冷轧薄板损伤机理及断裂失效评定方法的研究

提高冷轧薄板质量、降低薄板断裂事故是发展冷轧技术的关键所在。由于冷轧薄板的应力状态变化复杂、影响因素众多，有效控制薄板质量的理论基础还非常薄弱。至今，国内外尚未开展针对轧制过程中薄板损伤分布和演化的系统研究，对含裂纹薄板的轧制断裂行为也缺乏必要的基础认识。为此本项目通过引入损伤模型，分析整个冷轧过程中薄板内损伤的演化行为，获得不同轧制参数对损伤分布的影响规律以及轧制后失效可能出现的位置和范围；通过与涡流、超声表面波等无损探伤结果的比较，确定降低薄板损伤度、提高薄板质量和力学性能的轧制工艺参数。同时，在断裂力学的框架内，针对含裂纹薄板建立起冷轧断裂失效评定准则。通过数值模拟得到轧制过程中裂纹扩展驱动力的变化规律，并与显微实验获得的裂尖临界断裂参量进行比较，分析得到适用于薄板轧制的断裂参量，模拟出整个轧制过程中裂纹的扩展行为，为防止冷轧薄板断带事故提供理论依据。

提高冷轧薄板质量、降低薄板断裂事故是发展冷轧技术的关键所在。由于冷轧薄板的应力状态变化复杂、影响因素众多，有效控制薄板质量的理论基础还非常薄弱。针对这一难题，本项目通过理论推导、数值仿真及实验验证，对冷轧过程中的带钢断带问题进行了研究，取得了一系列研究成果。首先利用有限元法分析了轧制过程的应力应变过程，发现传统的断裂评定准则都不适用于轧制过程传统。其次我们采用介观损伤力学的方法对轧制断裂进行研究，考察了轧制过程中应力三轴度的变化，发现了沿轧制方向上的应力三轴度变化规律，特别是低应力三轴度状态与常规的介观孔洞损伤模型假设间的区别。基于这一发现，我们发展了常规GTN模型，考虑了剪切项对孔洞损伤的影响，对GTN模型的损伤演化机制进行修正，给出了孔洞剪切变形对损伤演化贡献的表达式，利用不同几何形状的试样进行拉伸实验，获得相应的参数，并将改进的GTN模型内嵌进有限元计算中，对冷轧过程中的带钢内部损伤演化进行了研究。我们分析了压下率、前后张力、摩擦系数，轧辊半径等工艺参数对冷轧断带的影响，并通过析因分析和正交试验设计方法分析了不同工艺参数对边部缺陷开裂行为的影响和开裂规律。我们的研究表明，压下率和张力为边部裂纹扩展的主要影响因子，其中压下率最主要；摩擦系数和轧辊直径为次要因子，按照影响的显著程度排序依次为：压下率，单位张力，摩擦系数和轧辊直径；其中裂纹长度随着压下率，单位张力和摩擦系数的增大而增加，随着轧辊直径的增加而降低。另外我们的研究发现压下率到达一定程度时，边部缺口前缘会出现一主一次两条裂纹，其中主裂纹首先出现在缺口尖端并沿着与轧制方向呈约45方向扩展；而次裂纹稍后出现并沿着与轧制方向约成135°的方向扩展。这一特殊的裂纹分叉现象与实验结果完全吻合，说明我们的研究理论及方法具有高度的可信性和准确性。最后我们提出一种轧制断裂判据，并结合自主设计研发的带钢边部缺陷在线检测装置对带钢边部缺陷进行实时在线检测。检测结果表明通过在线边部缺陷检测证明了所提出的轧制断裂判据可以准确地对边部缺陷的开裂行为。.基于本项目的开展，至今我们已发表论文11篇，其中EI收录7篇，SCI 3篇（2篇见刊，1篇接收），另外申请相关专利3项。