H型钢残余应力的研究现状论文

XXXXXXXX 大学本科生课程论文题 目：H 型钢残余应力的研究现状学生姓名：学 号：专 业：班 级：指导教师：IH 型钢残余应力的研究现状摘 要H 型钢是一种截面面积分配更加优化、强重比更加合理的经济断面高效型材，因其断面与英文字母“H”相同而得名。由于 H 型钢的各个部位均以直角排布，因此 H 型钢在各个方向上都具有抗弯能力强、施工简单、节约成本和结构重量轻等优点，已被广泛应用。H 型钢分为热轧 H 型钢 和焊接 H 型钢（H）两种，热轧 H 型钢又分为宽翼缘 H 型钢（HW）中翼缘 H型钢(HM)和窄翼缘 H 型钢（HN）三种。众所周知，钢材中残余应力的存在对钢材的使用性能尤其是疲劳性能有很大影响。钢材中残余应力的形成主要有三个途径：钢材在热轧或焊接后其断面的不均匀冷却、钢材组织发生相变、钢材受到矫直等冷加工。本课题以 H 型钢为研究对象，分别从热轧后冷却残余应力、矫直后残余应力、焊接后残余应力三个方面研究 H 型钢残余应力的研究现状。关键词：H 型钢；残余应力；热轧；矫直；焊接IIThe current research status of h-beam residual stressAbstractH section steel is a kind of cross section area allocation optimization and weight more reasonable than economic section effective profiles, because of its cross section the same as the English letter “H“ the name. Since the different parts of h-beam with orthogonal configuration, so h-beam in all directions has bending capacity, simple construction, cost saving and structure light weight etc, and has been widely used. H-beam is divided into hot rolled H section steel and welding h-beam (H), hot-rolled h-beam is divided into wide flange h-beam (HW) of the h-beam flange (HM) and narrow the h-beam flange (HN) three. It is well known that the presence of residual stress in steel on the use of steel performance especially has a great impact on the fatigue performance. , the formation of the residual stress in steel there are three main ways: in the cross section of the steel after hot rolling or welding the uneven cooling, steel group phase change, steel cold straightening etc.This topic to h-beam as the research object, respectively from the cooling after hot rolling residual stress and residual stress after straightening, welding residual stress after three aspects study the current research status of h-beam residual stress.Key words: H-Beam; residual stress; hot rolling; straightening; weld目 录摘 要 .I1.引 言 .11.1 研究背景 .11.2 研究的目的和意义 .12 H 型钢热轧后冷却残余应 力 .12.1 H 型钢热轧过程中残余应力有限元模拟 .12.2 温差对 H 型钢残余应力的影响 .22.3 H 型钢热轧后冷却 残余应力小结 .43 H 型钢矫直后残余应力 .43.1 H 型钢矫直残余应力分析 .43.2 矫直对 H 型钢残余应力的影响 .53.3 H 型钢矫直后残余应力小结 .64 H 型钢焊接后残余应力 .64.1 H 型钢焊接残余应力分析 .65 结 论 .8参考 文献 .911.引言1.1 研究背景H 型钢是一种经济型断面钢材，广泛用于工业、建筑、桥梁、石油钻井平台等方面，据预测 2005 年我国 H 型钢需求量约 250 万吨，2010 年需求量 500 万吨，但目前我国 H 型钢年生产能力为 120 万吨，市场需求量非常巨大。所以，H 型钢的质量尤为重要。而残余应力是影响 H 型钢质量的重要因素。生产过程中必须有效地控制钢轨的残余应力. 本文将对 H 型钢中残余应力的影响因素，危害以及常用测量残余应力的几种方法和怎样降低残余应力进行介绍。1.2 研究的目的和意义随着我国经济类型的转变，越来越多的企业更加注重 H 型钢质量。针对不同的生产设备，仍需要开展大量的实验研究来确定具体的工艺参数。一是周期长，二是重复性工作多。这与我国致力于钢铁又好又快的发展相违背的，随着产业化的应用，钢的成分、工艺参数与组织之间的数学模型，能指导我国钢铁行业的发展。2 H 型钢热轧后冷却残余应力2.1 H 型钢热轧过程中残余应力有限元模拟在热轧 H 型钢的生产过程中,由于 H 型钢断面的复杂性,导致在长度方向上翼缘和腹板之间形成了一定的残余应力,严重影响了 H 型钢的性能。李红斌等人运用 ANSYS 软件对热轧 H 型钢的热轧过程进行模拟,研究得到 1)在热轧 H 型钢热轧完成后由于变形的不均匀,在翼缘内部存在拉应力,腹板内部存在压应力,最大应力不超过 1. 8MPa。2)在腹板上与翼缘的交界处单元的压应力最大,翼缘内侧靠近与腹板交接处的单元受到的压应力最大;3)在万能轧机轧制的开始的几个道次中,总体来说所选各个单元的内部的残余应力还比较均匀,但是在后面的几个道次变形均匀性较差,导致残余应力升高;造成这种现象的原因除了孔型问题外,还有轧件断面复杂而造成的温度不均匀等其他方面的原因 1。2图 2.1 各单元各轧制道次的轧制方向残余应力 1近年来轧制技术研究取得明显进步，主要体现在高精度轧制、高速轧制、无头轧制、柔性轧制、现代轧制过程模拟分析、控制及应用等。而重点和难点在于将微观组织演变与宏观工艺控制进一步结合、将轧制过程中的形变、相变与析出模型进一步系统化，并形成综合控制理论与技术。不断开发高性能、高附加值新钢种仍然是轧制技术发展的重要目标。围绕国家经济建设发展的重大需求，新产品的开发重点在汽车、大型建筑结构、核电建设、桥梁、海上运输与能源输送等产品和设施的轻量化所需要的高性能、长寿命、超大线能量焊接、耐火耐候性强的高强与超高强钢。2.2 温差对 H 型钢残余应力的影响H 型钢作为一种经济断面型钢,同普通工字钢相比具有截面数大、抗弯能力强、单位重量轻、节约工时和降低工程造价等优点,在工业、建筑及桥梁等领域得到越来越多的应用。然而,由于 H 型钢的结构特点:腹板较薄、翼缘和 R 角部位相对较厚,导致生产过程中出现横截面温度不均匀、腹板波浪、各部位晶粒大小不一、性能不均匀和残余应力过大等问题,严重影响了 H 型钢的使用性能。尤其是规格较大的 H 型钢,问题表现得更加明显,实施控制冷却措施将有利于缓解出现的一系列问题。吴林运用 ANSYS 软件建立有限元模型进行仿真比较, 想要有效的减小 H 型钢内部的残余应力,最好的方法就是减小腹板与 R 角的温差 2。3图 2.2.1 分析流程朱国明等人在全轧程热力耦合计算结果的基础上,对大型 H 型钢冷却后的残余应力场进行仿真分析。得到了沿着长度方向大型 H 型钢腿腰连接部位及翼缘整体表现为拉应力、腹板为压应力的残余应力场计算结果。H 型钢冷却过程中,腹板的残余压应力有可能导致腹板冷却波浪的产生。对使用过程中切割翼缘时残余应力场的转变过程进行仿真分析,得到当切口到达 H 型钢腿腰连接部位时,切口处拉应力突然增大的结果。切口处应力场的突然变化与腹板开裂直接相关, H 型钢腹板的开裂属于脆性断裂。对控制大型 H 型钢残余应力的方法进行仿真研究,得到了通过翼缘外侧强制冷却改善残余应力分布的结果 3。图 2.2.2 翼缘外侧强制冷却前后残余应力结果对比现有生产工艺条件下,型钢冷却至矫直温度(80e)时,腹板上存在着较大的压应力,致使发生腹板波浪。在腹板和 R 角的交接部位,残余应力分布极为不均,由压应力向拉应力突变,是导致产品切割开裂的主要原因之一 4。42.3 H 型钢热轧后冷却残余应力小结1)完全空冷的情况下,H 型钢翼缘及 R 角部位温度下降缓慢,腹板温度下降快,截面温差较大;在翼缘外侧和内侧 R 角部位实施喷雾冷却,可获得较均匀的温度场。2) H 型钢残余热应力的分布是腹板受压应力,翼缘及 R 角部位受拉应力;采用控制冷却措以后,轧件温度场较均匀,截面温差较小,使得轧件中残余应力值减小。这种效果表明控制冷却对改善腹板屈曲的作用明显,实践也验证了这一现象。3) H 型钢轧后实施控制冷却措施是改善轧件温度不均、组织不均以及减小残余应力和提高产品性能的主要手段 5。3 H 型钢矫直后残余应力3.1 H 型钢矫直残余应力分析矫直工序是 H 型钢生产中重要的辅助工序。由于 H 型钢断面结构存在翼缘高腹板薄等特点,矫直时因稳定性问题,只能通过压下腹板进行整体矫直（如图 3.1.1 所示）随着产量日益增大,应用领域越来越广泛,H 型钢辊式矫直过程及矫直后的残余应力对其承载能力的影响日渐明显,传统上以残余几何形态评价矫直效果考虑不甚全面 6。图 3.1.1 H 型钢辊式矫直实体模型图H 型钢矫前残余应力分布方式是进行矫直过程残余应力研究的基础。残余应力的内部成因主要包括由温差导致的热应力和因相变导致的相变应力。对 700300 规格的 H 型钢残余应力分布方式进行了系统的仿真分析和测试研究，其仿真结果如图 3.1.2 所示 7。5图 3.1.2 H 型钢截面矫前残余应力分布情况3.2 矫直对 H 型钢残余应力的影响崔丽红等人根据实测的温度场数据，模拟了 H700300 热轧 H 型钢在冷却过程中的温度场和残余热应力场分布：翼缘大部分受纵向拉应力作用，中部纵向拉应力最高，沿翼缘高度纵向应力呈抛物线状分布；腹板大部分受纵向压应力作用，在 R 角和根部为拉应力。将冷却过程中的残余热应力做为矫前初始应力引入到矫直模型中，对带有初始残余应力的 H 型钢九辊连续矫直过程进行了有限元仿真。计算结果表明，沿翼缘高度方向的初始纵向应力经过矫直后基本上都遗传到了矫后；腹板大部分区域的纵向应力在矫前与矫后基本保持不变，但是腹板 R 角及根部的应力由矫前的拉应力骤变为矫后的压应力。根据目前生产采用的矫直工艺，冷却过程中所形成的初始残余应力并不能通过矫直得到有效改善，因此要提高产品质量，仍需加强对矫前初始残余应力的控制，如轧后控冷工艺的研究。在 H 型钢的矫直过程中，弹塑性材料模式和初始几何缺陷对残余应力遗传特性的影响是下一步工作的研究重点8。6图 3.2.1 H 型钢冷却过程中温度及热应力计算的有限元模型3.3 H 型钢矫直后残余应力小结郭喜平等人对大型 H 型钢的矫直过程进行了有限元的数值模拟，得到了矫后 H 型钢残余应力分布图和应力大小分布曲线图，对于搞清楚大型 H 型钢的残余应力分布规律和状态，进一步的清楚其产生的原因是十分必要的。通过模拟计算，可以得出：（1）计算结果表明 H 型钢腹板大部分的纵向残余应力在矫前和矫后保持不变，而腹板根部和 R 角部位的应力状态由拉应力变化为压应力。（2）第二辊和第四辊的压下量对大型 H 型钢整体残余应力的分布影响重大，其压下量应该取得大一点，而第六辊和第八辊的压下量应该取得小一点。（3）矫后得到的残余应力值与检测得到的应力值相等，证明了分析结果正确，同时也满足经验最大值 160MPa 的要求。初始几