高强度低韧性板材的强化特性对矫直参数的影响

赵 岽 吴庆君

(1．太原重工股份有限公司矫直机研究所，山西030024；2．淮南市石油化工机械设备公司技术部，安徽232033)

随着冶金技术的发展，对高强度低韧性板材进行矫直的需求越来越多，例如：经过热处理淬火的钢板、冷作硬化的铝板，以及钨、钼、钛类的硬质合金板材。辊式矫直技术是使轧件产生弹塑性弯曲变形从而达到矫直目的。在矫直过程中需要对轧件施加大的相对反弯曲力，直至纵断面塑性变形率大于80%，这样经过充分反弯弹复后，可使轧件残余曲率不均匀性迅速缩小，有助于波浪弯的矫直。所以在对高强度、低韧性且强化特性明显的金属进行矫直时，就需要充分考虑反弯后的强化特性对矫直参数的影响。

1 强化特性与矫直特点的关系

高强度低韧性板材在发生弹塑性弯曲变形时，由于其应力应变模型没有明显的屈服平台，即使应力与应变间失去线性关系后，屈服现象也不明显。变形超过屈服平台后进入金属强化阶段，变形阻力随着变形程度的增加而增大，直到出现断裂。因此对此类板材的矫直就必须考虑强化特性的影响。高强度低韧性金属的应力应变模型如图1所示。

1.1 强化特性

金属的强化特性用强化系数λ来表示，λ值愈大强化特性愈明显。

图1 高强度低韧性金属的应力应变模型Figure 1 Stress and strain model of high strength and low ductile metal

式中，E为弹性模量；E'为强化模量的平均值，推荐用δ5与σb两坐标的定位点d及σt与εt的定位点t间的连线td的斜率来表示。

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式中，δ5为断后延伸率；σb为抗拉强度；σt为弹性极限；εt为弹性极限应变。

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1.2 矫直特点

矫直力F为：

1—理想弹塑性材料 2—λ=0.016 7的材料 3—λ=0.033 3的材料图2 矩形断面的相对反弯曲率CW与相对原始曲率C0关系图Figure 2 Relationship between relative reverse curvature CWand relative original curvature C0 of rectangular cross-section

由于强化系数越大，强化材料的弹复能力越大，在对其进行矫直时需要的反弯曲率越大；反弯曲率的加大使原始平直部分造成更大的弯曲，弹复后保留较大的残余曲率，故为了能达到矫直精度，就需要增加压下量和矫直辊数，从而使矫直功率的消耗也增大。

2 强化系数对矫直的影响

强化系数对矫直的影响，可从板材的最大弯曲条件和表层弯曲应力条件两方面进行分析。

2.1 板材矫直的最大弯曲条件

为保证金属表面不产生裂纹，以轧件的强度极限应变εb与弹性极限应变εt比值不小于5作为判断金属可矫直的依据，即εb:εt≥5。所以从最大弯曲状态下的矫直条件看，金属板材边层纤维的变形不超过5εt，即金属断面高度为h时，在h边界处的边界应变εh=5εt定为最大弯曲条件。

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2.2 对矫直产生影响的强化系数范围

强化性金属板材小变形矫直参数计算与理想金属相比，只是系数中多一个强化系数λ值。

当表面应力达到强度极限σb时，以边层的应力增大系数的最大值ξmax=β=1.5和边层纤维变形(εh=5εt)的板材矫直最大弯曲条件计算强化系数λ。

当金属断面高度为h时，在h的边界对应的最大表面应力σhmax为：

σhmax=σt+λE(εh-εt)=σt+λE(5-1)εt

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强化金属轧件的相对反弯曲率方程为：

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所以矫直强化系数λ在0.01≤λ≤0.125范围内的金属材料，在精确计算时要考虑强化特性的影响。

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=σt(1+4λ)λ=0.125

3 矫直方案

高强度低韧性板材采用“充分反弯”的矫直方案，可在较少的辊数下获得较好的矫直质量，对于没有明显屈服平台或屈服极限附近，曲线斜率较大的非理想材料的矫直效果较好。但是金属刚性愈大，弯曲后残留曲率的均一性愈差；采用过大的变形量一方面会增加轧件内部的残余应力，对于加工硬化明显的材料，会影响产品质量，而且矫直机的能量消耗也会增加；另一方面受板材最大弯曲条件的影响，必须控制对轧件的最大相对总反弯曲率C，符合下面条件才能避免矫直裂纹，即：

C=C0+CW

式中，C为相对总反弯曲率；C0为相对原始曲率；CW为相对反弯曲率；ξ为边层的应力增大系数。

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当强化金属的表面应力达到强度极限σb时，边层的应力增大系数ξ达到最大，并且可以准确计算，通常强化金属的该值较小。由上式可以看出，强化系数λ越大，相对总反弯曲率C越小。例如：将上例中的ξ=1.5，λ=0.125代入得C<5。

由于相对总反弯曲率C包含轧件相对原始曲率C0与相对反弯曲率CW，即C=C0+CW；C0的变化范围较大，通常达到C0≥3，使得在矫直时对轧件相对反弯曲率CW的施加受到很大的限制，因此在矫直强化特性工件时，压弯量的调整一定要谨慎，往往需要逐渐增加压下量，进行多道次往复矫直，故在实际生产中多建议采用充分反弯矫直方案，防止出现因过度反弯造成的板面裂纹。因此规定，相对反弯曲率CW的设定符合小变形矫直方案，或使最大总反弯曲率Cmax=5的矫直方案都属于“充分反弯”的矫直方案。

该书从语言本体出发，结合瓯越语特点，从语言和文化两个层面分别阐释，对瓯越语语汇作了全面深入的探讨，全书共48万余字，分为绪论和上下两篇。

4 矫直方案的参数计算

由于高强度低韧性板材在矫直过程中，其表层的弯曲应力都有明显的强化特性，有可能形成表面裂纹，此时的表面应力最大值σhmax接近或达到了强度极限σb。现有金属的极限应力比值β=σb/σt都可算出，高强度低韧性金属的极限应力比值β较小，一般可达到β=1.5。

4.1 强化系数λ对相对反弯曲率CW的影响

另外，由于中低强度高韧性金属常带有大小不同的屈服平台，其弯曲变形的应力也常在平台区内，而不超过σt；此时对应的最大表面应力只比σt大1.4%以下，可不考虑其强化特性的影响，即σhmax≤1.04σt，代入上式得：λ≤0.01。

CW3(1-λ)+CW2[(2-3λ)C0-1.5(1-λ)]+CW[(1-3λ)C02-3(1-λ)C0]+0.5(1-λ)-[1.5-λ(C0-1.5)]C02=0

4.2 强化系数λ对相对残留曲率CC的影响

CC=CW-Cλf

式中，Cλf为强化性金属轧件原始曲率为0的那部分，经反弯弹复后的相对弹复曲率。

4.3 强化系数λ对矫直力F的影响

矩形断面的相对反弯曲率CW与轧件相对原始曲率C0关系如图2所示。图2表明，对于理想弹塑性材料，当C0≥5时，取CW=1.5，就能矫直板材；对强化系数高的板材，λ值愈大，CW随着C0变化时愈难有一个趋近值，板材也越难矫直。

式中，t为矫直辊辊矩。

板材的弹性弯矩Mt为：

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4.4 强化系数λ对矫直能耗的影响

相对总反弯曲率C为：

C=C0+CW

板材的弹性极限变形能ut为：

4.5 计算分析

设9辊矫直机矫直辊直径D=230 mm，矫直辊辊矩t=250 mm，矫直板厚H=15 mm，矫直板宽B=1700 mm，屈服极限σs=700 MPa，弹性模量E=2.1×105N/mm2，最大相对原始曲率C0=3，分别计算轧件强化系数为λ=0、λ=0.016 7、λ=0.033 3时的矫直参数。矫直参数见表1。

表1 矫直参数Table 1 Strengthening parameters

5 结论

由以上计算结果可以得出：要达到将最大原始曲率矫平的要求，强化系数越大的金属所需的反弯曲率越大，压下量就越大；经反弯弹复后，强化系数较大的金属保留了较大的残余曲率，给下一辊矫直增加了压下任务，同时可以推测到最后的压弯辊有可能保留较多残留曲率，需要增加辊数才能达到矫直目的。由于强化性金属的矫直力因弯矩的增加而增大，传动摩擦耗能也因矫直力增大而增加；弯曲变形的耗能因弹性恢复能力的增大而更多地反馈给矫直机，真正的弯曲变形耗能与理想金属弯曲变形能耗差别较小，在反弯曲率不大的情况下差别更小。