基于应力控制的本征应变重构及淬火残余应力控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于应力控制的本征应变重构及淬火残余应力控制方法，在材料或零件相变过程采用应力干预的方式改变材料相变过程所产生的相变塑性应变，进而改善淬火残余应力。本发明专利技术能够降低残余应力，得到高强韧性的材料或零件。材料或零件。材料或零件。

【技术实现步骤摘要】
基于应力控制的本征应变重构及淬火残余应力控制方法


[0001]本专利技术涉及一种金属材料的淬火残余应力控制方法，具体涉及一种基于应力控制的本征应变重构及淬火残余应力控制方法。

技术介绍

[0002]工程机械是机械行业的重要组成部分，随着工程机械的发展，其钢材强度等级越来越高，不断向高强、高韧方向发展，700、800、1000、1300MPa及以上多个级别的工程机械用钢不断推向市场。从材料的强化机理看，为了降低材料成本，保证其焊接性能，多数工程机械用钢采用低合金含量成分体系，通过控制轧制、快速冷却，细化晶粒、控制析出以提高材料的强韧性。在快速冷却过程中，温度应力与组织相变交互作用，在材料内引入高幅值的残余应力，使材料制备过程中的平直度问题以及材料使用过程中残余应力释放所导致的畸变，成为制约基础材料发展的共性瓶颈问题。
[0003]但是，在残余应力研究以及应用领域，现有技术主要集中于残余应力表征、有限元计算领域，通过控制淬火过程的膜沸腾区、更换冷却介质等手段改善材料表面与冷却介质间的冷却均匀性，进而改善淬火残余应力。由于上述技术，均无法从根本上改变淬火相变过程中材料内的不均匀变形，因此，无法真正控制淬火过程相变残余应力的产生，导致淬火残余应力始终是制约国内、国外材料制造行业以及机械加工行业产品质量提升的关键技术瓶颈。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种基于应力控制的本征应变重构及淬火残余应力控制方法，能够降低残余应力，得到高强韧性的材料或零件。
[0005]本专利技术所采用的技术方案是：
[0006]一种基于应力控制的本征应变重构及淬火残余应力控制方法，在材料或零件相变过程采用应力干预的方式改变材料或零件相变过程所产生的相变塑性应变，进而改善淬火残余应力。
[0007]进一步地，根据材料或零件芯部开始相变的时间点t1和芯部相变完成的时间点t2将淬火的连续冷却过程划分为三个阶段，在应力形成的第二阶段，即表面相变主导阶段，对材料或零件进行矫直加工，矫直机的压入深度为k，矫直后材料或零件芯部产生塑性应变ε
C
‑Ⅱ
，以抵消表面相变所产生的塑性应变式中为第二阶段表面相变所产生的相变膨胀应变，为第二阶段表面相变所产生的相变塑性应变，减少第二阶段的芯部应力σ
C
‑
II
，进而减小第三阶段，即芯部相变主导阶段，的相变塑性应变降低淬火后材料或零件内的残余应力水平。
[0008]进一步地，压入深度k的设定原则为：矫直加工后，材料或零件表面所产生的最大
延伸率
[0009]进一步地，矫直加工起始点为应力形成的第二阶段的起始点t1，矫直加工终止点为应力形成的第三阶段的结束点t2。
[0010]进一步地，根据材料或零件的动态CCT曲线、换热系数、导热系数、热膨胀系数以及弹性模量，采用有限元分析计算材料或零件表面开始相变的时间t1及芯部相变结束时间t2。
[0011]进一步地，本方法适用于热轧中厚板、热轧带钢的连续冷却过程及淬火过程。
[0012]本专利技术的有益效果是：
[0013]残余应力的本质是材料内不均匀的塑性变形，在淬火过程材料会产生三类塑性应变，即相变膨胀应变、相变塑性应变和传统塑性应变，其中，相变膨胀应变、相变塑性应变是当材料出现相变就一定存在的塑性应变，而传统塑性应变只有当外加应力超过材料的屈服极限才会出现，因此对于绝大多数存在相变的金属材料，其最终残余应力由相变膨胀应变和相变塑性应变所决定；在材料相变过程，残余应力的形成包括三个阶段，分别为热应力主导阶段、先相变区域相变主导阶段、后相变区域相变主导阶段，三个应力形成阶段相互级联，前一阶段的应力通过改变后一阶段的初始相变塑性应变来影响后一阶段的应力分布，材料内最终的应力分布由后相变区域所产生的相变塑性应变的大小所决定；基于上述分析判断，本专利技术提供提供的淬火残余应力调控方法，通过控制后相变区域相变塑性应变的方法来控制材料内最终的残余应力分布，实验证明能够降低残余应力，得到高强韧性的材料或零件。
附图说明
[0014]图1是本专利技术实施例中淬火残余应力形成示意图。
[0015]图2是本专利技术实施例中芯部材料相变开始时间计算示意图。
[0016]图3是本专利技术实施例中应力干预示意图。
[0017]图4是本专利技术实施例中应力调控前后沿带钢厚度方向上的残余应力分布图。
具体实施方式
[0018]下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的说明。
[0019]残余应力的本质是材料内不均匀的塑性变形，在淬火过程材料会产生三类塑性应变，即相变膨胀应变、相变塑性应变和传统塑性应变，其中，相变膨胀应变、相变塑性应变是当材料出现相变就一定存在的塑性应变，而传统塑性应变只有当外加应力超过材料的屈服极限才会出现，因此对于绝大多数存在相变的金属材料，其最终残余应力由相变膨胀应变和相变塑性应变所决定；在材料相变过程，残余应力的形成包括三个阶段，分别为热应力主导阶段、先相变区域相变主导阶段、后相变区域相变主导阶段，三个应力形成阶段相互级联，前一阶段的应力通过改变后一阶段的初始相变塑性应变来影响后一阶段的应力分布，材料内最终的应力分布由后相变区域所产生的相变塑性应变的大小所决定。
[0020]实施例
[0021]基于上述分析判断，本专利技术提供提供的淬火残余应力调控方法，通过控制后相变区域相变塑性应变的方法来控制材料内最终的残余应力分布，以一种马氏体组织材料为
例，采用本方法进行残余应力调控，其淬火残余应力形成如图1所示，图中，为表面相变所产生的相变膨胀应变，为表面相变所产生的相变塑性应变，为芯部相变所产生的相变膨胀应变，为芯部相变所产生的相变塑性应变，具体包括如下步骤：
[0022]第一步：如图2所示，根据材料的动态CCT曲线、换热系数、导热系数、热膨胀系数以及弹性模量，采用有限元分析软件计算材料表面开始相变的时间t1(本实施例为6.8s)及芯部相变结束时间t2(本实施例为9.44s)；
[0023]第二步：如图3所示，从表面开始相变的时间点t1开始，对钢板实施弯曲矫直加工；
[0024]第三步：矫直过程上辊压入深度的设置需遵从如下原则：矫直过程所产生的最大延伸率小于等于第二阶段，即表面相变主导阶段，所产生的塑性应变，即式中为第二阶段表面相变所产生的相变膨胀应变，为第二阶段表面相变所产生的相变塑性应变，使矫直过程所产生的应力直接作用于钢板芯部，使之产生正的塑性应变，消弱第二阶段钢板的芯部应力；
[0025]第四步：低相变塑性应变的芯部相变，降低第二阶段芯部应力的直接效果是减小了第三阶段
‑
芯部相变主导阶段芯部材料所产生的相变塑性应变改善相变过程的不均匀塑性应变，进而改善钢板最终的残余应力状态；
[0026]第五步：空冷或卷取。
[0027]如图4所示，为残余应力调控前后沿带钢厚度方向上的残余应力分布，从图4可见，在组织、性能相同的前提下，本方法应本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于应力控制的本征应变重构及淬火残余应力控制方法，其特征在于：在材料或零件相变过程采用应力干预的方式改变材料相变过程所产生的相变塑性应变，进而改善淬火残余应力。2.如权利要求1所述的基于应力控制的本征应变重构及淬火残余应力控制方法，其特征在于：根据材料或零件芯部开始相变的时间点t1和芯部相变完成的时间点t2将淬火的连续冷却过程划分为三个阶段，在应力形成的第二阶段，即表面相变主导阶段，对材料或零件进行矫直加工，矫直机的压入深度为k，矫直后材料或零件芯部产生塑性应变ε
C
‑
II
，以抵消表面相变所产生的塑性应变式中为第二阶段表面相变所产生的相变膨胀应变，为第二阶段表面相变所产生的相变塑性应变，减少第二阶段的芯部应力σ
C
‑
II
，进而减小第三阶段，即芯部相变主导阶段，的相变塑性应变降低淬火后材料或...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁文红，鲁小轩，臧之祺，
申请(专利权)人：武汉科技大学，
类型：发明
国别省市：