H型钢QB的应力应变试验研究.pdf

H型钢 Q235B的应力 -应变试验研究袁鹏举1 单兆华2 霍喜伟1 孙会朝1(1技术研发中心 2销售中心 )摘 要: 使用 Gleeble1500热模拟机得出 H 型钢 Q235B在不同应变率和不同温度条件下的应力 - 应变曲线,并根据实验数据拟合出计算公式,得到 Q235B在轧制条件下的应力 - 应变及高温条件下的特性关键词:H型钢 Q235B 热模拟实验Experi m ents and Researches on Stress -strain ofH-section SteelQ235B Yuan Pengju1Shan Zhaohua2 Huo Xi wei1SunHuichao1( 1 The TechnicalR 2 The Sales Center)Abstract :Through the use of Gleeble500 thermal analog machine,stress -strain curves of H-section steel Q235B under the conditions of different strain rates and temperatureswere obtained and stress -strain under rollingconditions and specialities of the steel under high temperatureswere go,tin accordancew ith design for mula whichwere derived from experi mental data .Key words : H-section Stee; l Q235B;ther m al analog experi ment1 前言H 型钢属于复杂断面型钢,开坯轧制过程是一个大位移、大应变的塑性变形过程。

轧件内部的金属流动和轧制力的预测比较困难预测这些参数对改进与优化 H 型钢轧制工艺, 提高 H 钢产品质量具有重要意义模拟生产现场条件下实验,运用Gleeble1500热模拟试验机对轧件材料进行单向压缩试验, 获得材料真实应力 - 应变关系2 H型钢材料特性试验在轧制过程中轧件主要承受轧辊的压下力, 产生沿压下力方向塑性变形轧件变形以压缩变形为主, 因此选择通过单向压缩试验得到材料本构关系211 实验温度温度是影响金属材料应力 - 应变关系的主要参数之一, 也是影响金属塑性变形的重要因素由于温度升高,降低了金属原子间结合力, 变形抗力随温度升高而降低, 对于在温度变化区间有相变的合金材料, 其变形抗力随温度的变化将有起伏作者简介: 袁鹏举( 1967- ), 男,1990年毕业于华东冶金学院压力加工专业, 高级工程师现为技术研发中心型钢研究所科长, 主要从事型钢工艺、新产品开发工作在中型 H 型钢轧制过程中,轧件出炉温度低于 1300 e ,开坯结束后温度不低于 800 e 在轧 制过程中轧件微观组织是奥氏体晶粒根据现场轧制过程温度要求,每隔 100 e 设定一个试验温度测 量点, 共设定 800 e 、900 e 、1000 e 、1100 e 、 1200 e 、 1300 e6个温度点。

212 实验应变率变形速度对变形抗力影响主要取决于塑性变形 过程中金属内部所发生硬化与软化这一矛盾过程的 结果确定金属材料实验应变率, 需要计算在轧制过程中轧件瞬时应变率变化范围 轧件与轧辊在轧制过程中的位置关系如图 1所 示,AB是轧辊与轧件 B的接触弧长度,BC 之间 的距离是轧制过程的压下量 $1,如果轧辊的半径是 r , 轧制过程轧辊的角速度是 X,轧件的厚度是h ,则在轧制过程中, 轧件沿两轧辊压下力方向的 应变速率 ÛE可以通过公式 ( 1) 计算:ÛE=X hr2-( r- $)2( 1)其中 $是接触弧 AB上任意一点到 B点沿两轧辊压下力方向的距离据公式( 1) 可以分析:在 A点, 轧件沿两轧辊压下力方向瞬时应变速率最大,其大小为ÛE=X hr2-( r- $1)2( 2)46莱钢科技 第 4期 (总第 130期 )在 B点轧件沿两轧辊压下力方向瞬时应变速 率为零, 达到最小值; 垂直于两轧辊压下力方向瞬时应变速率达到最大值根据计算公式可以得出瞬时应变速率的最大值是 15 s- 1,轧件变形过程中瞬时应变率主要集中在 6 s- 1附近所以在每个温度点分别做 1 s- 1、 6s- 1、 15 s- 1三种应变率。

图 1 轧辊与轧件位置关系213 实验试件 参考国家标准5金属材料高温拉伸实验 6( GB/T 4338- 1995) 和 5金属压缩试验方法 6 ( GB / 7314- 87)制作实验试件在压缩试验中, 由于基准面或压缩面与试件的接触面之间有摩擦, 因此在半径 方向上产生应力, 这将阻碍金属变形, 所以试件的两端面表面粗糙度要求较高, 并需要贴石墨片以减少摩擦两端面还需要保证一定的平行度和与试件侧面的垂直度试件加工要求如图 2所示图 2 试件加工要求214 实验工艺 Gleeble1500热模拟试验机采用电阻加热的方式升温在实验机工作室内,试件用棉布擦净表 面, 在圆柱侧面贴上热电偶,圆柱两端贴石墨片以减少压缩过程中与试验机的摩擦试件以 20 e /s的加热速度升温至预定温度,在此温度下保温 5m in后进行控制应变率的压缩试验保留试件在高温条件下压缩完成后的晶粒组织, 以便观察其组织形态和晶粒尺寸大小整个加热工艺曲线如图 3所示图 3 加热工艺曲线图215 材料试验特性由于 Gleeble1500试验机采用电阻加热的方法,升温速度快以 20 e /s的加热速度升温到试验温度,保温一定时间后进行压缩试验。

试验机终端输出真应力 ) 真应变数据, 得到应力) 应变曲线试验数据表明: 温度越高, 屈服点应力值越低,越容易发生塑性变形; 应变率越高, 屈服点应力值越高, 越不易发生塑性变形真应力) 真应变 曲线经 公式运 算后, 得 到ABAQUS软件仿真需要的真应力) 塑性应变曲线3 实验数据处理311 真应力 - 应变 材料开始屈服以后, 继续变形将产生加工硬化但材料的加工硬化行为不能用名义的应力) 应变曲线来描述, 因为名义应力通过 R= F /A计算, 名义应变计算公式是 D= $L /L0, 应力的变化是以不变的原始截面积来计量, 应变是以初始的试样长度来度量但实际上在变形过程的每一瞬时, 试样的截面积和长度都在变化, 所以这种应力应变计算方式不能真实反映变形过程中的应力和应变变化,而必须采用真实应力 - 应变曲线真实应力 - 应变曲线也叫流变曲线, 在压缩过程中由于试样任一瞬时的面积 A和标距 L( L= L0+$L)随时都在变化, 而应力 R和应变 E是按初始面积 A0和标距 L0计算的, 因此任一瞬时的真实应力 s和真实应变 e与相应的 R和 E之间都存在着差异, 进入塑性阶段以后这种差异逐渐增大。

在均匀变形阶段, 真实应力 s的定义为:在均匀变形阶段, 真实应力 s的定义为,s=P A( 3)根据塑性变形体积不变假设,V= A0L0= AL( 4)可以得到,47莱钢科技 2007年 8月s=PL A0L0= R( 1+ E)( 5)则真实应变 e的定义为,e=QLL0dL L= LnL L0= Ln( 1+ E) ( 6)这说明在均匀变形的范围内, 真应力恒大于名义应力, 而真应变恒小于名义应变在弹性阶段由 于应变值极小, 真应力) 应变与名义应力 ) 应变二者的差异极小, 没有必要加以区分已知 试 件的 初 始 长 度 L 是 15 mm, 根 据 Gleeble1500热模拟试验机的操作量程, 试验完成后试件的长度 L0是 6mm假设试件材料各向同性和塑性变形过程体积不变, 最终试件的真应变 e为:e =QLL0-dL L= - LnL L0= - Ln6 15= 01916 ( 7)312 实验结果处理压缩试验完成后, 试件在长度方向上尺寸变小,两个断面的表面积增加, 且试件的形状由原来的圆柱体变为中间略为凸出的鼓形 (图 4)由于在每种 情况下都有两个试件对应的两组数据, 采用均值处理的方法处理数据, 整理并绘图可以得到 Q235B材料在高温和不同应变率条件下的真实应力应变曲线, 如图 4 、 5 、 6所示。

图 4 应变率为 1/s的真应力真应变关系图 5 应变率为 6/s的真应力真应变关系图 6 应变率为 15/s的真应力真应变关系通过实验可以看出, 金属材料 Q235B在应变速率不变的情况下, 随着温度的提高, 真应变对应的真应力逐渐降低在温度不变的情况下, 随着应变速 率的提高, 真应变对应的真应力逐渐增大真应力真应变关系用 Hollomon公式描述, 即s= Ken( 8)式中 n是形变强化指数, 是表征材料形变强化 能力的一个指标, 也是断裂力学、 塑性力学分析计算的重要材料参数, K是另一个参数将 H ollomon公式两端取对数后可得 Ln( s) = Ln(K) + nLn( e)( 9)由公式可以看出, 幂强化关系在双对数坐标下为一直线, 其斜率即为材料的形变强化指数, 用一元线性回归对均匀变形阶段的一组数据进行直线拟 合, 即可求得 n值由于真应变到达 013以后, Lne的变化区间为( - 1 , 0), 此时试件的塑性应力值 Lns也趋于稳定, 因此数据点在对数坐标系内会集中在一个很小的区域面积之中, 从而失去了作为数据拟合点的意义因此线性拟合真应变的数值范围只需要取到 013即可。

以应变速率为 1/s为例, 在不同温度情况下, 对 试验数据进行线性回归直线拟合, 所得到的拟合直线与和 LnK两个参数的计算结果如图 7 、 表 1所示在应变速率为 6/s、 温度是 800 e 的情况下, 根据试验数据拟合图像以及 n和 LnK的值为: Ln( K) = 511705 , n= 0106883图 7 800e 的拟合直线(下转第 60页 )48袁鹏举, 等: H型钢 Q235B的应力 - 应变试验研究 第 4期 (总第 130期 )溶液的体积,mL; V试样))) 滴定试样所消耗的 EGTA标准溶液的体积,mL3 结果与讨论( 1) 用基准碳酸钙和试样进行平行试验,计算标准偏差和相对标准偏差见表 1 表 1 试验结果对照样品编号标准值本法测定值 ( n= 6)标准偏差相 对 标准偏差基准碳酸钙9919999190、 99189 、 99195 99193、 99195 、 9919001026801027试样 07- 1- 1188116、 88119 、 88126 88112、 88122 、 881290106301072试样 07- 1- 1248179、 48170 、 48166 48174、 48176 、 481820105901120( 2)优级纯碳酸钙中含铁、 铝等杂质较少, 但是 工业用碳酸钙中含铁、 铝杂质较多, 用 EGTA滴定碳酸钙时, 铁、 铝干扰终点的观察, 需加入三乙醇胺掩蔽。

因三乙醇胺与铁、 铝等金属离子形成的络合物 比这些金属离子与 EGTA生成的络合物更稳定, 可以加入三乙醇胺掩蔽, 消除干扰 3)钠盐的存在使钙黄绿素及其混合指示剂达到终点时残余荧光增强, 使滴定终点延长, 钾盐则无 此现象, 所以只能用氢氧化钾调整溶液 PH 值 4)钙黄绿素对重金属离子极不灵敏, 因此在 滴定 CaCO3时不存在指示剂被封闭的问题 5)用 EGTA 标准溶液滴定试样中的 CaCO3时, 最好用基准碳酸钙标准样品按本试验方法操作,求得滴定度, 用标准样品含量换算出试样中碳酸钙 含量4 结论本方法测定碳酸钙中 CaCO3含量, 操作简便、快速。