Влияние процесса прокатки на распределение остаточного стресса металла

Влияние процесса прокатки на распределение остаточного стресса металла

Процесс прокатки является краеугольным камнем металлообработки, используется для производства листов, пластин, стержней и структурных форм. Путем прохождения металла через одну или несколько пар вращающихся рулонов материал сжимается, истончается и удлиняется в желаемую геометрию. В то время как геометрические изменения очевидны, внутренние структурные изменения - особенно распределение остаточного напряжения - одинаково важны. Остаточные напряжения - это замкнутые напряжения, которые существуют в компоненте после того, как внешние нагрузки были удалены. Они могут либо усиливать, либо ухудшать механические характеристики материала, делая их контроль во время прокатки необходимым для производства надежных компонентов.

В данной статье рассматривается, как процесс прокатки влияет на остаточные стрессовые паттерны в металлах. Мы рассмотрим основы остаточного стресса, механизмы развития стресса при прокатке, ключевые факторы, формирующие распределение стресса, практические последствия для производительности компонентов и современные методы измерения и управления этими стрессами. Понимание этих отношений позволяет инженерам оптимизировать параметры прокатки, улучшить качество продукции и продлить срок службы.

Что такое остаточный стресс?

Остаточный стресс относится к внутренним напряжениям, которые сохраняются в материале после того, как все внешние силы или тепловые градиенты были удалены. Эти напряжения заперты в микроструктуре материала из-за неоднородной пластической деформации, фазовых преобразований, термического сокращения или градиентов в составе. Они существуют без какой-либо приложенной нагрузки и должны находиться в статическом равновесии - чистая сила и чистый момент по любому сечению равны нулю.

Остаточные напряжения обычно подразделяются на два типа на основе их признака: растягивающее остаточное напряжение и сжимающее остаточное напряжение. Остаточное напряжение растягивания внутренне разъединяет материал, делая его более восприимчивым к возбуждению трещины, распространению и растрескиванию с коррозией напряжения. Сжатие остаточного напряжения сжимает материал вместе, часто улучшая усталостную прочность и устойчивость к определенным режимам отказа. Масштабы и распределение этих напряжений зависят от истории обработки и геометрии детали.

В изготовленных металлических компонентах остаточные напряжения могут возникать из многих источников: литье, ковка, обработка, сварка, термообработка и прокатка. Роллинг, в частности, вносит существенную пластическую деформацию, которая создает сложные поля напряжений. Эти напряжения могут быть полезными, если они сжимаются в критических областях поверхности или вредны, если они растягиваются и способствуют отказу. Поэтому контроль остаточного напряжения во время прокатки является не только академической проблемой - это имеет прямые последствия для надежности и безопасности продукта.

Процесс качения и развитие стресса

Роллинг деформирует металл через силы сжатия, приложенные вращающимися валками. По мере того, как металл входит в щель рулона, он испытывает комбинацию сжатия из валков и сдвига из-за трения на интерфейсе рулона-метала. Эта деформация очень неравномерна по толщине: внешние слои вблизи рулонов подвергаются интенсивному сдвига, в то время как центр испытывает более равномерное сжатие. После выхода из рулонов металл может продолжать деформироваться упругим образом, пока не достигнет равновесия, что приводит к заблокированным напряжениям.

Остаточная картина напряжения после прокатки является результатом истории градиентов пластического деформирования, тепловых градиентов (особенно при горячем прокате) и упруго-пластической реакции материала. В холодном прокатке, где металл деформируется ниже температуры перекристаллизации, упрочнение работы накапливается и создает крутые градиенты напряжения. Поверхностные слои часто остаются в сжимающем остаточном напряжении из-за давления прокатки и трения, в то время как внутренняя часть может иметь компенсирующие растягивающие напряжения для поддержания равновесия. Эта картина может быть отменена, если параметры прокатки изменены.

В горячем прокате, выполненном выше температуры перекристаллизации, динамическая перекристаллизация и рекуперация смягчают металл при деформации, уменьшая величину остаточных напряжений. Однако тепловые градиенты при охлаждении после горячего проката могут вводить новые напряжения. Наружная поверхность охлаждается и сжимается быстрее, чем внутренняя, генерируя растягивающие напряжения на поверхности. Последующие фазовые превращения (например, аустенит в феррит или мартенсит) также могут вызывать объемные изменения, влияющие на распределение напряжений.

Горячий Роллинг против Холодного Роллинга

Различие между горячим и холодным прокатом имеет основополагающее значение для понимания результатов остаточного напряжения. Горячее прокатывание осуществляется при температурах, достаточно высоких, чтобы позволить перекристаллизацию металлических зерен (обычно выше 0,5 до 0,6 точки плавления). Высокая температура снижает напряжение потока, позволяя большие сокращения толщины с низкими силами и минимальным закалкой работы. Остаточные напряжения после горячего проката обычно низкие по сравнению с холодным прокатом, при условии, что охлаждение контролируется. Однако, если охлаждение неравномерно, тепловые напряжения могут стать значительными.

Холодная прокатка производится при температуре окружающей среды, часто для достижения более узких размеров допусков, лучшей отделки поверхности и большей прочности за счет закалки деформаций. Пластиковая деформация вводит значительные количества накопленной энергии и остаточные напряжения. Холодная прокатка часто имеет характерный профиль напряжения: поверхности находятся в сжатии, а центр в напряжении. Точный рисунок зависит от соотношения редукции, диаметра рулона, смазки и свойств материала. Для многих применений, таких как автомобильный листовой металл, контролируемое остаточное состояние напряжения желательно для улучшения формируемости и усталостной стойкости.

Факторы, влияющие на остаточное распределение стресса

Несколько взаимосвязанных факторов влияют на остаточное распределение напряжений, вызванное прокаткой. Понимание этих параметров позволяет производителям адаптировать состояние напряжения для конкретных применений.

Температура вращения

Температура является наиболее влиятельным параметром. Более высокая температура снижает напряжение потока и способствует динамическому восстановлению и рекристаллизации, которые расслабляют напряжение. При горячем прокатке металл деформируется пластически с меньшим количеством накопленной энергии, поэтому конечные остаточные напряжения обычно низкие. Однако, если температура не однородна поперечному сечению - например, если рулоны холоднее заготовки - тепловые градиенты могут создавать локализованные напряжения. При очень высоких температурах ползучее и стрессовое расслабление могут дополнительно изменять распределение напряжения. При холодном прокатке отсутствие теплового восстановления означает, что градиенты пластического деформирования сохраняются, что приводит к более крупным остаточным напряжениям.

Скорость вращения и скорость напряжения

Скорость прохождения металла через валки влияет на скорость деформации. Более высокие скорости деформации увеличивают напряжение потока из-за чувствительности к скорости материала, потенциально увеличивая величину напряжений, вызванных деформацией. При холодном прокате высокие скорости также могут влиять на условия смазки и выработку тепла на интерфейсе рулон-металл, изменяя распределение напряжения. При горячем прокатке повышенные скорости деформации могут подавлять перекристаллизацию, если время деформации слишком короткое, что приводит к более высокому удержанию напряжения. Оптимизация скорости прокатки — это баланс между производительностью и желаемыми остаточными характеристиками напряжения.

Соотношение сокращений и график прохождения

Количество уменьшения толщины на проход (чертеж) напрямую влияет на градиент пластического деформирования через толщину. Высокое уменьшение одного прохода создает крутой градиент, часто приводящий к высоким поверхностным сжимающим напряжениям и большим растягивающим напряжениям в центре. Многопропускное прокатывание с меньшими сокращениями позволяет более равномерно деформировать и может уменьшить величину остаточных напряжений. Общее уменьшение по всем проходам также имеет значение; тяжелое общее сокращение холодного проката приводит к значительному закалке и наращиванию напряжения. При горячем прокате график прохода должен учитывать не только снижение, но и падение температуры между проходами.

Условия крена и трения

Диаметр рулонов, шероховатость поверхности рулона и используемая смазка влияют на распределение напряжений. Большие диаметры рулона производят более длинную контактную дугу, которая способствует более равномерной деформации и уменьшает компонент сдвига вблизи поверхности. Меньшие рулоны создают более крутой угол входа, увеличивая деформации сдвига вблизи поверхности. Трение между рулонами и металлом влияет на направление и величину напряжений сдвига поверхности. Смазка уменьшает трение, приводя к более однородной деформации и более низким остаткам поверхности. И наоборот, высокое трение (сухая прокатка) вызывает большие деформации сдвига на поверхности, часто приводя к высоким остаткам сжатия, но также и потенциальному повреждению поверхности.

Свойства материала

Различные металлы и сплавы реагируют на качение. Прочность на выход, показатель закалки деформации, упругий модуль и коэффициент теплового расширения влияют на образование остаточного напряжения. Высокопрочные стали требуют более высоких сил качения и развивают более крупные остаточные напряжения. Алюминиевые сплавы с их более высокой теплопроводностью охлаждаются более равномерно, но их более низкая прочность на выходе приводит к различным величинам напряжения. Материалы, которые подвергаются фазовым преобразованиям во время охлаждения (например, углеродистые стали), имеют дополнительные вклады напряжения от объемных изменений. Размер зерна и начальная текстура также влияют на поведение потока пластика и последующее остаточное состояние напряжения.

Охлаждение после проката

Постпрокатное охлаждение является критической стадией, когда развиваются тепловые напряжения. Быстрое охлаждение, такое как закалка воды, может создавать крутые тепловые градиенты, которые производят большие растягивающие напряжения на поверхности и сжимающие напряжения в ядре. Медленное охлаждение, такое как охлаждение печи или воздушное охлаждение, позволяет тепловым градиентам выравнивать и уменьшать тепловые напряжения. Для продуктов горячего проката часто управляется скорость охлаждения для достижения конкретных механических свойств и напряжений. В некоторых случаях ускоренное охлаждение преднамеренно вызывает полезные сжимающие напряжения на поверхности, подобные выстрелному пинингу. Выбор охлаждающей среды (воздух, вода, масло или контролируемая атмосфера) и скорость должны быть подобраны материалу и желаемому профилю напряжения.

Последствия остаточного стресса в металлических компонентах

Остаточные напряжения не являются простыми побочными продуктами - они непосредственно влияют на производительность обслуживания компонентов проката металла. их эффекты могут быть как полезными, так и вредными, в зависимости от знака, величины и местоположения напряжений относительно применяемых нагрузок.

Усталость жизнь

В условиях циклической нагрузки сжимающие остаточные напряжения на поверхности могут значительно улучшить срок службы усталости. Это связано с тем, что сжатие противодействует растягивающим приложенным нагрузкам, снижая эффективную амплитуду напряжения и задерживая начало трещин. Многие процессы прокатки естественным образом создают поверхностные сжимающие напряжения в холоднокатаных листах, поэтому холодноформованные детали часто демонстрируют отличное усталостное поведение. И наоборот, растягивающие остаточные напряжения ускоряют рост усталостных трещин и уменьшают срок службы безопасной эксплуатации. Конструкторы должны учитывать остаточное стрессовое состояние при выполнении анализа усталости, особенно для критически важных компонентов, таких как шкурки самолетов, автомобильное шасси и сосуды под давлением.

Коррозионное стрекозывание (SCC)

Остаточные растяжные напряжения сочетаются с коррозионными средами для содействия растрескиванию коррозии под напряжением. Это особенно опасно в сплавах, таких как аустенитные нержавеющие стали и высокопрочный алюминий. Процессы прокатки, которые оставляют растягивающие напряжения на поверхности (например, неправильное охлаждение после горячей прокатки), повышают восприимчивость к SCC. Смягчение часто включает в себя термообработку снятия напряжения или обработку поверхности, которые вводят сжатие, такое как обжигание подкаливания или горение роликов. Правильный контроль параметров прокатки может минимизировать растягивающие напряжения с самого начала.

Измерительная стабильность и искажение

Асимметричные распределения остаточного напряжения вызывают искажения при последующей обработке или термической обработке. При удалении материала с одной стороны нарушается внутреннее напряжение равновесия, а часть деформируется или скручивается. Например, холоднокатаная полоса может показывать пружинный откат или обмоток, установленный из-за остаточных напряжений. В горячекатаных пластинах неравномерное охлаждение часто приводит к проблемам плоскостности. Производители используют операции по снятию напряжения отжига, растяжения или выравнивания для коррекции искажений. Стоимость переделки или лома от искажений может быть значительной, поэтому контроль остаточного напряжения при прокатке экономически важен.

Перелом жесткости и силы

Сжимающие остаточные напряжения могут также повышать кажущуюся прочность трещины за счет закрытия трещин и снижения коэффициента интенсивности напряжения на кончике трещины. Однако очень высокие сжимающие напряжения могут приводить к локальному запряжению в тонких секциях. Остаточные напряжения на растяжение снижают эффективную прочность выхода и могут вызывать преждевременное выход под внешними нагрузками. Чистое воздействие на несущую способность компонента зависит от сочетания остаточного и приложенного напряжений.

Методы измерения и смягчения остаточного стресса

Для проверки контроля процесса и прогнозирования эффективности работы деталей необходимо точное измерение остаточных напряжений.

Методы измерения

Рентгеновская дифракция (XRD) является широко используемым неразрушающим методом, который измеряет деформацию решетки путем обнаружения сдвигов в пиках дифракции. Он обеспечивает данные о поверхностном напряжении (глубина несколько микрон) и может отображать напряжения по площади. XRD подходит для большинства кристаллических металлов, но требует относительно плоской поверхности и тщательной калибровки. Это промышленный стандарт для контроля качества на прокатных мельницах.

Метод бурения на выдержке представляет собой полуразрушающий метод, в котором небольшое отверстие сверлили, а окружающий рельеф деформации измеряют тензодатчиками. Напряжения рассчитываются из измеренных деформаций с использованием аналитических или конечных моделей элементов. Этот метод может измерять глубины до нескольких миллиметров, обеспечивая профиль напряжения сквозной толщины. Он прочен и применим ко многим материалам.

Ультразвуковое тестирование использует акустоупругий эффект — изменение скорости ультразвуковой волны из-за стресса — для вывода остаточных напряжений. Он быстрый, портативный и может быть интегрирован в линию для мониторинга производства. Однако он требует калибровки и чувствителен к текстуре и микроструктуре.

Нейтронная дифракция обеспечивает глубокое проникновение и может измерять распределение напряжений по толстым секциям. Это мощный исследовательский инструмент, но требует источника нейтронов (например, реактора или источника спорирования) и не практичен для обычного промышленного использования.

Стратегии смягчения

Когда остаточные напряжения нежелательны, доступны несколько методов смягчения.

Отжигание от напряжения включает нагревание проката до температуры ниже точки перекристаллизации (обычно 600-700°C для сталей) и удержание его в течение достаточного времени, чтобы позволить микропластиковому расслаблению напряжения. Это очень эффективно для снижения остаточных напряжений, но может смягчить материал, если температура слишком высока.

Контролируемое охлаждение после прокатки может быть сконструировано с целью минимизации тепловых нагрузок. Например, медленное охлаждение в печи или использование изолирующих одеял позволяет выравнивать температурные градиенты. Для горячекатаных пластин системы охлаждения стека или ламинарного охлаждения предназначены для получения равномерного охлаждения по ширине.

Методы механического снятия стресса включают растяжение (выравнивание напряжения) или выравнивание роликов. Эти процессы применяют контролируемую пластическую деформацию для перераспределения и снижения остаточных напряжений. Растяжение листа на 1–2% может значительно сглаживать его и снижать уровни остаточных напряжений.

Обработка поверхности , такая как обжигание от выстрела или лазерное ударное окрашивание, вводят на поверхность сжимающие остаточные напряжения, противодействуя существующим растяжительным напряжениям или усиливая сжатие поверхности. Они часто применяются к продуктам с холодной прокаткой для улучшения жизни усталости.

Последние достижения в области прокатки и остаточного контроля стресса

Современные исследования продолжают совершенствовать понимание эволюции остаточного стресса во время прокатки и разрабатывать более точные методы контроля.

Термомеханическая контролируемая обработка (TMCP)

TMCP интегрирует горячее прокатывание с ускоренным охлаждением для производства высокопрочных стальных пластин с контролируемыми микроструктурами и благоприятными остаточными состояниями напряжения. Путем тщательного планирования температуры прокатки, сокращений и скорости охлаждения производители могут достичь как прочности, так и прочности при минимизации искажений. TMCP теперь стандартен для пластин судостроения и линейных сталей.

Симулирование конечных элементов

Передовые модели конечных элементов, которые сочетают пластичность, теплообмен и микроструктурную эволюцию, могут с высокой точностью прогнозировать распределение остаточных напряжений. Эти модели позволяют инженерам практически тестировать различные графики прокатки и стратегии охлаждения перед началом производства. Модели все чаще используются для проектирования прокатного станка и оптимизации процесса.

Встроенный мониторинг стресса

Неконтактные ультразвуковые датчики и лазерная профилометрия интегрируются в линии проката для измерения остаточного напряжения в режиме реального времени. Системы управления обратной связью могут регулировать силы охлаждения или крена для поддержания целевых уровней напряжения. Это представляет собой переход от контроля после процесса к активному управлению процессом.

Новые Rolling Designs

Асимметричное прокатывание, при котором два валка имеют разные диаметры или скорости, может приводить к деформации сдвига через толщину, что приводит к более равномерному распределению напряжений или даже к развороту типичного рисунка поверхностного сжатия. Такие методы изучаются для адаптации профилей напряжений в сплавах магния и других труднодеформируемых металлах.

Заключение

Процесс прокатки оказывает глубокое влияние на распределение остаточного напряжения в металлических компонентах. Контролируя температуру, снижение, скорость, трение и охлаждение, производители могут формировать внутренний ландшафт напряжений для повышения производительности продукта или предотвращения преждевременного отказа. Остаточные напряжения не являются случайностью обработки - они являются следствием истории деформации и могут быть спроектированы, чтобы быть полезными. Текущие достижения в методах измерения, вычислительном моделировании и контроле процесса позволяют управлять остаточными напряжениями с беспрецедентной точностью. Для инженеров и производителей, участвующих в операциях прокатки, глубокое понимание механики остаточного напряжения имеет важное значение для производства высококачественных, надежных металлических изделий.

Для дальнейшего чтения по методам измерения остаточных напряжений посетите ASTM E837 Стандартный метод испытаний для определения остаточных напряжений методом пробоотвода натяжного покрытия . Также см. ScienceDirect Обзор горячего проката и практическое руководство от Ткачатель на остаточном напряжении в прокатной стали .