无缝钢管热处理残余应力研究进展

1 无缝钢管热处理残余应力研究进展无缝钢管热处理残余应力研究进展 指导老师 内蒙古科技大学材料与冶金学院 摘要 摘要 为消除无缝钢管的轧制和热处理所产生的尺寸和椭圆度误差等缺陷 一般要采用定 径工艺 而作为无缝钢管制造最后生产环节的定径工艺决定了管体的尺寸和几何形状 同时 也影响其力学性能 为此 文章研究了满足无缝钢管的尺寸和椭圆度要求下的定径的压下量 和温度与残余应力分布的关系 进行无缝钢管定径时的金属流动规律分析 以便减小定径工艺 产生的残余应力 获得最佳的定径效果 提高无缝钢管的机械性能 为定径工艺的制定提供理论 依据 利用有限元分析软件MSC1M arc模拟无缝钢管淬火过程 分析了淬火残余应力的分布 情况况得到了残余应力按照温度梯度沿半径方向分层分布的规律 关键词 关键词 无缝钢管 热处理 残余应力 Abstract The sizing process must be taken in order to eliminate the size tolerance and roundness one after the seamless pipe rolled and heat treated As the last procedure of producing the seamless pipe the sizing pr ocess plays a key role in not only controlling the pipe size and geometr y shape but also affecting its mechanical performance There fore to meet the tolerance requirements sy stematic investig atio n has been car ried out t o find the dependence relationship of distribution of residual st ress o n the sizingmeasure and temperature A detailed analy sis thus is performed to understand metal flow on the sizing defo rmation pro cess This analysis w ill aid to reduce t he residual stress o f sizing pr ocess achieve an o ptimized sizing technology and enhance the mechanical performance The analysis results obtained may provide a theoretical foundation for establishing the sizing process This paper simulates the quenching process o f the hot rolled seam less pipe using the so ftwa re of M SC1M a rc by FEM Key words seamless pipe heat treatment residual stress 1 前言前言 1 1 压下量和温度对残余应力分布的影响 在定径轧制中 无缝钢管直径被压缩的同时 其壁厚也将发生变化 管体的直径和椭圆度 的变化主要取决于定径的压下量 如果适当调整定径的压下量和温度 就既能消除无缝钢管 的椭圆度 又能达到规定的直径尺寸 从而也可使无缝钢管的力学性能有所提高 但是 在 进行无缝钢管定径的同时 也会使管体产生残 2 余应力 降低其机械强度 因此 为保证管体的几何形状和提高其机械强度 需要在满足规定 的几何形状的前提下 研究定径轧制的压下量和温度与残余应力分布的关系 以获最佳的定 径效果 1 2在无缝钢管的轧制生产过程中 热处理工序是生产的重要环节 它可以改善金属材料的组织性能 提高产品的机械性能 淬火处理所产生的残余应力也是影响无缝钢管机械性能的重要因素 这种残余应力主要是由 于钢管内外表面的冷却速度不一致造成的 本文利用有限元法对无缝钢管淬火过程进行数值 模拟 分析在改变加热温度和冷却速率的状况下的残余应力分布的变化规律 以达到减小淬 火残余应力 获得最优淬火条件的目的 为企业提供技术指导 1 3热处理消除焊接 残余应力是一种工程上常用的方法 1 对于热处理降低焊接残余应力的机理一种观点 认为材料的屈服应力是随着加热温度的增加而下降的 材料的弹性模量亦随之下降 因此 在热处理工艺规定的温度下 材料内部的焊接残余应力超过了该温度下材料的屈服强度 就会发生塑性变形 残余应力就会因为这种塑性变形而有所缓和 但这时残余应力的消除 是有限度的 残余应力不可能降低到该热处理温度下材料的屈服强度以下 依照此理论制 定的工艺一般要选较高的温度 另一种观点认为热处理降低焊接残余应力是由蠕变引起的应 力松弛造成的 材料在较高温度保温时 在内部残余应力的作用下将会发生蠕变 从而引 起应力松弛 残余应力就会下降 理论上只要给予充足的时间 残余应力就可以完全消除 而且不受残余应力大小的限制 2 3 本文通过Q235 钢在不同工艺条件下退火热处理后残 余应力变化试验论证焊接残余应力降低机理 为工程上采用热处理消除焊接残余应力提供 了理论依据 2 发展现状发展现状 2 1无缝钢管的有限元网格划分 在定径过程中 一是无缝钢管的几何尺寸发生变化 二是相互接触的定径轧辊和无缝钢 管在接触表面之间传递热量 而接触关系改变后 彼此分离的接触面又与环境介质进行热交 换 三是无缝钢管的塑性变形功会转换成体积热流 而且几乎全部摩擦力的功率不可逆地转 化成表面热流 但是 由于定径轧制过程的时间较短 所以 轧辊与环境的换热不够充分 被 轧钢管的温度变化较小 为了简化计算 可忽略钢管的温度差异 同时 考虑无缝钢管的定 径量较小 定径轧辊的弹性变形更小 两者的强度和刚度相差悬殊 将定径轧辊作为刚性体 处理 进而 所研究的定径机组为3 机架二辊型 为减少计算量 考虑结构的对称性 取无 3 缝钢管1 4建立有限元模型 钢管的规格为5245mm 12mm 长度为1000mm 为简化研究 问题 不考虑钢管的圆度误差 假设高合金无缝钢管在定径前是壁厚均匀 且无残余应力的 空心圆柱体 只分析二辊定径机在定径过程中的压下量和温度对定径后钢管残余应力分布的 影响 考虑到定径辊和钢管的对称性 取1 4进行分析 沿壁厚方向划分4 等分 沿环向划分 20等分 沿长度方向划分40 等分 共划分为3200个单元 2 2有限元计算结果 用有限元软件MSC1Marc 模拟无缝钢管的定径过程 由计算结果可知 定径后 无缝 钢管的外表面残余应力为压应力 而内表面残余应力为拉应力 从外表面到内表面的残余应力 变化是由压应力到拉应力的动态变化过程 当钢管原始尺寸误差较大时 残余应力的分布状 态更复杂 拉压应力交错分布 在不同的定径温度下 无论温度高低 无缝钢管表面的残余 应力都随定径压下量的增大而逐渐变大在不同的定径量下 无论定径量大小 无缝钢管表面 的残余应力都随定径温度的升高而逐渐减小 2 3无缝钢管定径过程分析 定径轧制一是使材料获得一定的形状和尺寸 二是赋予材料最终的组织与性能 在这个 过程中 管坯经流动变形和性能变化及一系列复杂的物理变化而被轧制成钢管 但这一切都不 能直接观察到 间接测试也十分困难 长期以来 基础学科的理论知识难以定量指导无缝钢管 的定径加工过程 轧制加工工艺设计只能建立在经验基础上 而仅靠传统的经验和试错法无 法对无缝钢管内部的性能演化进行理想控制 难以消除产品质量缺陷 因此 需要以轧制加 工理论为指导 通过数值模拟和物理模拟 动态仿真无缝钢管的定径加工过程 预测实际工艺 条件下无缝钢管的形状和尺寸及性能 进而控制定径过程使材料的性能达到最佳状态 实现 定径加工工艺的优化设计 在实际制定定径工艺时 要考虑无缝钢管的尺寸及定径轧辊的相 对位置 分析无缝钢管定径过程中的金属流动状态 应力场 应变场及受力状况 研究定径压 下量和温度与残余应力分布的关系 定径轧制时 定径机的同一机架上的两个定径轧辊所形 成的口径小于钢管的外径 当定径轧辊与无缝钢管接触后 轧辊和无缝钢管之间所产生的摩 擦力咬动无缝钢管随轧辊的滚动而向前运动 因此 无缝钢管除受到定径轧辊的滚压作用外 还要受到其辗压和摩擦的综合作用 进而 由于定径辊的非理想圆孔型和各点的线速度差 使孔型顶部速度最大 辊缝处速度最小及中间部分次之 所以 造成了无缝钢管各处所受的 摩擦力大小不同 同时使孔型顶部的金属向辊缝处横向流动 这使孔型顶部的摩擦力最大 摩擦力拉拽金属向前流动 造成孔型顶部的金属流动量大 导致管壁减薄得多 而在辊缝处 则相反 从而造成无缝钢管周向壁厚不均 最终导致孔型顶部的残余应力最大 2 4几何模型 4 研究对象是外径为24415 mm 壁厚为11199 mm 长度为10m的无缝钢管 材质为 29CrMo44V钢 根据管体的壁厚较薄和炉内加热时间及淬火工艺要求 可以认为管体的初始 温度均匀 现淬火工序的温度为900 e 淬火液采用水 在钢管外部有流量为300 m3 h的水均 匀喷射在管体外表面 内部有流量为880m3 h的水均匀喷射在管体内表面 喷射的水温恒定 为40 e 由于钢管的轴向尺寸远大于横截面尺寸 且两端 24 重型机械 2006 No1 5被固定 因此可以将问题视为平面应变 同时根据对称性 取钢管横截面的1 4建立几何模型 根据上 述简化原理和几何对称性 对钢管横截面的1 4几何模型进行网格划分和施加边界条件 分析 残余应力分布情况 考虑到计算精度和网格的规整性 将模型沿圆周方向划分成120等分 沿 径向划分成10等分 共划分为1017个单元 2 5力学模型 对淬火过程中的应力 应变及淬火后残余应力和变形的预测的准确程度与所采用的材料 的力学模型密切相关 在考虑材料的力学性能 如加工硬化特性 塑性流动法则 屈服准则 等基础上 采用Von1M ises弹塑性准则 等向硬化条件和普朗特尔 劳埃斯 Prandtl Reuss 塑 性流动法则进行计算分析 同时 淬火过程中的应力分析还必须考虑相变的影响 因此塑性 区的处理远较普通的应力分析复杂得多 本文中总应变考虑了弹性应变 塑性应变和热应变 因此其增量形式为dEij dEeij dEpij dEthij 3 式中 dEeij dEpij dEthij 分别为弹性应变增 量 塑性应变增量和由温度产生的热应变增量 弹性应变增量dEeij部分与应力张量部分符合 Hooke 定律 塑性应变增量部分与应力张量部分符PrandtlReuss塑性流动法则 热应变增量 dEthij Aij T Dij Aij T 是随温度化的瞬时热膨胀系数的函数 2 6加热温度对残余应力的影响 加热温度的高低是影响淬火后残余应力大小的重要因素之一 目前有人发现 以40C r 钢为代表的亚共析钢在Ac3点处有硬化峰出现 此温度淬火不仅可获得最高的硬度 且各项 力学性能也为最佳值 掌握得当能充分发挥钢的潜力 与其相反 提高某些钢的淬火温度也 可获得预想不到的结果 针对29C rMo44V 钢加热温度对残余应力的影响作如下研究 改变 加热温度即初始温度 分别取720 e 765 e 810 e 855 e 945 e 990 e 1 035 e 1 080 e 等8个 淬火温度 按冷却速度19 e s进行模拟计算 计算结果如图5所示 由图5可见 热处理温度在 720 855 e 之间 内外表面的径向残余压应力随温度上升而迅速增加 芯部的径向残余拉应 力也随温度的增加而缓慢变大 随着热处理温度升高 在855 945 e 之间 内外表面及芯部 的残余应力都逐渐将低 在945 1 018 e 之间 内外表面及芯部残余应力变化平缓 基本不随 温度变化而变化 2 7机理分析 5 在较高的温度下进行退火热处理时 材料的屈服强度随着温度的升高而降低 而材料 内部的焊接残余拉应力一个重要的特点是与材料本身屈服强度存在着一个平衡 4 因此 屈服强度的降低导致与残余拉应力的平衡被打破 此时材料内部的焊接残余应力随之下降 下降程度取决于屈服强度的变化 理论上是加热温度越高 残余应力降低的越多 且在 高温下残余应力下降速度较快 当焊缝的应力峰值已降到材料在给定温度下的屈服强度水平 后 应力下降速度减缓 随后是蠕变引起应力松弛过程 蠕变在高温时也起作用 但在 本试验条件下由于时间较短其作用远小于高温引起的材料屈服强度的降低 即较高温度退 火消除焊接残余应力时 材料屈服强度随温度升高而降低 导致的内部焊接残余应力的下 降起主要作用 辅以蠕变造成的应力松弛 较低温度退火处理由于退火温度较低 材料本 身屈服强度降低的很少 此时因屈服强度降低导致残余拉应力的下降较少 试件的焊接残 余应力如按前面的理论考虑 工件残余应力的降低应该很少 但试验表明 在低温下长时 间保温与高温短时间保温相比 消除焊接残余应力的程度相近 说明在较低温度下长时间 保温时蠕变引起的应力松弛使残余应力得到充分地释放 其速率取决于材料的蠕变特性 在长时间保温的情况下 其效果接近了高温短时间条件下屈服强度降低而引起残余应力的 下降 2 8试验过程及结果分析 试验采用工程上常用的材料Q235 钢板 将其制成5 块中间带有V 形坡口 尺寸为200 mm 170mm 16 mm 的试件 利用埋弧焊分别进行焊接 焊接工艺参数 焊丝直径5 mm 焊接电流700 A 焊接速度380 mm min 电弧电压35 V 焊后在自然状态下冷却至 室温 5 6 将其中1 块焊接试件不做任何处理作为对比试件 标记为1 其他4 块焊 件分别进行650 保温30 min 标记为2 550 保温2 h 标记为3 450 保温 8 h 标记为4 350 保温32 h 标记为5 的焊后热处理 热处理后随炉冷却 至室温 采用小盲孔法测出各试件中焊接残余应力的大小 7 8 在温度场计算中 采用了 生死单元技术 同时把热源分成了两部分 即电弧热和熔融金属液滴所带的热量 因此在模 拟中 采用了高斯面热源和高斯体热源相结合的方法进行温度场的模拟 在焊后热处理过程 中 采用的是整体加热形式 加热规范如图 所示 3结论结论 建立了无缝钢管定径的有限元模型 给出了弹塑性区域的材料应力应变关系 准确地描 述了管材在定径过程中的非线性特性 主半径较小的连铸机用康卡斯特连续弯矫曲线 即公 式取级数第1项 不但弧线误差较大 而且在较大程度上背离了等应变速率的含义 失去了