸洗剪切边部状况不好，造成轧后带钢裂边2、热轧板本身边部裂口或龟裂3、吊运中夹钳碰撞，使带钢边部碰损措施：1、酸洗剪切边剪刃间隙，应按剪切的不同厚度规格精确调节2、热轧原板边部缺陷应在酸洗工序尽量切除（呈月牙形）3、吊运钢卷时，夹钳应稳、准、轻，防止吊具将钢卷边部碰损五、热划伤特征：带钢表面沿轧制方向无规律的局部条状凹痕原因：1、轧辊和带钢温升过高2、轧制薄规格时，在高速高压下，轧制油的油膜强度不够，使润滑不良所致措施：1正确选择轧制油浓度和轧制油类型，确保良好的润滑性能2使各机架的负荷分配尽量均匀3正确选择轧制液的温度、压力，确保良好的冷却性4选择适当的轧制速度，在润滑和冷却不好的情况下，轧制速度不应超过1000mpm5、当已经发现有较严重的热划伤时，立即更换工作辊六、轧穿特征：带钢表面呈周期性孔洞原因：1、工作辊表面严重粘接2、严重粘辊裂纹（一般前架板面产生压印，经后架轧钢延伸造成轧穿）3、轧辊表面凹状缺陷措施：1、更换新工作辊2、防止异物掉入轧机进入辊缝，避免轧辊表面损伤七、板形缺陷A、双边浪特征：带钢两边呈可见波纹状原因：轧辊凸度小，轧制压力过大，轧制温度低、正负弯辊使用不当措施：减小轧制压力或加大后张力，合理控制好辊型，将工作辊中间部分轧制液流量尽量减小，增大正弯辊B、单边浪特征：带钢一边呈可见波浪状原因：有浪一边轧制力过大，轧辊温度不均，工作辊水平未调好，来料厚度不均（楔形）措施：通过压下双摆，将有浪一边轧制力减小，严格要求原料同板厚差不超规定，头尾有镰刀弯在酸洗一定.要剪掉C、中间浪特征：带钢中部呈可见波浪状原因：与双边浪相反措施：与双边浪相反D、二肋浪特征：带钢沿宽度方向1/4、3/4处或部分区域呈可见波浪状原因：轧制温度不均，局部过热与浪相对应的轧辊冷却液喷嘴堵塞措施：加大二肋浪部位的轧制液流量，认真检查二肋浪部位喷嘴是否堵塞八、厚度不均或不合特征：带钢沿轧制方向厚度波动变化超出产品要求或轧制成品厚度与产品要求厚度不符原因：1、热轧原料本身厚度不均，材质硬度不均2、AGC系统没有投入时，压下及速度调节不及时3、各机架张力波动范围过大4、测厚仪（特别是最后机架）不准措施：1、确保热轧原料厚度精度，对严重超厚或超薄部分应切除，轧制中发现原料厚度波动，应及时降速，待调节好后再升速，当厚度波动严重时，要停机，然后按实际厚度进行手设定计算，再启动设备进行轧制2、AGC系统没有投入使用时，随速度的变化及时调节轧制力和张力，保证厚度精度正常3、严格保证系统的张力稳定4、定期检查测厚仪的精度，轧制时如发现异常状况，及时检查、核对成品实物厚度与测厚仪显示的一致性，否则立即通知计控人员进行处理九、卷形A、溢出边特征：钢卷边部局部不齐原因：酸洗来料溢出边，热轧板形较差，卷取张力过小及波动，轧制压力不稳定，入口无跑偏控制装置措施：发现原料溢出边严重时，人工首先降速，及时采取手动对中调节，严格控制好板形，对带头板形不好的部分，应切除，严格控制卷取张力，确保压下稳定正常，尽快使人工跑偏控制装置投入使用，一旦出现严重溢边，在最后机架分卷B、塔形特征：钢卷边部呈弧形状原因：酸洗卷塔形，带钢头部板形不良或卷心有废带头，卷取张力过小，卷心与卷取机卷筒之间有窜动，各架侧倒板间隙过大等因素，均可造成卷取时钢卷塔形措施：轧制酸洗塔形卷时速度不能高，人工随时进行对中调节，当实在无法纠偏时，最后机架轧钢工根据情况进行分卷，严格控制好穿带头部倒板，当带头板形不好时，应及时切除，废带头一定不能卷入卷心，确保卷取张力正常，满足工艺制度的要求，无论在何种情况下，发现塔型应立即分卷C、心形卷特征：钢卷内径局部下凹原因：带卷头部卷取张力过小，轧制规格薄措施：提高头部卷取张力，一般应大于设定张力20~30%，适当增大带头厚度，必要时更换小直径卷筒D、抽心卸卷时，卷取机卷筒将卷心部分带出，或是热处理吊车在掉卷时，将卷心部分吊起，无法将钢卷吊走特征：钢卷内径局部溢出原因：带钢头部板形不好，卷心卷取张力过小，卷取机卷筒位移或钢卷小车上塑料垫磨损不均，造成钢卷中心与卷筒中心不一致措施：确保带钢头部板形良好，特别是废带头不要卷入内径，手动方式加大头部卷取张力，将偏移的卷取机复位，同时更换已磨损的钢卷小车塑料垫块，经常检查吊具的表面状况及磨损程度E、塌卷特征：钢卷卧放时呈椭圆状原因：在整个轧制过程中，卷取张力都小于设定张力，卸卷以后便暴露，尤其以薄规格产品为明显，经吊车吊运后会发生卷内孔径全塌，厚规格产品，经退火后平整机上料时暴露出来措施：在张力调节系统或张力设定不正常时，要通过手动操作方式，将卷取张力升高，以保证带钢头部及整卷的卷取张力符合工艺的要求，避免质量和安全事故的发生粘结、氧化色和性能不合格是冷轧薄板退火工序中存在的三大问题，尤其是粘结与氧化色这两种缺陷较为突出。
X射线衍射法测量冷轧带钢残余应力_张雅琴
第30卷 第1期太原科技大学学报Vo.l 30 No .12009年2月J OURNAL OF TA I YUAN UN I VERSI T Y OF SC I ENCE AND TEC HNOLOGYFeb .2009文章编号:1673-2057(2009)01-0044-04收稿日期:2008-10-07作者简介:张雅琴(1965-),女,副教授,主要研究方向为材料加工成型。
X 射线衍射法测量冷轧带钢残余应力张雅琴,何宗霖(太原科技大学,太原030024)摘 要:残余应力的不均匀分布是影响板形的根本原因。
为了深入了解冷轧带钢残余应力的分布情况,文章采用X 射线衍射法对在不同轧制条件下冷轧后带钢的残余应力进行了测量分析,研究了残余应力沿板厚方向的变化、张力对残余应力分布的影响以及残余应力与板形的关系。
研究的结论对制定与完善板带轧制规程、提高板形质量具有重要意义。
关键词:冷轧板;残余应力;张力;板形;X 射线衍射法中图分类号:TG33312 文献标识码:A轧制过程中金属的不均匀变形导致了板带中残余应力的存在,残余应力的不均匀分布又是板形不良的根本原因。
对此人们早有认识,也有不少学者及业内人士进行了研究。
如周长林等人用电测法、云纹法和X 射线法等方法测定了高精度不锈钢板的残余应力,并对几种方法进行了比较和分析[1];张秀玲等人基于残余应力与板形的关系,利用残余应力的横向分布建立了板形控制的传递矩阵方法[2];曾纪杰等人分析了板带轧制时产生的残余应力,推导了残余应力引起的板带失效起皱的临界参数计算公式[3];赵丽丽等人采用有限元的方法分析了铝板冷轧后残余应力的分布[4]。
但无论是实验的还是理论方面的研究都显不足,尤其是关于影响残余应力分布的因素以及残余应力的分布与板形的关系等方面的研究工作开展的还很少。
另一方面,大家都知道张力对板形有很大影响,也进行了一些研究。
如刘立文、刘华等人采用有限元的方法研究了张力对冷轧薄带板形的影响[5,6],周庆田也根据弹性力学的叠加原理,建立了一套辊系弹性变形模型,定量地分析了平均张力的变化对板形的影响[7]。
钢轨中残余应力的产生、影响及调控研究现状
第48卷第1期燕山大学学报Vol.48No.12024年1月Journal of Yanshan UniversityJan.2024㊀㊀文章编号:1007-791X (2024)01-0001-10钢轨中残余应力的产生㊁影响及调控研究现状王建军1,李宏光1,王庆超1,董润洲1,杨志南1,2,∗,张福成3(1.燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心,河北秦皇岛066004;2.燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室,河北秦皇岛066004;3.华北理工大学冶金与能源学院,河北唐山063210)㊀㊀收稿日期:2023-07-11㊀㊀㊀责任编辑:温茂森㊀㊀基金项目:国家重点研发计划资助项目(2021YFB3703500);国家自然科学基金资助项目(52122410,52374406);河北省自然科学基金资助项目(E2023203259)㊀㊀作者简介:王建军(1990-),男,河北唐山人,博士研究生,主要研究方向为残余应力分析与调控;∗通信作者:杨志南(1985-),男,河北迁安人,博士,教授,博士生导师,主要研究方向为先进钢铁材料制备关键技术,Email:zhinanyang@㊂摘㊀要:近年来随着我国高速㊁重载铁路的快速发展,列车速度的提升㊁轴重的加大对钢轨服役性能的可靠性提出了更高的要求㊂如果钢轨中的残余应力过大且处于不利的分布状态,容易促进疲劳裂纹的形成,并加速扩展,从而严重影响其服役性能㊂本文汇总了当前针对钢轨中残余应力的测量方法,并论述了钢轨中残余应力的产生原因及其对综合性能的影响机制㊂同时,依据钢轨生产的工艺流程,从预弯㊁冷却㊁矫直㊁回火等方面出发,综述了国内外研究者在钢轨残余应力演变及其调控领域所取得的成果㊂最后,对钢轨残余应力演变与调控技术的发展进行了展望㊂关键词:钢轨;贝氏体;残余应力;制造工艺;调控中图分类号:TG142㊀㊀文献标识码:A㊀㊀DOI :10.3969/j.issn.1007-791X.2024.01.0010㊀引言近几年来,我国在高速㊁重载铁路领域的发展已经迈入世界前列㊂列车速度的提升㊁轴重的加大,对铁路轨道服役性能的稳定性和可靠性提出更高要求,以保证铁路运输安全㊁高效㊂钢轨是最主要的铁路轨道部件之一,其制造过程主要包括热轧㊁冷却和矫直等工序[1]㊂在此过程中,钢轨不同位置的冷却速度和变形量存在差异,导致钢轨在成形后会在内部形成较大的残余应力[2]㊂钢轨钢按微观组织分类,主要有珠光体型和贝氏体型两大类㊂相对于珠光体钢轨,贝氏体钢轨的强度更高,矫直时需要矫直辊输出更大的压下力,造成贝氏体钢轨的残余应力也更大[3-4]㊂因此,贝氏体钢轨在矫直后,会进一步进行回火处理,以降低残余应力,并进一步提高韧性㊁稳定组织[5]㊂残余应力会显著影响钢轨的抗疲劳㊁抗腐蚀等性能[6-8],从而严重制约钢轨的寿命及可靠性㊂因此,对钢轨中残余应力的调控至关重要㊂本文将从钢轨中残余应力的测量方法㊁产生原因㊁对钢轨综合性能的影响以及调控方法等方面,综述近年来的发展状况,以期为当前钢轨中残余应力调控提供指导㊂1㊀钢轨中残余应力的测量方法简介残余应力是指产生应力的各种外部因素(外力㊁温度变化等)去除后,在物体内部保持平衡的一种内应力[9]㊂为准确认识钢轨中的残余应力状态,研究者在钢轨残余应力测量方面做了很多工作[10-13]㊂根据我国铁道行业标准TB /T 23442012‘43kg /m ~75kg /m 钢轨订货技术条件“中规定的钢轨轨底残余应力测量方法,韩志杰等发现经过矫直60kg /m 规格U75V 钢轨的轨底残余应力由83MPa 提高到220MPa,这表明矫直工艺可显著提高钢轨轨底的残余拉应力[10]㊂刘佳朋等采用X 射线衍射法测量并绘制出钢轨横截面上残余2㊀燕山大学学报2024应力的分布,如图1所示[11]㊂这使研究人员对钢轨中残余应力的三维分布有了更清晰的认识㊂Kang 等分别采用X 射线衍射法和切片法对60E2钢轨底部的残余应力进行对比研究,发现采用两种方法测量的结果差异较大,如图2所示㊂通过与之前文献结果相比,研究者认为用切片法测定的残余应力值相对可靠[12]㊂虽然采用X 射线衍射法测量钢轨残余应力存在一定的误差,但是采用该方法可以进行无损测量,因此X 射线衍射法在测量残余应力方面得到广泛应用㊂此外,Wang 等提出了一种利用激光超声技术无损测量钢轨踏面残余应力的方法[13]㊂该方法对物体检测表面的要求不高,且可以无接触测量,为钢轨中残余应力的无损测量提供了新的选择㊂图1㊀X 射线衍射法测得的在线热处理贝氏体钢轨残余应力Fig.1㊀Residual stress of on-line heat treated bainite rail measured by X-ray diffraction图2㊀切片法和X 射线衍射法测量钢轨中残余应力值对比Fig.2㊀Comparison of residual stress values in rail measuredby sectioning method and X-ray diffraction method2㊀钢轨中残余应力的产生及其对综合性能的影响2.1㊀钢轨中残余应力的产生钢轨中的残余应力主要有两个来源:一是钢轨在制造过程中因其不同位置的冷却速度和变形量存在差异而产生,二是钢轨在服役过程中由于轮轨接触表面发生塑性变形而产生[14]㊂钢轨在制造过程中,要经过热轧成型㊁冷却㊁矫直㊁回火等工艺㊂热轧成型的钢轨在随后冷却过程中,由于钢轨表面与内部的冷却速度存在差异以及相变发生,导致钢轨内部形成很大的热应力和组织应力㊂在两种应力的共同驱动下,钢轨不同位置的变形量存在差异,因而产生残余应力㊂同时,因为轨腰和轨底的比表面积比轨头大,轨腰和轨底的冷却速度比轨头快;因此,在冷却后期轨头部位的收缩量更大,导致钢轨产生较大的残余应力并产生弯向轨头的弯曲变形㊂钢轨冷却后残余应力分布规律如图3(b)所示,在轨头表面为纵向残余压应力,轨腰和轨底表面为纵向残余拉应力㊂由于钢轨在冷却后产生了弯曲变形,须经矫直后才能使用㊂目前国内外普遍使用的矫直方法是辊式矫直机矫直㊂在矫直辊巨大的弯曲应力㊁剪切应力和接触应力的作用下,钢轨的不同部位发生不同程度的塑性变形,轨头和轨底在矫直后横向变长,纵向变短,而轨腰纵向变得更长㊂因此,矫直后的钢轨在轨头和轨底产生纵向拉伸应力,轨腰产生纵向压缩应力,从轨头到轨底呈C 形分布,与矫直前的应力分布发生明显变化[14],如图3(c)所示㊂钢轨的材质显著影响钢轨矫直后的残余应力大小㊂由表1可知,贝氏体钢轨轨头和轨底的残余应力比珠光体钢轨相应位置的残余应力高得第1期王建军等㊀钢轨中残余应力的产生㊁影响及调控研究现状3㊀多㊂这是因为贝氏体钢轨的强度更高,矫直时需要矫直辊输出更大的压下力,造成贝氏体钢轨的残余应力也更大[4]㊂因此,降低贝氏体钢轨的残余应力是一项重要课题㊂图3㊀热轧钢轨表面纵向残余应力分布图Fig.3㊀Longitudinal residual stress distribution on thesurface of hot rolled rail表1㊀辊矫后60kg/m 贝氏体钢轨与珠光体钢轨残余应力对比Tab.1㊀Comparison of residual stress between bainiterail and pearlite rail after straighteningMPa钢种材质编号轨头轨腰轨底贝氏体U20Mn2SiCrNiMo-1255.2-148.6335.5U20Mn2SiCrNiMo-2236.4-127.1314.2U20Mn2SiCrNiMo-3231.0-143.7337.0平均240.9-139.8328.9珠光体U75V-1179.7-152.6199.8U75V-2130.8-151.9212.8U75V-3229.6-170.8211.1平均180.0-158.4207.9㊀㊀新钢轨在服役过程中,由于受车轮接触应力和摩擦力的作用,在轮轨接触表面发生塑性变形,也会引入一定的残余应力㊂该残余应力与钢轨中原有的残余应力相互叠加,使钢轨残余应力的分布发生一些变化,如图4所示[15]㊂轨头表面的纵向残余应力由拉应力变为压应力㊂轨腰和轨底残余应力在数值上变小,但分布规律变化不大㊂随着服役时间的增加,钢轨各部位残余应力分布状态逐渐趋于稳定㊂此外,打磨作为钢轨常用的养护手段,也会在钢轨中引入残余应力[16]㊂在打磨过程中,砂轮和钢轨的强烈摩擦会使钢轨表面局部温度迅速上升,造成钢轨表面与内部形成很大的温差㊂在冷却过程中,钢轨表面的收缩变形程度大于钢轨内部,但是钢轨表面的收缩变形受到钢轨内部材料的约束㊂因此,打磨结束后,在钢轨磨削区域的表层会产生较大的残余拉应力[17]㊂图4㊀轮轨循环滚动接触过程钢轨纵向残余应力变化曲线Fig.4㊀Variation curve of longitudinal residual stress inrail during wheel-rail rolling contact2.2㊀残余应力对钢轨疲劳断裂的影响如果钢轨内部的残余应力数值偏大且分布不当,会显著影响钢轨的综合性能㊂当钢轨轨头部位的纵向残余拉应力偏大时,如果在踏面亚表层处存在夹杂物等缺陷,或出现亚表层水平裂纹时,容易诱发钢轨横向疲劳断裂,造成断轨事故[18],如图5所示㊂在轨底,由于车轮通过引起的弯曲应力和残余应力都呈拉应力状态,两个拉应力叠加容易在轨底的缺陷处诱发疲劳裂纹㊂轨底过大的残余拉应力将直接影响钢轨的疲劳寿命,所以需要对其进行限制㊂我国铁道行业标准TB /T 2344 2012‘43kg /m ~75kg /m 钢轨订货技术条件“中对珠光体钢轨残余应力的要求是轨底纵向残余应力不能超过250MPa㊂对于贝氏体钢轨,铁总科技颁发的暂行技术条件TJ /GW 1172013‘U20Mn2SiCrNiMo 贝氏体钢轨暂行技术条件“规定轨底纵向残余应力不能超过330MPa㊂当轨腰存在较高的纵向残余压应力时,由于泊松效应,将在轨腰高度方向上形成残余拉应力,容易诱发钢轨轨腰的水平开裂[14]㊂钢轨中的残余应力㊁车轮作用在钢轨上的弯曲应力㊁接触应力在轨顶部位纵向方向构成循环应力㊂当轨顶残余应力由296MPa 下降到166MPa 时,纵向循环应力峰值由320MPa 降4㊀燕山大学学报2024低到181MPa,如图6所示[20]㊂由于应力变化范围越大,疲劳寿命越短,因此钢轨轨头部位的纵向残余应力与钢轨轨头疲劳寿命密切相关㊂另外,有研究结果表明,钢轨制造过程产生的残余应力会明显促进疲劳裂纹的萌生[21]㊂裂纹萌生后,残余拉应力将促进裂纹张开,并提高裂纹的最大应力强度因子㊂因此,钢轨轨头的残余拉应力会显著提高初始疲劳裂纹的扩展速率,降低钢轨的使用寿命[22]㊂综上所述,钢轨中的残余应力会显著促进疲劳裂纹的萌生和扩展,影响钢轨的综合性能㊂所以,对钢轨中残余应力的调控至关重要㊂图5㊀钢轨踏面亚表层夹杂物缺陷导致的断轨和裂纹Fig.5㊀Broken rail and cracks caused by inclusion defectsin subsurface of railtread图6㊀不同残余应力值对脉冲疲劳应力的影响Fig.6㊀Effects of different residual stress valueson pulse fatigue stress3㊀钢轨残余应力的调控本章依据钢轨生产的工艺流程,从预弯㊁冷却㊁矫直㊁回火四个方面出发,综述近年来在调控钢轨残余应力方面的研究成果㊂3.1㊀钢轨热预弯工艺对残余应力的影响钢轨轧制完直接冷却,会产生一个弯向轨头的弯曲度㊂热预弯工艺是使用弯轨小车在钢轨冷却前给它一个反向的弯曲变形,在接下来的冷却过程中,该变形可以补偿因钢轨各部位冷却不均匀导致的变形㊂所以,经过热预弯工艺的钢轨在冷却后的弯曲度要比未进行热预弯的小㊂已经证实,钢轨冷却后的矫前弯曲度越小,平直度越好,矫直后钢轨的断面尺寸变化越小㊁残余应力越小[23]㊂所以,研究钢轨矫前弯曲度的变化原理,获取适当的热预弯变形量,有利于降低钢轨最终的残余应力水平㊂秦瑞廷通过数学模型计算得到,钢轨的最佳热预弯变形量大小与相同外部环境下未预弯直接冷却后的弯曲变形量相等,方向为由轨头弯向轨底[24]㊂然而,有观点认为,预弯改变了钢轨在冷却阶段的应力㊁应变和位移等初始条件,若简单按照直接冷却后的变形参数进行预弯并不能达到最佳效果,需要进行适当的修正[25]㊂此外,研究者还得到预弯温度为800ħ时,冷却后的弯曲变形和残余应力均最小㊂除了轧后热预弯工艺,还有学者研究了利用辊径差和压下量差对钢轨进行定向且弯曲量可控的预弯轧法,通过该方法能够有效提高钢轨冷却后的全长平直度,使钢轨在进入矫直机时具有较小的弯曲度[26]㊂3.2㊀钢轨冷却制度对残余应力的影响钢轨在热轧成型后的冷却过程中,受热应力和相变应力的影响,会发生弯曲变形并产生残余应力㊂有研究表明,钢轨在轧后冷却过程中产生的残余应力值较小㊂新钢轨中的残余应力大小取决于矫直阶段[27]㊂还有研究表明,钢轨矫直后残余应力随矫直前弯曲度的增加而增大[23]㊂因此有必要对钢轨冷却过程的弯曲变形规律进行研究,从而开发出一种降低钢轨在冷却过程中弯曲变形程度的工艺㊂通过有限元仿真,可以很直观地得到U75V 钢轨在冷却过程弯曲度的变化情况,如图7所示[28-29]㊂在钢轨冷却初始阶段,由于轨底㊁轨腰比表面积大,冷却速度比轨头快,这时钢轨逐渐由轨头弯向轨底㊂随着冷却的进行,轨底㊁轨腰首先达到相变点,发生固态相变并释放相变潜热,导致轨底㊁轨腰的冷却速度有所减慢㊂与此同时,轨底㊁轨腰部分由于相变产生体积膨胀,使钢轨的弯曲度有所减小㊂轨底㊁轨腰完成相变时,钢轨达到平直状态㊂随后钢轨继续冷却收缩,但轨头收缩变第1期王建军等㊀钢轨中残余应力的产生㊁影响及调控研究现状5㊀形更大㊂钢轨慢慢地由平直变为弯向轨头,直至冷却结束㊂(a)3000s(b)4530s(c)4800s(d)9000s图7㊀钢轨在不同冷却时刻的弯曲变形图Fig.7㊀Bending deformation diagram of railat different cooling time㊀㊀由以上分析可知,钢轨冷却后产生弯曲变形主要是由于钢轨各部位冷却速度不同造成的㊂针对这一问题,Nallathambi 等提出一种基于材料质量分布的控制冷却方法[30]㊂该方法是在质量集中部位加大冷却速度,在边缘和角部降低冷却速度,可以达到降低材料的淬火变形和残余应力的作用㊂这为减小钢轨冷却后的弯曲变形程度提供了思路㊂由于轨头部位比表面积小,同等条件下散热更慢,因此可以采用提高轨头部位换热系数的方法,降低钢轨冷却后弯曲变形程度[31]㊂张文雄通过对钢轨风冷淬火进行数值模拟计算,优化了喷嘴间距㊁喷射距离和喷风压力,使钢轨冷却后弯曲变形程度减小[32]㊂目前,武钢建设了一条钢轨在线热处理生产线㊂该产线通过在轨头和轨底使用不同的喷风压力,可以达到降低钢轨冷却过程弯曲变形程度的目的[33]㊂可见,在钢轨冷却过程中,采用控制冷却的方式,是减小钢轨冷却变形程度,进而减小钢轨矫直后残余应力的发展方向㊂3.3㊀钢轨矫直工艺对残余应力的影响目前,针对钢轨冷却后产生的弯曲变形,大多使用辊式矫直机对其进行矫直㊂辊轮上下交错排列,每3个辊组成一个矫直变形区,共形成7个矫直变形区,如图8所示㊂弯曲变形的钢轨经过各变形区连续反弯,逐渐缩小残余曲率,最终被成功矫直㊂在此过程中,钢轨被反复弯曲,各个部位产生了不同程度的塑性变形,导致矫直后的钢轨内部存在很大的残余应力㊂如何在保证钢轨平直度满足要求的基础上,尽可能地降低钢轨残余应力是一个困扰轨道交通领域多年的难题㊂在过去的几年里,很多学者通过对钢轨矫直过程的数值模拟研究,寻求解释残余应力的演变规律,以及影响残余应力大小的因素[34-38]㊂图8㊀矫直机辊系示意图Fig.8㊀Diagram of straightener roller system㊀㊀由于钢轨在矫直过程中被反复弯曲导致的包辛格效应,很多学者在建立仿真模型时采用了随动强化模型[34-38]㊂Kaiser 等采用中子衍射法㊁等高线法和有限元模拟表征了矫直后钢轨的纵向残余应力分布,发现实验数据和模拟数据吻合良好,如图9所示[34]㊂这为利用有限元方法预测钢轨矫直过程残余应力的演变提供了基础㊂Biempica 等建6㊀燕山大学学报2024立了钢轨矫直过程的一㊁二㊁三维有限元模型,利用这些模型研究了不同的工艺参数对残余应力的影响,为优化工艺提供了参考[35]㊂不同道次的矫直对钢轨最终的残余应力会产生影响,有研究认为R4辊的压下量越大,最终的残余应力越大[36]㊂也有研究认为对钢轨最终残余应力影响最大的是R8辊,其次是R2辊和R6辊[37]㊂此外,钢轨矫直后的残余应力大小不仅与矫直辊总压下量有关,还与各矫直辊压下量之间的匹配有关[38]㊂图9㊀不同方法得到的钢轨横截面中心线纵向残余应力分布Fig.9㊀The longitudinal residual stress distribution along the vertical symmetry axis evaluated by different methods 3.4㊀回火对钢轨残余应力的影响珠光体钢轨矫直后残余应力相对较小,可以满足使用要求㊂因此,珠光体钢轨在矫直后不需回火处理㊂贝氏体钢轨矫直后的残余应力较大,为了消减残余应力,并进一步提高贝氏体钢轨的韧性㊁稳定组织,通常采取回火的处理方法[39]㊂在回火过程中,应力松弛与 材料软化效应 和 蠕变效应 有关[40]㊂ 材料软化效应 是指随着温度的升高,材料的屈服强度和弹性模量逐渐变小,且屈服强度的降低速率更大㊂残余应力是由弹性应变和弹性模量决定的,即屈服强度的降低速率大于残余应力的降低速率㊂当材料的屈服强度低于残余应力时,弹性应变要转化为塑性应变,从而导致最终残余应力的减小㊂蠕变是指在一定温度㊁应力条件下,随时间发生的材料变形不断增大的现象㊂蠕变过程中发生的材料变形将导致应力松弛㊂目前,关于回火消减残余应力的研究主要围绕蠕变展开[41],通过建立幂律蠕变模型揭示热处理过程中残余应力的演变规律[42]㊂有研究结果表明,在回火过程中, 蠕变效应 比 材料软化效应 对消减残余应力的贡献更大[43-44]㊂李智丽等通过实验,研究了保温时间对在线淬火贝氏体钢轨轨底残余应力的影响,得到随着保温时间的延长,钢轨轨底纵向残余应力的降低速度逐渐减小,如图10所示[45]㊂这可能是由于回火过程中内应力的释放导致蠕变效果减弱所致㊂张凤明等研究了保温温度对贝氏体钢轨轨底残余应力的影响,得到随着回火温度的升高,钢轨轨底纵向残余应力显著降低,如图11所示[46]㊂这是因为温度高时材料发生蠕变的驱动力更大所致[47]㊂图10㊀贝氏体钢轨在320ħ回火时轨底残余应力随回火时间的变化Fig.10㊀The variation of rail residual stress withtempering time at320ħ㊀㊀在回火时,不仅要考虑回火参数对钢轨中残余应力的影响,也要考虑回火参数对钢轨力学性能的影响㊂贝氏体组织在回火过程中可能发生残余奥氏体分解[48]㊁碳化物析出[49]㊁位错密度降低以及贝氏体铁素体板条粗化等现象[50]㊂贝氏体组织的变化将直接导致其性能发生改变㊂有研究表明,随着回火的温度升高,贝氏体钢的冲击韧性呈先升高后降低的趋势[51]㊂还有研究表明20CrSiMn2MoV贝氏体钢在250ħ回火时,随着时间的延长,其硬度值和抗拉强度逐渐下降,塑性呈先升高后降低的趋势[52]㊂可见单纯地提高回火温度㊁延长保温时间可能会显著影响贝氏体钢轨的力学性能㊂近期有研究结果表明,一种中碳马氏第1期王建军等㊀钢轨中残余应力的产生㊁影响及调控研究现状7㊀体钢通过高温快速回火可以获得比常规回火更优异的拉伸性能和断裂韧性[53]㊂由于较高的回火温度更有利于残余应力的释放[54],并且在回火初期残余应力的降低速度最快[55],因此高温快速回火工艺可能是贝氏体钢轨残余应力与力学性能协同调控的发展方向㊂图11㊀保温时间为24h 时贝氏体钢轨轨底残余应力随回火温度的变化Fig.11㊀The variation of rail residual stress with temperingtemperature when holding time is 24h4 总结与展望本文在概述钢轨残余应力的测量方法㊁产生原因及其对综合性能影响的基础上,从钢轨制造流程预弯㊁冷却㊁矫直㊁回火四方面,综述了钢轨残余应力的演变规律和调控技术研究进展㊂钢轨经冷却后的矫前弯曲度越小,平直度越好,矫直后钢轨的断面尺寸变化越小㊁残余应力越小㊂在钢轨冷却过程中采用控制冷却的方式,是减小钢轨冷却变形程度,进而减小钢轨矫直后残余应力的发展方向㊂随着钢轨的服役环境越来越苛刻,贝氏体钢轨残余应力大的问题逐渐变得突出㊂在贝氏体钢轨回火过程中,通过提高回火温度㊁延长保温时间,可以降低钢轨的残余应力;但是,回火参数会显著影响贝氏体钢轨的力学性能㊂因此贝氏体钢轨回火时,残余应力的控制与组织性能调控必须协同进行㊂数值模拟作为研究钢轨残余应力演变规律和调控技术的一种重要手段被广泛应用㊂目前,钢轨制造过程中的某些数学模型还不够完善㊂在钢轨冷却过程数学模型的建立过程中需进一步考虑相变产生的组织应力,在贝氏体钢轨矫直过程的力学模型建立过程中还需考虑残余奥氏体的转变情况㊂构建更加完善的数学模型,对于深入了解钢轨残余应力的形成机理㊁开发降低钢轨残余应力方法具有重要意义㊂参考文献1 陈昕.高速重载贝氏体钢轨开发的应用基础研究 D .沈阳 东北大学 2013.CHEN X.Investigation on the application basis for developingbainitic rail for usage of high-speed and over loading railroad D .Shenyang Northeastern University 2013.2 陈岳源 马立忠 易大斌.钢轨残余应力试验分析 J .铁道学报 1982 4 2 72-86.CHEN Y Y MA L Z YI D B.Test and analysis of residual stressin rails J .Journal of the China Railway Society 1982 4 272-86.3 王权 李春龙 付学义 等.钢种㊁轨型及生产工艺对钢轨矫后残余应力的影响 J .金属热处理 2002 27 9 35-37.WANG Q LI C L FU X Y et al.Effects of steel grade rail shapeand process on 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Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part F Journal of Rail and Rapid Transit 2021 235 10 1-13.18王权付学义李智丽.钢轨内残余应力的产生及其危害 J .金属热处理2004 29 6 29-33.WANG Q FU X Y LI Z L.Production of the residual stress in the rail and its harm J .Heat Treatment of Metals 2004 29 6 29-33.19吕晶杨其全邹定强等.贝氏体钢轨母材轨头核伤原因分析 J .铁道建筑2020 60 1 120-124.LYU J YANG Q Q ZOU D Q et al.Analysis on cause of rail head transverse cracks of bainite rail base metal J .Railway Engineering 2020 60 1 120-124.20丁韦高振坤宋宏图等.残余应力对贝氏体钢轨使用缺陷的影响 J .铁道建筑2021 61 6 116-120.DING W GAO Z K SONG H T et al.Research on evaluation standard system of chord measurement for track static geometric irregularity of high speed railway J .Railway Engineering 2021 61 6 116-120.21LI Y CHEN J WANG J et al.Study on the effect of residual stresses on fatigue crack initiation in rails J .International Journal of Fatigue 2020 139 2 105750.22昝晓东王强胜生月等.考虑塑性的钢轨表面疲劳微裂纹分析 J .表面技术2018 47 11 151-156.ZAN X D WANG Q S SHENG Y et al.Analysis of fatigue micro-crack on rail surface under plasticity J .Surface Technology 2018 4711 151-156.23梁婕袁希金张亚军等.重轨矫直残余应力有限元模拟研究 J .山西冶金2020 43 2 46-48.LIANG J YUAN X J ZHANG Y J et al.Finite element simulation of residual stress in heavy rail straightening J .Shanxi Metallurgy 2020 43 2 46-48.24秦瑞廷.终轧钢轨热预弯空冷后矫前弯曲度控制机理研究 D .秦皇岛燕山大学2014.QIN R T.Research on final rolling rail control mechanism of curvature before straightening after hot pre-bending D . 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冷轧带钢残余应力及其对板形影响的研究
解释钢材中残余应力的特点,以及对构件强度和刚度的影响。
解释钢材中残余应力的特点,以及对构件强度和刚度的影响。
钢材中残余应力的特点，以及对构件强度和刚度的影响
钢材工程中残余应力是一个重要的概念，它不仅会对构件的强度
和刚度产生影响，还可能导致断裂等严重的破坏。
因此，本文将介绍
残余应力的特点，以及它对构件强度和刚度的影响。
首先，什么是残余应力？残余应力是指在制造过程中产生的应力，这些应力不会随着外力的改变而改变。
它是一种被冻结在构件中的应力，必须在构件加工、装配和使用过程中克服。
通常，残余应力主要由焊接、冷变形、冲压等工艺产生，也可能由外部激励而产生，如热
处理、局部强度和磨损等。
其次，残余应力的形式有哪些？残余应力可以分为拉应力和剪应
力两大类。
拉应力是指对构件所施加的垂直细节，其强度大小与深度
成正比。
而剪应力是指构件轴向断面上所施加的外力，其强度大小与
断面宽度成正比。
最后，残余应力会对构件强度和刚度造成怎样的影响？首先，残
余应力会影响构件的强度。
当残余应力增加时，构件容易发生裂纹，而构件的强度也会随之下降。
此外，残余应力也会影响构件的刚度。
当残余应力超出构件的强度限制时，构件容易发生变形，从而影响刚度。
总之，残余应力是一个重要概念，它不仅会对构件的强度和刚度
产生影响，还可能导致断裂等严重的破坏。
因此，在开展工程项目时，
应重视残余应力的管理和控制，从而确保工程项目的安全和高效。
冷轧工艺改进对铝合金板材疲劳性能的影响研究
冷轧工艺改进对铝合金板材疲劳性能的影响研究冷轧工艺是一种常用的铝合金板材加工工艺，通过将铝合金进行冷轧，可以改善材料的力学性能和表面质量。
然而，冷轧过程中的工艺参数和轧制方式对铝合金板材的疲劳性能有着重要的影响。
因此，研究冷轧工艺改进对铝合金板材疲劳性能的影响，对于优化工艺参数、提高产品质量具有重要的理论和实际意义。
首先，冷轧工艺改进对铝合金板材的晶粒度有着显著的影响。
晶粒度是材料内部组织的重要指标之一，决定着材料的力学性能和表面质量。
研究发现，通过采用适当的轧制温度和轧制压力，可以有效地控制铝合金板材的晶粒度，从而改善其疲劳性能。
较小的晶粒度能够提高材料的强度和韧性，使其具有更好的抗疲劳性能。
其次，冷轧工艺改进对铝合金板材的表面质量也有着重要的影响。
表面质量是衡量铝合金板材质量的重要指标之一，直接影响着产品的使用寿命和外观质量。
通过改进冷轧工艺中的抛光工艺、轧辊的选择和调整等措施，可以降低材料表面的粗糙度、减少缺陷和氧化物的含量，提高材料的表面质量。
研究表明，较好的表面质量能够有效地减小材料的应力集中和表面损伤，提高材料的疲劳寿命。
最后，冷轧工艺改进对铝合金板材的残余应力也有着重要的影响。
残余应力是材料内部存在的一种特殊应力状态，对材料的力学性能和疲劳性能具有重要的影响。
通过优化轧制过程中的工艺参数和调整轧机的结构，可以有效地控制冷轧过程中产生的残余应力，降低其对材料疲劳性能的影响。
研究表明，较小的残余应力能够提高材料的耐疲劳性能，延长材料的使用寿命。
综上所述，冷轧工艺改进对铝合金板材的疲劳性能有着显著的影响。
通过优化工艺参数、改善轧制方式和提高设备性能，可以有效地改善铝合金板材的疲劳性能，提高产品的质量和性能。
这对于推动铝合金板材生产技术的发展和促进工业生产的提高具有重要的意义。
同时，对于深入研究冷轧工艺对铝合金板材疲劳性能的影响机制，也具有重要的理论价值和研究意义。
冷轧工艺是一种常用的铝合金板材加工工艺，通过冷加工的方式使铝合金板材在室温下塑性变形，从而得到所需的形状和尺寸。
冷轧带钢板形简介
良好板形的几何条件：
Lx hx lx H x
式中：H（x）为入口断面形状；h（x）为出口断面形状；L（ x）为各对应点的原始长度；l（x）为各对应点的轧后长度。
一、带钢板形的基本概念
板形的度量 常用的平直度表示方法有以下两种： （1）波形表示法
（2）相对长度表示法
Rv 100% LV
式中， λ为平直度； Rv为波高； Lv为波长。
厚度之比：
Cp Ch h
式中， Cp为带钢比例凸度；Ch为 板凸度；h 为轧件平均厚度。
一、带钢板形的基本概念
所谓板形，直观上是指板带的翘曲程度，其实质是轧后带钢内部残余应力沿 板宽方向上的分布。
发生 1
h
2
B
式中：cr 为带钢发生翘曲的临界应力； 为泊松比；B为带钢
宽度；h为带钢厚度；Ep为带钢材料杨氏模量；kcr为翘曲临界 应力系数，取决于应力分布特征及板边支撑条件。
I 105 L L
式中，I为板形单位I-Unit；△L为 其他点相 对基准点的轧后延伸差； L为所取基准点的 轧后长度。
一、带钢板形的基本概念
板形与板凸度的关系
板凸度与板形关系密切。因为冷轧过程要求严格保持良好板形条件，所以轧制过程中
虽然板凸度绝对值不断减小，但比例凸度应保持不变。比例凸度表示为板凸度与轧件平均