自蔓延-离心不锈钢内衬钢管应力及裂纹研究

通过热应力计算及不锈钢层组织分析，研究了SHS－离心法制备的不锈钢内衬复合钢管不锈钢层中裂纹产生的原因以及消除裂纹的措施，研究表明，内衬层开裂是钢中的夹杂使钢变脆以及冷却过程中热应力共同作用的结果，通过加速相分离过程、减少内衬层中的夹杂、提高塑性以及提高钢中奥氏体含量等措施，可消除不锈钢层中的裂纹。     

316Ti不锈钢钢管残余应力分析

用钻孔贴应变片法对316Ti不锈钢管进行残余应力的测量;研究比较了冷轧态、退火态、冷矫直状态对残余应力的影响。试验结果表明:316Ti不锈钢钢管经冷轧加工其残余应力增加到接近屈服强度;经固熔热处理材料的残余应力明显下降,但因冷却及材料内部组织不均匀仍存在周向压应力;矫直变形会增加316Ti不锈钢钢管的残余应力,周向因矫直变形,表面压应力消失;Φ25.0 mm×2.0 mm规格小管热处理冷却过程中弯曲度大,因此矫直后残余应力增加较大。     

Al2O3-40%TiO2陶瓷涂层残余应力的有限元分析

为分析大气等离子喷涂Al2O3-40%Ti O2复合陶瓷涂层在冷却过程中涂层崩裂的现象,本文采用有限元方法,研究了涂层内部残余应力分布情况,探讨了涂层厚度、孔隙、裂纹等因素对残余应力的影响。结果表明:基体与粘结层和粘结层与涂层的界面边缘处出现了应力集中区域,随着X尺寸(模型水平方向的距离)的增加,涂层及粘结层内部应力由压应力转变为拉应力;涂层厚度只对残余应力值有影响,对应力分布状态影响较小,随着涂层厚度的增加,X向(径向)应力逐渐增加,Y向(轴向)应力及剪切应力在界面边缘处急剧变化;大孔隙、纵向裂纹对涂层残余应力影响较大。有限元模拟分析较好的解释了涂层在冷却过程中涂层层状崩裂的现象。     

层间残余应力对带夹层复合板组织性能影响

利用层间真空涂覆技术在不锈钢复合板间添加充型夹层会产生层间残余应力,在后续热轧成形过程中可能受层间残余应力影响导致复合板组织与力学性能发生变化。不锈钢复合板层间残余应力由充型夹层凝固过程中层间热应力与相变应力共同作用产生,拟通过轧前热处理对层间残余应力进行消除,采用数值模拟与试验验证相结合的方法制定轧前热处理工艺,通过层间真空压差涂覆、轧前热处理及热轧试验制备消除与未消除层间残余应力的2种不锈钢复合板,利用金相观测、硬度测试、界面能谱扫描及拉伸、剪切等表征及性能测试试验分析层间残余应力对复合板组织性能的影响。研究结果表明,在保证基层、夹层、复层组织不变的情况下,消除层间残余应力的轧前处理工艺为加热至400℃,保温3.5 h,缓慢冷却;经过轧前处理,层间残余应力消减了96.3%;相较于未消除层间残余应力的复合板,消除层间残余应力复合板轧后夹层应力显著增强,晶粒细化81.7%,同时,消除层间残余应力能够提升复合板剪切强度13.3%、拉伸强度3.9%、断后伸长率4%及夹层界面显微硬度3.5%。研究内容通过消除层间残余应力提升了带充型夹层复合板的整体性能,可为相关铸造成型构件性能的提升提供理论...     

H型钢控制冷却过程的温度变化及热应力分析

H型钢由于自身的结构特点,轧后存在着严重的温度不均、组织不匀和残余应力,有必要对其实施控制冷却.根据传热学和热弹塑性理论,利用有限元分析法对H型钢轧后冷却过程中温度及应力变化进行了数值模拟分析.分析内容包括空冷和控制冷却过程中的温度和应力分布、时间历程及它们在两种工况下的水平差异.研究结果表明,合理的控制冷却方式及工艺参数可以有效地改善空冷状态下的温度不均、组织不匀和残余应力水平较高等问题,获得较均匀的温度场,降低轧件的残余热应力.工作可为H型钢轧后控制冷却措施的实施及其工艺参数的确定提供理论依据和技术支持.     

高炉用铜-钢复合冷却壁传热及力学性能分析

采用热力耦合方法研究了铜层厚度和冷却水道间距对铜-钢复合冷却壁温度及应力分布的影响.以1∶1比例铜-钢复合冷却壁进行了热态试验,测试了铜-钢复合冷却壁温度分布,计算了热态试验条件下铜-钢复合冷却壁的温度分布,计算结果与试验结果基本吻合.计算结果显示,铜-钢复合冷却壁铜层厚度增加,壁体最高温度和最大等效应力减少,铜层厚度上限值为70mm;冷却水道间距减少可以降低壁体最高温度和最大等效应力,当冷却水道间距小于220mm时,减少冷却水道间距对降低壁体最高温度和最大等效应力作用较小.铜层厚度为60mm,冷却水道间距为220mm的铜-钢复合冷却壁在高炉热负荷较高区域工作不易发生塑性变形损坏.     

冷却模式对NM400相变塑性及残余应力的影响

轧后快速冷却已成为制备耐磨钢NM400的重要手段，但快速冷却过程会在带钢内引入高幅值残余应力，导致带钢出现板形缺陷，并在后续加工以及使用过程中出现畸变。因此，弄清NM400在连续冷却过程的相变行为以及冷却速度对其相变行为的影响规律，是干预带钢相变行为、改善连续冷却过程带钢内残余应力水平及分布的关键。针对某厂热轧连续冷却过程采取的两种冷却模式造成的板形差异问题，通过热模拟试验、基于断裂力学原理的裂纹柔度法以及建立ABAQUS有限元仿真模型，计算了连续冷却过程的温度场、应力应变场，揭示了冷却模式对NM400相变塑性及残余应力的影响规律。研究结果表明，连续冷却过程残余应力的形成分为3个阶段，即热应力主导阶段、表面相变主导阶段和心部相变主导阶段；相变塑性应变的大小及方向与加载在相变瞬间的应力直接相关；加大冷速会提高带钢心部相变开始时带钢表面相变的体积分数，该体积分数越大，心部开始相变时所受到的拉应力水平越高，所产生的相变塑性应变越大，与相变应变两者叠加后在材料内会引入高幅值残余应力。研究成果可为耐磨钢NM400连续冷却过程残余应力调控提供数据基础和理论依据。     

钢管在线加速冷却技术开发

研究了化学成分和生产工艺参数对钢管在线加速冷却后组织、性能的影响.结果表明,材料经过穿孔工序或连轧工序后,为奥氏体完全动态再结晶组织;经过张减工序后,为加工硬化状态的奥氏体组织.采用轧后余热和水气复合冷却方式对钢管外表面加速冷却,可以保证钢管轴向、周向、径向3个方向上的强度和硬度均匀性.采用25MnVN或25MnMoVN之类微合金钢,经过轧后加速冷却,可以不经过调质热处理,生产出性能完全满足要求的N80钢级石油套管.     

金刚石复合片(PDC)表面残余应力的XRD研究

采用X射线应力测定仪测试了金刚石复合片(PDC)表面从中心到边缘5个不同位置的残余应力,结果表明:金刚石层表面残余应力的性质为压应力,最大值在PDC表面中心(达1270MPa);从中心到边缘,应力的大小逐渐降低,靠近边缘处的压应力只有143MPa。为检验测试结果的准确性,对所测规格的PDC作了有限元分析,测试结果与通过有限元分析计算出的应力分布趋势基本吻合。对测试值与有限元分析计算值出现偏差的原因进行了分析并讨论了PDC径向应力分布对PDC性能的影响及改进措施。     

铜钢复合冷却壁热力耦合分析

采用ANSYS建立铜钢复合冷却壁的传热和热应力模型,分析稳定挂渣及渣皮脱落后的温度和热应力分布.结果表明,炉气温度是影响壁体温度、渣皮厚度、热负荷和应力状态的主要因素.在稳定挂渣时,铜壁最高温度为124℃,热负荷81.1 kW/m2,变形量比铜质冷却壁有所减少.在渣皮脱落后,铜壁温度和应力快速上升,5 min后趋向稳定.在冷却壁裸露的情况下,铜壁和钢板之间仍然保持牢固结合.     

不锈钢-碳钢复合带肋钢筋的制备工艺研究

使用金属熔覆和热轧的方法成功制备了覆层为Cr13不锈钢的复合钢筋.通过有限元数值模拟发现,在粗轧区域的高温变形过程,塑性应变主要集中在轧件表层和1/4位置,芯部的变形较表层偏小,随着变形的不断进行,塑性应变不断向碳钢芯部渗透.复合钢筋在成品机架K1变形时,不锈钢全部包裹在碳钢上,但是在横断面的不锈钢覆层厚度分布不均匀,...     

热处理对316L/Q235复合板组织与力学性能的影响

 对热轧不锈钢复合板热处理前后状态进行了对比研究,利用扫描电镜对显微组织进行了观察和成分分析,利用维氏硬度计测量了试样硬度,通过剪切、拉伸试验对试样的力学性能进行了研究。结果表明,真空热轧复合板能实现良好复合,碳钢侧为铁素体和珠光体组织;不锈钢侧为奥氏体组织。热处理后试样界面结合性能提高,试样剪切强度、屈服强度和抗拉强度都相应提高。高温阶段快速冷却＋低温阶段缓慢冷却的热处理制度适用于316L/Q235不锈钢复合板热处理。     

不锈钢复合板热疲劳性能分析

利用冷热疲劳试验机模拟分析了冷热循环对不锈钢复合板热疲劳性能的影响,并采用扫描电镜、电子探针和电子背散射衍射仪对热疲劳试样V形缺口及裂纹区域的形貌和成分进行了深入分析。结果表明,不锈钢复合板热疲劳试样经 20~550 ℃ 7 500次冷热循环后,结合界面处V形缺口区出现微裂纹,且微裂纹起裂于V形缺口尖端基层侧。随着冷热循环的继续进行,微裂纹向基层内扩展,但并非沿着结合界面处扩展,而是沿着基层侧扩展。此外,热疲劳裂纹的起裂和扩展与氧化和应力作用有关,微裂纹起裂于热疲劳试样 V 形缺口区域基层侧表层局部氧化孔洞,并在冷热循环的应力作用下向基层内扩展,同时加剧氧化。随着冷热循环的继续进行,晶界氧化逐渐加剧,导致微裂纹扩展成更为明显的裂纹。     

2205不锈钢-碳钢复合带肋钢筋的热轧

 为了研究覆层为2205不锈钢的复合钢筋的热加工范围,利用Gleeble-3800进行热模拟试验,得出2205不锈钢的高温流变曲线及热加工图,并最终确立复合钢筋的开轧温度不低于1 150 ℃。利用有限元软件对复合钢筋的粗轧和精轧道次进行数值模拟,结果表明,粗轧变形时,应变集中在轧件表层和1/4位置,随着变形不断向芯部渗透,塑性应变较大的位置不锈钢覆层较薄;在精轧k1道次变形时,发现在横肋根部的不锈钢覆层厚度最薄,在横肋顶部的覆层厚度最大。对复合钢筋的界面进行研究后发现,Cr、Ni、Mo的扩散距离为18~20 μm,从碳钢侧到不锈钢侧的微观组织依次为铁素体和珠光体、脱碳组织、复合界面、奥氏体不锈钢组织、铁素体和奥氏体不锈钢双相组织。     

不锈钢/碳钢耐蚀海水带肋钢筋轧制复合工艺

摘要：海洋工程用带肋钢筋要求有耐氯离子腐蚀能力，但选用双相不锈钢生产成本过高，不锈钢 碳钢轧制复合钢筋则可兼顾耐蚀性和低成本。覆层采用2205不锈钢，基材为低合金钢20MnSi，用有限元方法模拟钢筋的热轧复合过程，分析轧制过程尤其是成品孔中轧件的变形规律。有限元仿真发现，矩形组合坯料无孔型轧制时，其角部复合困难，而成品孔轧制时，钢筋横肋根部的应变最大，覆层在此位置减薄显著，应选择合适的复合坯覆层厚度。在实验室采用焊接、真空处理和热轧方法制备了直径为16mm的复合钢筋，屈服强度为485MPa，抗拉强度为701MPa，断后伸长率约为37.1%，复合界面剪切强度为317.5MPa。复合钢筋呈良好的冶金结合，Fe和Cr的扩散层厚度约为40μm。该工艺生产的复合带肋钢筋成本较不锈钢降低50%以上。     

纯铁中间层对热轧不锈钢复合板性能的影响

 为了减少不锈钢和碳钢热轧复合时结合界面形成脆性化合物,提高复合板的力学性能,在轧制温度为1 000、1 100及1 200 ℃,压下量约为70%的条件下,进行了添加不同厚度纯铁中间层的真空热轧复合试验。通过光学显微镜、SEM观察以及拉伸试验等,研究了纯铁中间层对复合板界面微观组织和拉伸性能的影响。结果表明,当加入不同厚度纯铁中间层时,同温度下不锈钢/碳钢复合板拉伸性能都有不同程度的提高。并且在小于70%压下量下,2 mm厚度的纯铁中间层可以完全阻止碳钢中的碳元素向不锈钢侧扩散,避免了碳铬化合物的形成,使结合界面的组织得到改善,力学性能得到提高。     

马氏体-奥氏体复合钢复合层数对组织性能的影响

开发更高性能的钢铁材料是促进“双碳”目标达成的有效途径之一。引入碳扩散是制备超高强度-高塑性复合钢的有效方法。在课题组前期研究基础上,利用真空热轧的方式制备不同层数的复合钢。通过增加层数,减小了复合钢内各层的厚度,复合钢在1 150℃热轧复合后继续保温过程,实现碳元素从高碳层向低碳层的扩散。利用扫描电子显微镜、FEI-透射电子显微镜及X射线衍射仪对组织及相组成进行了分析,利用电子探针显微分析仪测量了元素分配情况,并进行了硬度和拉伸性能测试。结果表明,随着层数的增加,复合钢内碳元素分布发生了明显的变化,马氏体层内部的碳含量逐渐升高,奥氏体层内部的碳含量逐渐降低,碳元素浓度差逐渐降低。同时,复合钢的屈服强度、抗拉强度和总伸长率呈现出先增加后降低的趋势。当复合钢内层数为9、11层时,其强度和塑性均超过单层马氏体钢;均匀伸长率随复合钢层数的增加而逐渐提高,15层复合钢取得了最大值(约10.1%)。9层复合钢获得了最佳的强度和塑性组合,与单层马氏体钢相比,抗拉强度(1 733 MPa)和伸长率(23.6%)分别提高了60 MPa和7.1%;同时其塑性也超过了单层奥氏体钢。此外,随着层数的增加,也...     

Thermal residual stresses in functionally graded and layered 6061 Al/SiC materials

The thermal residual stresses that develop in spray atomized and codeposited functionally graded and layered 6061 Al/SiC metal-matrix composites (MMCs) during cooling from the codeposition temperature to ambient temperature were studied using thermo-elastoplastic finite element analysis. In an effort to investigate the effect of layered and graded structures on the residual stress distribution, the composites with homogeneous distribution of SiC particulates were also analyzed. The effect of SiC volume fraction in the SiC-rich layers and the effect of SiC-rich layer thickness on the residual stresses were investigated. Based on the present study, it was found that the residual stress distribution is very distinct for the aluminum and the SiC-rich layers in the layered materials. As the volume fraction of SiC increases in the SiC-rich layer, the magnitude of residual stresses also increases. The radial stress was found to be tensile in the aluminum layers and compressive in the SiC-rich layers. It was also found that, as the thickness of the SiC-rich layer increases, the magnitude of radial stress in the aluminum layers increases, and that in the SiC-rich layers decreases. In the graded material, the lower region of each layer exhibits tensile radial stress, and the upper region of each layer shows compressive radial stress in order to maintain continuity between layers during cooldown. In general, the layered and the graded materials have greater residual stresses and more complicated stress distribution, as compared with those in the composite materials with homogeneous distribution of SiC particulates.     

高炉铸钢冷却壁冷却水管的优化研究

针对建立高炉铸钢冷却壁的三维传热和热应力模型,采用通用有限元软件ANSYS计算了高炉铸钢冷却壁的温度场和应力场,通过数值计算分析了高炉铸钢冷却壁冷却水管形状对冷却壁热面最高温度和热应力的影响。计算结果表明：冷却水管改圆管为椭圆管后,冷却壁热面最高温度有所下降。当椭圆管横截面与圆管相同并且长短轴之比为0．6时,最高温度降低了2．8％,热面最大热应力降低了7．5％。而周长不变的椭圆管降温效果并不理想,但长短轴之比为0．4时最大热应力降低了12．8％。综合考虑各因素,把圆管做成面积相同的长短轴之比为0．55～0．65的椭圆管,可以取得比较好的冷却效果。这对于减少冷却水流量,减薄冷却壁体厚度、降低炼铁成本也有重大意义。