連鑄坯表面裂紋的形成與預防

在連鑄過程中，由于熱應力和機械力，連鑄件表面可能出現裂縫。這些裂紋如果不能在熱軋過程中得到愈合,可能遺傳給其后的最終軋制產品,嚴重影響軋制產品的質量。研究軋制過程中連鑄坯表面裂紋的演變行為,對認識軋制產品中裂紋具有重要的意義。軋制過程中,軋件上裂紋等缺陷在軋制變形區內的演變過程難以通過物理實驗進行觀測。相對而言,有限元方法廣泛用來分析軋制過程中軋件上缺陷的演變行為。文獻采用熱加工圖和二維有限元方法對棒材軋制過程中軋制溫度等影響因素對軋件表面裂紋變形行為進行了模擬。文獻應用有限元方法分析了板帶熱軋過程中軋件表面橫向和縱向裂紋的變形行為,采用裂紋形狀變化分析裂紋的擴展與閉合行為。文獻開發了二維剛塑性有限元分析軟件,分析了不同條件下軋制過程中軋件表面裂紋等的形狀變化規律。文獻采用有限元方法對多道次立-平軋制過程中軋件角部裂紋的演變行為進行了分析,提出結合裂紋形狀變化和裂紋表面接觸壓力變化規律分析裂紋的演變規律。上述研究表明采用有限元方法能夠很好地模擬軋制過程中軋件上裂紋的擴展與閉合規律,分析各種影響因素對裂紋愈合與擴展的影響。但是,上述工作均沒有考慮軋制過程中軋件溫度變化對裂紋演變行為、軋件表面溫度分布對裂紋的愈合和擴展的影響。熱力耦合有限元方法已經廣泛地用來求解軋制問題,然而對于帶有表面裂紋的熱軋過程研究報道較少。本文以LS-DYNA為平臺,采用熱力耦合有限元方法對軋制過程中軋件表面裂紋演變行為進行了研究,分析了軋制變形區不同階段裂紋的形狀、裂紋附近區域應力場和溫度場分布情況。研究結果有助于人們認識軋制過程中軋件表面裂紋的演變機理。1u3000軋件材料模型圖1為帶有預置表面裂紋的軋件軋制過程示意圖。有限元模型中,軋輥直徑(DW)為1150mm,軋制前軋件厚度(2H0)為250mm,軋件出口厚度(2H1)為230mm。在軋件表面預置V形裂紋,其中裂紋深度HC為10mm,裂紋寬度為1.65mm。軋制前,軋件溫度為1200℃,軋輥與軋件之間的摩擦系數為0.35。軋制過程中,軋輥采用剛性材料模型,軋件采用各向同性材料模型。軋輥和軋件的導熱系數為46W/(m·K),比熱容為460J/(kg·K),密度為7830kg/m3。軋輥的彈性模量為210GPa,泊松比為0.3;軋件彈性模量為117GPa,泊松比為0.36,軋制過程中變形抗力由式(1)求得。σ=AεBε˙(CT+D)eFT(1)σ=AεBε˙(CΤ+D)eFΤ(1)由于板帶軋制過程為對稱分布,采用1/4區域進行計算模擬。根據上文中的模擬參數,建立軋制模型。采用8節點6面體實體單元對軋制模型進行離散,軋件高度對稱面上所有節點進行約束,高度方向位移為0。軋制過程中,軋件與軋輥之間采用庫侖摩擦對軋制力進行計算,軋件以一定的初始速度送入軋輥,在摩擦力的作用下被軋出。軋制過程中帶有預置軋件表面裂紋的有限元網格劃分如圖2所示,其中圖2(b)為圖2(a)中裂紋區域的放大圖。2裂紋表面溫度隨狀態變化特征為了更好地對變形區域內裂紋的演變行為進行研究,取變形區上6個不同的位置(圖1中P1～P6)對裂紋進行研究。圖3所示為軋件表面裂紋在軋制變形區內的形狀變化情況。當裂紋處在P1～P2位置之間,裂紋從其尖端開始逐漸閉合。當裂紋處在P2～P4位置之間時,裂紋維持其原有形狀,幾乎沒有發生變化。裂紋處在P4～P6位置之間時,裂紋又重新張開。很容易理解,如果裂紋尖端處應力足夠大,裂紋將會沿著裂紋尖端發生擴展行為。圖4所示為裂紋處在軋制變形區內不同位置的沿軋制方向的應力分布情況。當裂紋處在P1和P2位置時,裂紋附近區域承受著壓應力,從而裂紋逐漸閉合。裂紋處在P3位置時,裂紋附近區域所承受的應力較小,從而裂紋處于相對穩定狀態,既不閉合,也不擴展。裂紋處在P4位置時,沿軋制出口側的裂紋側面承受著較大的拉應力,而沿軋制入口側的裂紋側面幾乎不承受任何作用力,很容易理解,當出口側的拉應力增加到一定數值時,裂紋將會發生擴展現象。當裂紋處在P5和P6位置時,裂紋尖端出現明顯的拉應力,很容易理解,此時,裂紋處于擴展狀態。從上述結果可以知道,軋制過程中軋件出口區域(前滑區)上存在的沿軋制方向的拉應力是軋件上裂紋擴展的主要原因之一。圖5所示為軋制變形區內裂紋附近區域溫度場變化情況。從圖中可以看出,軋制結束后,在裂紋表面上溫度明顯低于相同位置的非裂紋區域。很容易理解,裂紋附近區域溫度越高,壓應力作用下裂紋越容易愈合。而軋制過程中,裂紋表面溫度降低,這將使裂紋的愈合速度迅速降低。綜上所述,裂紋表面溫度降低是軋制產品中裂紋遺傳的主要原因之一。對軋制過程中軋件裂紋表面上不同位置(圖1中點a～g)的溫度變化情況進行詳細分析,如圖6、7所示。圖6(a)為軋制過程中裂紋表面點a與相鄰區域軋件表面上點A處的溫度變化情況。在軋制變形區內,軋件表面溫度迅速降低,同時,裂紋表面處溫度降低速度大于無缺陷區域裂紋表面溫度,本模型中兩者溫差達到70℃。圖6(b)為軋制過程裂紋尖端(點g)和相同厚度位置的無裂紋缺陷區域點G的溫度變化情況。軋制過程中由于軋件發生塑性變形,使軋件內部溫度升高,同時由于軋件與軋輥之間的熱交換,使軋件表面溫度降低。由于兩者的結合,使裂紋尖端溫度成雙峰分布。發生這個現象的主要原因是裂紋在后滑區域發生閉合,產生塑性變形功,促使裂紋尖端溫度升高,在粘著區域裂紋幾乎不變形,由于裂紋與軋件表面溫度總體呈下降趨勢,所以出現小的溫度下降,到前滑區后裂紋發生擴展行為,裂紋尖端溫度再一次升高,離開變形區后,裂紋溫度再一次下降。相對于裂紋尖端呈雙峰分布,無裂紋缺陷區域則呈現出一個較小的溫度上升平臺,軋后溫度降低較慢。圖7所示為裂紋表面不同位置的溫度變化情況。軋制過程中,由點a到點g位置,溫度逐漸降低,其中點a～d在出軋制變形區后有較大的溫度回升,而點e～g位置出軋制變形區后溫度呈下降趨勢。3裂紋擴展及其閉合(1)采用熱力耦合有限元方法對熱軋過程軋件表面裂紋演變行為進行了研究,分析了軋制變形區內不同階段的裂紋形狀、裂紋附近應力場分布、裂紋附近溫度場分布。這為人們研究熱變形條件下裂紋的擴展和閉合問題提供了方法。(2)軋制變形區前滑區域內,軋件表層沿軋制方向承受著拉應力。裂紋進入該區域后,裂紋兩側受應力狀態出現不連續狀況,使裂紋