压痕应变法在钢板板形缺陷诊断中的应用

余 立 刘 冬 陈 明 彭文杰 曾雄镖

(1.武钢研究院 湖北 武汉：430080；2.神龙汽车有限公司 湖北 武汉：430056)

压痕应变法在钢板板形缺陷诊断中的应用

余 立1刘 冬1陈 明1彭文杰1曾雄镖2

(1.武钢研究院 湖北 武汉：430080；2.神龙汽车有限公司 湖北 武汉：430056)

应用压痕应变法对改进前后两次轧制工艺条件下未矫、初矫、复矫的车桥用钢残余应力分布情况进行了研究，结果表明：钢板表面残余应力的大小和分布与板形缺陷存在直接联系，当表面残余应力绝对值或者正反面残余应力的差值较大时，钢板容易在加工过程中出现瓢曲等板形缺陷。通过分析研究，B工艺在A工艺基础上对冷却参数进行了有针对性的调整后，B工艺生产的钢板表面残余应力大小和分布有了极大的改善，同时应用这一技术，对两种工艺条件下的矫直工艺进行了评价，并指导矫直工艺进行有针对性的优化。

压痕应变法；残余应力；板形诊断；板形缺陷

板形问题一直以来都是钢板质量的关键参数，板形缺陷一般可分为旁弯(即镰刀弯)、浪形和瓢曲等[1]。一般的板形缺陷在轧制后就能够通过检测手段发现，而另有一种板形缺陷在轧制后不能马上发现，而往往在后部工序中(例如纵剪后)才会暴露出来，这类板形缺陷往往危害更大，因为钢板已经下料，再矫直、热处理等补救手段会严重影响生产的节奏和进度。那么是否可以通过现有的测试方法就能把这种隐藏的板形缺陷发现并就及时处理呢？

文献[2-5]表明，类似瓢曲等板形缺陷可以归纳为弹性薄板稳定性问题，其失稳正是由于板内残余应力作用的结果。因此，本文应用压痕应变法对某热轧板上下表面残余应力的分布情况进行了研究，以找到造成板形缺陷的根本原因，并以此为基础发现隐藏的板形缺陷的表征参数，并指导钢板的轧制和矫直工艺。

1 试验方法

1.1 原理

压痕应变法是近年来国内外重点研究的课题，它具有无损、便捷、精度高的特点[6-8]，特别适用于在现场对原板进行测试，而相比于试验室的小样残余应力测试，原板的残余应力分布更能反映钢板的原始残余应力状态，是板形控制、工艺改进的关键参数。

在平面应力场中，由球形压痕产生的材料流变会引起受力材料的松弛变形(拉应力区使材料缩短，压应力区使材料伸长)，与此同时，由压痕自身产生的弹塑性区及其周围的应力应变场在残余应力的作用下也要产生相应的变化。这两种变形行为的叠加所产生的应变变化量可称之为叠加应变增量△ε(简称应变增量)。冲击压痕应变法就是利用球形在相同给定的冲击力作用下诱导的球形压痕产生的应变增量△ε来求解残余应力的方法。

一定尺寸的球形压痕在残余应力场中产生的应变增量△ε与弹性应变εe之间存在确定的多项式关系。其中应变增量式△ε是用应变仪测出的应变差值，弹性应变是残余应力产生的残余应变，因此可以用以下的公式(1)表示：

(1)

式中：A1、A2、A3为压痕应变法应力标定参数；B为零应力下的应变增量；

通过测试在同一载荷激励作用下产生的应变，利用上述对应关系，就可以反求材料本身存在残余应力的大小。

1.2 试验板

本次试验板是A、B两种轧制工艺条件下精矫工艺前后的钢板，共5块，其中B工艺是在A轧制工艺条件下经过残余应力测试后有针对性的对冷却参数进行了调整。5块试验板分别为A工艺初次精矫(简称初矫)后、A工艺二次精矫(简称复矫)后、B工艺未经精矫(简称未矫)后、B工艺初矫后、B工艺复矫后的钢板。钢板尺寸为1000mm×1800mm×14mm，其屈服强度≥460MPa，测试点位置如图1所示，1#～5#代表是钢板的上表面点，10#～50#代表钢板1#～5#点对应位置的下表面点，即1#与10#相对应，2#与20#相对应。DS代表钢板轧制的传动侧，WS代表钢板轧制的操作侧。

图1 残余应力测试点位置

1.3 试验过程

试验采用KJS-2型压痕法应力测试系统。试验标准满足GB/T 24179-2009[9]的要求。在对钢板表面进行打磨、抛光后，在钢板表面贴上双向应变片，分别与钢板的轧向和横向保持一致，并设定X方向为钢板轧向，Y方向为钢板横向，然后将应变片采用半桥连接应变采集装置。然后用测试系统的显微对中装置将打击筒中点对准应变片上双向光栅的交点位置，接着用打击筒对钢板进行打击制造压痕，分别记录打击前后的应变值ε，从而采集到在该残余应力σe条件下的应变增量△ε。

2 试验结果

本试验得到每个测试点双向的应变增量△εx和△εy，应用公式(1)分别计算出X方向和Y方向的弹性应变εex和εey，然后用公式(2)、公式(3)分别计算轧向和横向的残余应力σx和σy。

(2)

(3)

钢板板形问题的主要影响因素为轧向残余应力[10]，因此本试验以轧向残余应力为主要分析对象，单矫和复矫前后钢板正反面轧向残余应力值分别如表1～表5所示，其中△σ表示同一位置上下表面的应力差。

表1 A工艺单矫钢板正反面轧向残余应力

表2 A工艺复矫钢板正反面轧向残余应力

表3 B工艺未矫钢板正反面轧向残余应力

表4 B工艺单矫钢板正反面轧向残余应力

表5 B工艺复矫钢板正反面轧向残余应力

3 试验分析

3.1 两种轧制工艺条件下矫直前后的对比

将残余应力大小分别做柱状图，结果见图2，图3。

图2 A工艺单矫、复矫钢板轧向残余应力的对比

图3 B工艺未矫、单矫和复矫钢板纵向残余应力的对比

由图2可以看出，就X方向(轧向)残余应力而言，A工艺钢板经过复矫后，正面的残余应力值由248.2MPa降低到83.2MPa，反面残余应力值由266MPa降低到39.2MPa，复矫后X方向正反面的残余应力值都大幅度降低。从图3也可以看出，B工艺钢板显示出类似的规律，经过复矫后，轧向的残余应力均有所降低，反面的残余应力值下降，但都处在一个相对较低的水平。从单矫和复矫钢板下料后变形的状况来看，单矫后的钢板沿轧向瓢曲较为严重，而经过复矫后瓢曲的数量和程度上都较单矫大为改善，这与纵向残余应力大小的变化是一致的。当纵向的残余应力平均值较低时，其发生翘曲的概率较低。

从B工艺未矫—单矫—复矫钢板的残余应力变化趋势来看，经过单矫后，钢板表面的残余应力有不同程度的变化(正面增大，反面减小)，经过复矫后应力值均有所降低，这说明表面残余应力除了与钢板本身的轧制工艺有关外，与矫直工艺也有关系，单矫虽然可以使钢板更加平整，但是也会引入附加应力使钢板增加出现板形缺陷的可能。复矫对钢板表明残余应力的改善较为明显，经过复矫后轧向残余应力均出现降低。

由图4(b)可以看出B工艺未矫—单矫—复矫的钢板正反面应力差的变化呈现单矫后增大，复矫后减小的趋势，这也说明了单矫确实会引入附加应力增大发生板形缺陷的趋势，而复矫能改善钢板表面的应力分布。

无论从A工艺还是B工艺钢板表面残余应力分布以及后期加工出现板形缺陷的程度和频率来看，钢板在轧向出现板形问题的概率较大，且与轧向的残余应力的分布具有较强的相关性；当钢板表面出现较大残余应力时或者正反面应力差值较大时，钢板容易在加工后出现板形缺陷；单矫工艺虽然使钢板原板表面更加平整，但是引入了附加应力使钢板增加了出现潜在板形缺陷的可能；当钢板表面的残余应力值或者正反面应力差值较大时，采用复矫可以减小钢板残余应力大小并且减小正反面应力的差值，从而改善板形缺陷。

3.2 两种工艺综合对比

为了比较A、B两种轧制工艺对板形的控制，将前后两种工艺的轧向残余应力进行对比，结果如图5～图7所示。

图5 两次工艺正面轧向应力对比

图6 两次工艺反面轧向应力对比

图7 两次工艺正反面轧向应力差值的对比

由图5、图6可得，B工艺的钢板表面的残余应力值比A工艺钢板残余应力小，B工艺的钢板即使不经过单矫作业其表面的残余应力值都处于一个较低的水平；不论是A工艺还是B工艺的钢板，复矫作业后，钢板表面残余应力值都会相对于单矫有明显改善。

由图7可以看出，B工艺钢板正反面轧向应力差值要明显低于A工艺，虽然A工艺钢板经过复矫后将应力差值降到一个很低的水平，但是B工艺的钢板即使不经过单矫，其轧向残余应力差值也仅为105MPa，就轧制工艺来说，B工艺在残余应力的控制方面较A工艺好。从单矫和复矫后的钢板表面残余应力的分布来看，B工艺生产的钢板在经过单矫后其正反面应力差同样出现增大的趋势，这与前面得出的结论较为一致，单矫有增大钢板出现板形缺陷的风险，考虑到A工艺条件下的钢板在经过单矫后其正反面应力差值达到514.2MPa，可以推测，其除了在轧制工艺方面需要改进外，其单矫工艺同样需要优化。

4 结论

通过对两种工艺的热轧板在精矫前后残余应力的对比分析，可以得出以下结论：

(1)B轧制工艺的钢板在矫直前后残余应力波动较A工艺小，因此与现有的初矫、复矫工艺更加匹配，符合当前生产的要求；

(2)钢板表面残余应力值和正反面差值能够反映钢板发生潜在板形缺陷的趋势和程度，其值越大，钢板越有可能发生潜在板形缺陷，相对而言，正反面差值对板形变化的预测更为敏感；

(3)精矫工艺对钢板表面的残余应力有较大影响：单矫容易引入附加应力，从而增大产生潜在板形缺陷的可能，而复矫则可以有效的改善钢板表面的应力分布；

(4)对于有板形缺陷的车桥用钢建议对其上下表面进行残余应力的测试分析，可以有效的找出钢板板形缺陷的原因从而指导轧制和矫直工艺的优化。

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SurfaceResidualStrainMeasurementforShapeDefectDiagnosisofSteelbyIndentation-strainMethod

Yu Li1Liu Dong1Chen Ming1Peng Wenjie2Zeng Xiongbiao2

(1.Research & Development Center of WISCO, Wuhan 430080, Hubei; 2.Dongfeng Peugeot Citroen Automobile Co. Ltd, Wuhan 430056, Hubei)

In this paper, indentation strain-gage method was used to study the distribution of surface residual stress of axle steel in A and B cooling process which was then straightened by non-, single- and second straightening process respectively. It showed that the flatness defect of axle steel after cutting was closely related to the value and distribution of the surface residual stress. The steel was prone to buckling or other plate-shaped defects when the absolute value of the surface residual stress or the difference between positive and negative was larger than normal. The distribution of surface residual stress on the board which was produced by process B adjusted based on process A has been greatly improved. This also explains that the determination of residual stress by indentation strain-gage method can help to predict the deformation of the steel, and with the application of the technology, it will effectively guide the process of rolling and straightening.

indentation strain-gage method; residual stress; flatness inspection; flatness defect

TG157

A

1671-3524(2017)02-0008-05

(责任编辑：李文英)

2017-04-20

2017-05-12

余 立(1984～)，男,硕士，工程师.E-mail：nimon82@163.com