304不锈钢热处理过程温度场和应力场数值模拟.pdf

1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 第30卷 第2期 2 0 0 9年 4月 材 料 热 处 理 学 报 TRANSACTIONS OF MATERIALS AND HEAT TREATMENT Vol 3 0 No 2 April2009 304不锈钢热处理过程温度场和应力场数值模拟 杨庆祥 1 张运坤 1 张 跃 2 方 园 3 廖 波 1 姚 枚 1 1 亚稳材料准备技术与科学国家重点实验室 燕山大学材料科学与工程学院 秦皇岛 066004 2 北京科技大学材料科学与工程学院 北京 100083 3 宝钢技术中心前沿技术研究所 上海 201900 摘 要 以304不锈钢为研究对象 分别测量了304不锈钢试样经淬火和空冷后的残余应力场 建立有限 元模型 模拟了上述试样的温度场和应力场 并将模拟的残余应力场和测量结果进行了比较 二者吻合较 好 证明所建立的模型是有效的 在此基础上 分析了淬火和空冷过程中温度场和应力场的变化规律 关键词 不锈钢 温度场 应力场 数值模拟 中图分类号 TG11115 文献标识码 A 文章编号 100926264 2009 0220183205 Numerical simulation on temperature and stress fields of 304 stainless steel during heat treatment Y ANGQing2xiang 1 ZHANG Yun2kun 1 ZHANG Yue 2 FANG Yuan 3 LIAO Bo 1 Y AO Mei 1 1 State Key Laboratory of Metastable Materials Science and Technology College of Materials Science and Engineering Yanshan University Qinhuangdao 066004 China 2 College of Materials Science and Engineering University of Science and Technology Beijing 100083 China 3 Advanced Technology Institute Technology Center of Bao Steel Shanghai 201900 China Abstract The specimens were taken from the 304 stainless steel The residual stresses of the specimens after quenching and air cooling were measured respectively By finite element method FEM the temperature and stress fields of the specimens during quenching and air cooling were simulated By comparing the measured residual stressof the specimen with the simulated one they are closer to each other verywell which indicates this model is effective Based on the results mentioned above the changes of temperature and stress fields of the 304 stainless steel specimens during quenching and air cooling at different time and different location are simulated in this works Key words stainless steel temperature field stress field numerical simulation 收稿日期 2008211220 修订日期 2009202211 基金项目 河北自然科学基金 E2008000822 河北省百名优秀创 新人才支持计划项目 作者简介 杨庆祥 1962 男 燕山大学材料科学与工程学院教 授 博士 主要研究方向为金属材料力学行为及数值模拟 荣获河北 省科技进步奖3项 发表论文100余篇 电话 033528387471 E2mail qxyang 双辊铸轧薄带是不经过中间冷却和再加热工序 由液态金属直接加工成金属成品或半成品的一种新 型加工工艺 1 由于此过程省略了复杂的热轧工序 从而使板带的生产流程大大缩短 设备投资大幅度降 低 另外双辊液态铸轧还可以生产传统热轧方法难 以生产的高速钢 不锈钢板带等产品 并且具有小批 量 多品种的优点 223 所以在未来的薄带生产中 双 辊液态铸轧被认为是最有潜力的工艺流程 425 但 是 采用铸轧技术生产304不锈钢薄带时 易于出现 开裂 影响其产品质量 6 不锈钢薄带开裂与铸轧过 程中的温度场和应力场有关 对其进行数值模拟可以 分析开裂机理 7 而铸轧过程十分复杂 其模拟过程 与热传导系数 换热系数 屈服强度和膨胀系数等材 料的热物理和力学性能参数有关 829 因此 本文先 采用不锈钢试样为研究对象 建立有限元模型 模拟 其不同冷却条件下的温度场和应力场 验证所采用不 锈钢各热物理和力学性能参数的正确性 为实际模拟 薄带铸轧过程的温度场和应力场提供有效的热物理 和力学性能参数 将模拟结果用于实际生产 对控制 薄带铸轧过程及产品的质量具有重要的作用 1 实验材料与方法 实验材料为AISI304不锈钢 其化学成分见表1 将试样加工为 15mm 120mm的圆柱 然后随炉加 热至1350 保温5min 分别进行水淬和空冷 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 表1 304不锈钢的化学成分 wt Table 1 Composition of 304 stainless steel wt CSiMnPSCrNiMoFe 01060171120103010141880118Bal 在热模拟机G leeble3500上测量304不锈钢在不 同温度下的应力2应变曲线 将试样加工为 8mm 12mm的圆柱体 应力2应变的非线性关系简化为双 线性 即根据应力2应变曲线求出材料的弹性模量和 切变模量 作为应力计算的参数 采用X2350A型X射线应力分析仪分别对淬火 和空冷试样的残余应力进行了测定 将试样从中间 切开 采用专用的准直器和固定间距移动法 沿半径 方向测量截面上切向残余应力 2 有限元模型的建立 采用ANSYS有限元软件对304不锈钢试样的温 度场和应力场进行数值模拟 模拟试样的尺寸和实 际热处理试样的尺寸相同 均为 15mm 50mm 由 于试样是圆柱体 最后形成的温度场 应力场都是轴 对称的 因此 可以对计算模型进行简化 按轴对称问 题进行处理 又由于试样两端对中心的影响很小 可 以忽略 因此 可以将模型视为无限长 只取其中的一 段进行分析 所建立的有限元模型的尺寸为715mm 1mm 其网格划分为150个单元 186个节点 如图1 所示 温度场和应力场的模拟采用直接耦合法 模拟 所用304不锈钢随温度变化的热物理性能和力学性 能参数如表2所示 图1 有限元网格划分 Fig11 Finite element model 表2 304不锈钢的热物理性能和热力学性能参数 10212 Table 2 Thermophysical and thermomechanical parameters of 304 stainless steel 10212 Temperature 201002003004005006007008009001000 Density kg m3 71857185718571857185718571857185718571857185 Y ield stresss MPa206 108 827569 Elastic limit GPa103 54 4136153415 Shear modulus GPa3916 2018 151814101313 Poisson s ratio013013013013013013013013013013013 Linar dilatometric coefficient 10 6 1 1615171217171811181318161910191519172010 Heat conductivity W m 1 1 1617 221223192511 2814 Specific heat J kg 1 1 502 809 heat transfer coefficient in air W m 2 1 5050505050505050505050 heat transfer coefficient in water W m 2 1 800130025005800450020001000 在所采用的参数中 随温度变化不大的参数视为 常数 而随温度变化较大的参数通过ANSYS软件中 的曲线拟合可以得到各参数与温度之间的关系 3 温度场和应力场模拟结果 311 残余应力场模拟和测量结果的比较 将切向残余应力的测量结果和模拟结果进行比 较 如图2所示 可以看出 二者吻合很好 表明所建 立的模型是有效的 可以用来模拟304不锈钢试样在 水淬和空冷过程中的温度场和应力场 312 淬火试样温度场和应力场的数值模拟 31211 淬火试样的温度场 利用上述模型分别模拟了淬火试样冷却至2s 10s和90s时的温度场 三个时刻沿半径方向的温度 分布曲线如图 3 a 所示 可以看出 随着冷却时间 的延长 整个试样的温度均降低 且试样心部和表面 的温差减小 温度分布趋于平缓 冷却至90s时 可 以认为整个试样的温度分布达到均匀 与室温接近 481材 料 热 处 理 学 报第30卷 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 图2 切向残余应力模拟值和测量值的比较 Fig12 Comparison of measured and calculated tangential residual stress a quenching b air cooling 因此 可将此时刻的应力场视为残余应力场 图 3 b 为淬火试样冷却过程中三个点 心部2节 点1 中点2节点2 表面2节点 3 的温度随时间的变化 曲线 可以看出 随着冷却时间的延长 三点的温度 均降低 但变化趋于平缓 且三点温差逐渐减小 冷却 至90s时 三点温度近似相等 31212 淬火试样的应力场 利用上述模型分别模拟了淬火试样冷却至2s 10s和90s时切向应力场沿半径方向的分布曲线 如 图 4 a 所示 可以看出 试样表面在开始冷却时为 拉应力 随着冷却时间的延长 拉应力逐渐减小至零 随后转化为压应力 且压应力逐渐增大 当达到90s 时 压应力达到最大 试样中心的情况则相反 开始冷 却时为压应力 随着冷却时间的延长 压应力逐渐减 小至零 随后转化为拉应力 且拉应力逐渐增大 当达 到90s时 拉应力达到最大 由图还可以看出 距试 样中心5mm处的应力变化很小 该处距试样表面 215mm 可以认为该处是应力变化的转折点 图 4 b 为淬火试样冷却过程中三个点 心部 中 点和表面 的切向应力随时间的变化曲线 可以看 出 节点1开始为压应力 随着冷却时间的延长 压应 力逐渐减小至零 随后转化为拉应力 且拉应力逐渐 图3 淬火试样的温度分布曲线 Fig13 Temperature distribution curves of the quenching specimen a at different time b at different position 增大 当达到90s时 拉应力达到最大 节点2曲线趋 势与节点1大致相同 但是初始压应力比节点1小 冷至90s时 二者应力值近似相等 节点3的情况恰 恰相反 在开始冷却时为拉应力 随着冷却时间的延 长 拉应力逐渐减小至零 随后转化为压应力 且压应 力逐渐增大 当达到90s时 压应力达到最大 313 空冷试样温度场和应力场的数值模拟 31311 空冷试样的温度场 利用上述模型分别模拟了空冷试样冷却至60s 600s和1800s时沿半径方向的温度分布曲线 如图5 a 所示 可以看出 随着冷却时间的延长 整个试样 的温度均降低 且试样心部和表面的温差很小 温度 分布平缓 图 5 b 为空冷试样冷却过程中三个点 心部 中 点及表面 温度随时间的变化曲线 可以看出 随着 冷却时间的延长 三点温度均降低 且温差很小 温度 分布平缓 冷却至1800s时 可以认为整个试样的温 度与室温接近相同 因此 可将该时刻的应力场视为 残余应力场 31312 空冷试样的应力场 利用上述模型分别模拟了空冷试样冷却至60s 600s和1800s时切向应力沿半径方向的分布曲线如 581第2期杨庆祥等 304不锈钢热处理过程温度场和应力场数值模拟 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 图4 淬火试样的切向应力分布曲线 Fig14 Tangential stress distribution curves of the quenching specimen a at different time b at different position 图5 空冷试样不同时刻的温度场和温度分布曲线 Fig15 Temperature distribution curves of the air cooling specimen a at different time b at different position 图 6 a 所示 可以看出 随着冷却时间的延长 试样 表面始终为拉应力 中心始终为压应力 试样三点 心部 中点及表面 应力沿半径方向的 分布曲线如图 6 b 所示 可以看出 开始冷却时节 点1和节点2为压应力 节点3为拉应力 随冷却时 间的延长 拉应力和压应力均逐渐减小 直至1800s 时 三点的应力值非常小 均接近于零 图6 空冷试样不同时刻的切向应力场 和切向应力沿半径的分布曲线 Fig16 Tangential stress distribution curves of the air cooling specimen a at different time b at different position 4 结论 1 建立了304不锈钢圆柱试样淬火和空冷两种 状态下温度场和应力场的计算模型 获得了两种状态 下的残余应力场 与测量结果进行了对比 吻合得较 好 表明了所建模型的有效性 2 淬火试样在开始冷却时表面为切向拉应力 中心为切向压应力 随着冷却的进行 应力逐渐减小 至零 随后表面转变为压应力 中心转变为拉应力 应 力逐渐增大 90s时的应力为残余应力 3 空冷试样在开始冷却时表面为切向拉应力 中心为切向压应力 随着冷却的进行 拉应力和压应 力均逐渐减小 直至1800s时 表面和中心的应力值 非常小 均接近于零 此时的应力为残余应力 下转第191页 681材 料 热 处 理 学 报第30卷 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 参考文献 1 Pan Jiansheng Zhang Weimin Tian Dong et al Mathematical model of heat treatment and its computer simulation J Engineering Sciences 2004 2 2 15 20 2 Tatsuo Inoue Y ouichi Watanbe Kazuo Okamura A cooperative activityon 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