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型h钢残余应力的研究现状论文大学论文
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题目：
H型钢残余应力的研究现状
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H型钢残余应力的研究现状
摘要
H型钢是一种截面面积分配更加优化、强重比更加合理的经济断面高效型材，因其断面与英文字母“H”相同而得名。
由于H型钢的各个部位均以直角排布，因此H型钢在各个方向上都具有抗弯能力强、施工简单、节约成本和结构重量轻等优点，已被广泛应用。
H型钢分为热轧H型钢和焊接H型钢（H）两种，热轧H型钢又分为宽翼缘H型钢（HW）中翼缘H型钢（HM）和窄翼缘H型钢（HN）三种。
众所周知，钢材中残余应力的存在对钢材的使用性能尤其是疲劳性能有很大影响。
钢材中残余应力的形成主要有三个途径：
钢材在热轧或焊接后其断面的不均匀冷却、钢材组织发生相变、钢材受到矫直等冷加工。
本课题以H型钢为研究对象，分别从热轧后冷却残余应力、矫直后残余应力、焊接后残余应力三个方面研究H型钢残余应力的研究现状。
关键词：
H型钢；残余应力；热轧；矫直；焊接
Thecurrentresearchstatusofh-beamresidualstress
Abstract
Hsectionsteelisakindofcrosssectionareaallocationoptimizationandweightmorereasonablethaneconomicsectioneffectiveprofiles,becauseofitscrosssectionthesameastheEnglishletter"H"thename.Sincethedifferentpartsofh-beamwithorthogonalconfiguration,soh-beaminalldirectionshasbendingcapacity,simpleconstruction,costsavingandstructurelightweightetc,andhasbeenwidelyused.H-beamisdividedintohotrolledHsectionsteelandweldingh-beam（H）,hot-rolledh-beamisdividedintowideflangeh-beam（HW）oftheh-beamflange（HM）andnarrowtheh-beamflange（HN）three.Itiswellknownthatthepresenceofresidualstressinsteelontheuseofsteelperformanceespeciallyhasagreatimpactonthefatigueperformance.,theformationoftheresidualstressinsteeltherearethreemainways:
inthecrosssectionofthesteelafterhotrollingorweldingtheunevencooling,steelgroupphasechange,steelcoldstraighteningetc.
Thistopictoh-beamastheresearchobject,respectivelyfromthecoolingafterhotrollingresidualstressandresidualstressafterstraightening,weldingresidualstressafterthreeaspectsstudythecurrentresearchstatusofh-beamresidualstress.
Keywords:
H-Beam;residualstress;hotrolling;straightening;weld
目录
摘要I
1.引言1
1.1研究背景1
1.2研究的目的和意义1
2H型钢热轧后冷却残余应力1
2.1H型钢热轧过程中残余应力有限元模拟1
2.2温差对H型钢残余应力的影响2
2.3H型钢热轧后冷却残余应力小结4
3H型钢矫直后残余应力4
3.1H型钢矫直残余应力分析4
3.2矫直对H型钢残余应力的影响5
3.3H型钢矫直后残余应力小结6
4H型钢焊接后残余应力6
4.1H型钢焊接残余应力分析6
5结论8
参考文献9
1.引言
1.1研究背景
H型钢是一种经济型断面钢材，广泛用于工业、建筑、桥梁、石油钻井平台等方面，据预测2005年我国H型钢需求量约250万吨，2010年需求量500万吨，但目前我国H型钢年生产能力为120万吨，市场需求量非常巨大。
所以，H型钢的质量尤为重要。
而残余应力是影响H型钢质量的重要因素。
生产过程中必须有效地控制钢轨的残余应力.本文将对H型钢中残余应力的影响因素，危害以及常用测量残余应力的几种方法和怎样降低残余应力进行介绍。
1.2研究的目的和意义
随着我国经济类型的转变，越来越多的企业更加注重H型钢质量。
针对不同的生产设备，仍需要开展大量的实验研究来确定具体的工艺参数。
一是周期长，二是重复性工作多。
这与我国致力于钢铁又好又快的发展相违背的，随着产业化的应用，钢的成分、工艺参数与组织之间的数学模型，能指导我国钢铁行业的发展。
2H型钢热轧后冷却残余应力
2.1H型钢热轧过程中残余应力有限元模拟
在热轧H型钢的生产过程中,由于H型钢断面的复杂性,导致在长度方向上翼缘和腹板之间形成了一定的残余应力,严重影响了H型钢的性能。
李红斌等人运用ANSYS软件对热轧H型钢的热轧过程进行模拟,研究得到1）在热轧H型钢热轧完成后由于变形的不均匀,在翼缘内部存在拉应力,腹板内部存在压应力,最大应力不超过1.8MPa。
2）在腹板上与翼缘的交界处单元的压应力最大,翼缘内侧靠近与腹板交接处的单元受到的压应力最大;3）在万能轧机轧制的开始的几个道次中,总体来说所选各个单元的内部的残余应力还比较均匀,但是在后面的几个道次变形均匀性较差,导致残余应力升高;造成这种现象的原因除了孔型问题外,还有轧件断面复杂而造成的温度不均匀等其他方面的原因[1]。
图2.1各单元各轧制道次的轧制方向残余应力[1]
近年来轧制技术研究取得明显进步，主要体现在高精度轧制、高速轧制、无头轧制、柔性轧制、现代轧制过程模拟分析、控制及应用等。
而重点和难点在于将微观组织演变与宏观工艺控制进一步结合、将轧制过程中的形变、相变与析出模型进一步系统化，并形成综合控制理论与技术。
不断开发高性能、高附加值新钢种仍然是轧制技术发展的重要目标。
围绕国家经济建设发展的重大需求，新产品的开发重点在汽车、大型建筑结构、核电建设、桥梁、海上运输与能源输送等产品和设施的轻量化所需要的高性能、长寿命、超大线能量焊接、耐火耐候性强的高强与超高强钢。
2.2温差对H型钢残余应力的影响
H型钢作为一种经济断面型钢,同普通工字钢相比具有截面数大、抗弯能力强、单位重量轻、节约工时和降低工程造价等优点,在工业、建筑及桥梁等领域得到越来越多的应用。
然而,由于H型钢的结构特点:
腹板较薄、翼缘和R角部位相对较厚,导致生产过程中出现横截面温度不均匀、腹板波浪、各部位晶粒大小不一、性能不均匀和残余应力过大等问题,严重影响了H型钢的使用性能。
尤其是规格较大的H型钢,问题表现得更加明显,实施控制冷却措施将有利于缓解出现的一系列问题。
吴林运用ANSYS软件建立有限元模型进行仿真比较,想要有效的减小H型钢内部的残余应力,最好的方法就是减小腹板与R角的温差[2]。
图2.2.1分析流程
朱国明等人在全轧程热力耦合计算结果的基础上,对大型H型钢冷却后的残余应力场进行仿真分析。
得到了沿着长度方向大型H型钢腿腰连接部位及翼缘整体表现为拉应力、腹板为压应力的残余应力场计算结果。
H型钢冷却过程中,腹板的残余压应力有可能导致腹板冷却波浪的产生。
对使用过程中切割翼缘时残余应力场的转变过程进行仿真分析,得到当切口到达H型钢腿腰连接部位时,切口处拉应力突然增大的结果。
切口处应力场的突然变化与腹板开裂直接相关,H型钢腹板的开裂属于脆性断裂。
对控制大型H型钢残余应力的方法进行仿真研究,得到了通过翼缘外侧强制冷却改善残余应力分布的结果[3]。
图2.2.2翼缘外侧强制冷却前后残余应力结果对比
现有生产工艺条件下,型钢冷却至矫直温度（80e）时,腹板上存在着较大的压应力,致使发生腹板波浪。
在腹板和R角的交接部位,残余应力分布极为不均,由压应力向拉应力突变,是导致产品切割开裂的主要原因之一[4]。
2.3H型钢热轧后冷却残余应力小结
1）完全空冷的情况下,H型钢翼缘及R角部位温度下降缓慢,腹板温度下降快,截面温差较大;在翼缘外侧和内侧R角部位实施喷雾冷却,可获得较均匀的温度场。
2）H型钢残余热应力的分布是腹板受压应力,翼缘及R角部位受拉应力;采用控制冷却措以后,轧件温度场较均匀,截面温差较小,使得轧件中残余应力值减小。
这种效果表明控制冷却对改善腹板屈曲的作用明显,实践也验证了这一现象。
3）H型钢轧后实施控制冷却措施是改善轧件温度不均、组织不均以及减小残余应力和提高产品性能的主要手段[5]。
3H型钢矫直后残余应力
3.1H型钢矫直残余应力分析
矫直工序是H型钢生产中重要的辅助工序。
由于H型钢断面结构存在翼缘高腹板薄等特点,矫直时因稳定性问题,只能通过压下腹板进行整体矫直（如图3.1.1所示）随着产量日益增大,应用领域越来越广泛,H型钢辊式矫直过程及矫直后的残余应力对其承载能力的影响日渐明显,传统上以残余几何形态评价矫直效果考虑不甚全面[6]。
图3.1.1H型钢辊式矫直实体模型图
H型钢矫前残余应力分布方式是进行矫直过程残余应力研究的基础。
残余应力的内部成因主要包括由温差导致的热应力和因相变导致的相变应力。
对700×300规格的H型钢残余应力分布方式进行了系统的仿真分析和测试研究，其仿真结果如图3.1.2所示[7]。
图3.1.2H型钢截面矫前残余应力分布情况
3.2矫直对H型钢残余应力的影响
崔丽红等人根据实测的温度场数据，模拟了H700×300热轧H型钢在冷却过程中的温度场和残余热应力场分布：
翼缘大部分受纵向拉应力作用，中部纵向拉应力最高，沿翼缘高度纵向应力呈抛物线状分布；腹板大部分受纵向压应力作用，在R角和根部为拉应力。
将冷却过程中的残余热应力做为矫前初始应力引入到矫直模型中，对带有初始残余应力的H型钢九辊连续矫直过程进行了有限元仿真。
计算结果表明，沿翼缘高度方向的初始纵向应力经过矫直后基本上都遗传到了矫后；腹板大部分区域的纵向应力在矫前与矫后基本保持不变，但是腹板R角及根部的应力由矫前的拉应力骤变为矫后的压应力。
根据目前生产采用的矫直工艺，冷却过程中所形成的初始残余应力并不能通过矫直得到有效改善，因此要提高产品质量，仍需加强对矫前初始残余应力的控制，如轧后控冷工艺的研究。
在H型钢的矫直过程中，弹塑性材料模式和初始几何缺陷对残余应力遗传特性的影响是下一步工作的研究重点[8]。
图3.2.1H型钢冷却过程中温度及热应力计算的有限元模型
3.3H型钢矫直后残余应力小结
郭喜平等人对大型H型钢的矫直过程进行了有限元的数值模拟，得到了矫后H型钢残余应力分布图和应力大小分布曲线图，对于搞清楚大型H型钢的残余应力分布规律和状态，进一步的清楚其产生的原因是十分必要的。
通过模拟计算，可以得出：
（1）计算结果表明H型钢腹板大部分的纵向残余应力在矫前和矫后保持不变，而腹板根部和R角部位的应力状态由拉应力变化为压应力。
（2）第二辊和第四辊的压下量对大型H型钢整体残余应力的分布影响重大，其压下量应该取得大一点，而第六辊和第八辊的压下量应该取得小一点。
（3）矫后得到的残余应力值与检测得到的应力值相等，证明了分析结果正确，同时也满足经验最大值160MPa的要求。
初始几何缺陷对残余应力的影响将是下一步研究工作的重点[9]。
4H型钢焊接后残余应力
4.1H型钢焊接残余应力分析
焊接是建筑钢结构中连接的主要方式。
在焊接施工过程中，由于材料相变、位移约束以及温度场的不均匀分布等原因，致使焊接完成后的构件中存在残余应力与变形，是影响焊接结构裂纹萌生和扩展、降低钢材的力学性能的重要因素。
在承受压力荷载的钢结构杆件中,残余应力对其承载性能会有显著影响。
早期在残余应力及柱的强度方面的试验研究,只是针对中小型型钢进行的。
目前使用重型型钢的大型结构日益增多,重型型钢的应用虽然已经相当广泛,但关于这类杆件的残余应力及强度方面可利用的资料却非常缺乏[10]。
王艳宁等人在大型通用有限元软件ABAQUS热—结构耦合功能的基础上，应用了相应的焊接热源子程序DFLUX，研究了普通H型钢的焊接温度场、残余应力以及变形的分布。
初步得到以下结论:
1）对于温度场，峰值温度出现在热源中心点处，在热源附近区域的等温线近似于一个椭圆形分布，热源前方温度急剧下降，梯度较大，后方温度下降比较缓和，梯度较小。
2）构件中纵向应力分布更广，应力值更大，甚至超过了材料的屈服极限，应当引起足够的重视。
如果不进行有效的控制和消除，在结构开始使用受到其他荷载作用的时候将会很快的进入屈服状态，影响结构性能的发挥。
残余应力同时存在拉应力和压应力，而且在同一截面内拉压、应力是自平衡的[11]。
图4.1.1H型钢温度场
图4.1.2H型钢节点温度—时间曲线
图4.1.3H型钢残余应力（单位:
Pa）
图4.1.4H型钢纵向应力—路径曲线
童乐为等人本文采用钻孔应变释放法对Q460钢板焊接H型钢进行了残余应力的测试。
根据测试结果，研究了纵向残余应力在截面上的分布规律，发现对于翼缘为焰切边的Q460钢板焊接H型钢，残余应力在翼缘与腹板焊接部位为拉应力，在翼缘边缘和腹板中部区域为压应力。
同时，结合机械剥层的方式对纵向残余应力沿壁厚方向的分布规律也进行了试验考察。
研究结果表明，翼缘和腹板的残余应力沿壁厚方向基本呈线性分布，且腹板部位残余应力沿壁厚的变化不大，基本为均匀分布。
最后，在试验结果的基础上，提出了Q460钢板焊接H型钢的残余应力计算模型[12]。
5结论
分别从热轧后冷却残余应力、矫直后残余应力、焊接后残余应力三个方面的研究得到以下结论:
（1）合理分配各道次翼缘和腹板的延伸比，能有效地减小H型钢内部的残余应力。
（2）H型钢断面温差是产生残余应力的主要原因之一。
可通过控制冷却速度，减小断面温差来降低残余应力。
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