高应变率下材料微孔洞演变机理及其在高速轧制中的应用

Reducing the strip breakage during high speed cold rolling process is crucial to improve the production and efficiency of the cold rolling steel strip. Under the high speed cold rolling, the steel strip is subjected to a rheological deformation with high strain rate. The stress states inside the material are complex and determined by many factors. Nowadays there is still lack of failure theory which can characterize materials behavior under high strain rate. In addition the necessary knowledge for the high speed rolling fracture behavior is absent as well. In this project the void evolution model is introduced to analyze the rheological stress-strain behavior and the void growth under the high strain rate condition. A high speed measuring system for dynamic loading response is set by using the high speed tensile test machine, the digital speckle interference technique, the high speed camera and the X-Ray industry computed tomography. Moreover a void damage evolution model is proposed to describe the material's high strain rate behavior. The effects of strain rate, stress triaxiality ratio, microscale inertia and plastic deformation heat on the void evolution are analyzed by the aid of the finite element simulation. This project is an interdisciplinary study between the mechanics, metallurgy and materials. A modified GTN model is thus be reduced to describe material’s behavior under the high deformation. Based on these studies the damage distribution and the crack propagation behavior are hopefully analyzed for the high speed cold rolling strip containing micro voids. We then investigate the influence of the different cold rolling parameters on the void growth and the possible fracture behavior of the cold rolling strip. The knowledge on the material's void evolution mechanism during high speed rolling condition can be acquired to prevent the breakage accident of cold rolling strip.

高速冷轧时，薄板经历一个高应变率的流变变形过程，应力状态复杂、影响因素众多。目前，用于表征材料高应变率失效的理论基础还非常薄弱，对含微孔洞缺陷薄板的高速轧制断裂行为也缺乏必要的基本认识。本课题围绕微孔洞的动态演化模型，利用高速拉伸试验、数字散斑干涉技术以及X射线计算机断层扫描等方法获得了材料在高速动载荷下的响应本构以及高应变率条件下的微孔洞演化规律。结合有限元数值模拟，分析应变率、应力三轴度、微尺度惯性、塑性变形热等因素对材料损伤和微孔洞演化规律的影响。本项目体现了力学、冶金、材料等多学科的交叉，可望从孔洞演化的角度阐明薄板高速冷轧过程中的损伤机理，回归得到适合于表征材料高速变形的修正GTN模型，获得不同轧制参数对材料中孔洞演化的影响以及可能引起的断带规律，为理解材料高速轧制条件下损伤行为和防止冷轧薄板断带事故的发生提供理论依据和科学支持。

由于高速冷轧过程中带钢内部的应力状态非常复杂，影响带钢缺陷扩展的因素较多,当前对于高速轧制带钢损伤和断裂机理的研究还很欠缺。针对这一难题，本项目通过理论推导、数值仿真及实验验证，对高速冷轧过程中的带钢缺陷的发展和断带问题进行了研究，取得了一系列研究成果。首先基于双线性牵引力-位移关系的内聚力模型，确定了临界内聚力T0和临界内聚能Γ0两个重要参数。其次验证了内聚力模型在冷轧过程中的可行性。基于这一成果，模拟分析了连轧过程材料属性产生变化的轧制过程，结合实验对变材料属性冷连轧过程带钢缺陷前缘应力-应变规律，以及裂纹扩展规律进行了研究。结合实际生产中边裂和断带多发生于焊缝附近区域的情况，利用扩展有限元法对焊缝区轧制过程进行了仿真模拟。通过基本断裂功实验和小试样拉伸实验结合仿真模拟获得了不同焊缝区组织的断裂参数，得到了不同区域的裂纹扩展规律。研究结果表明，在单一均质材料中，裂纹尖端后缘方向驱动力对裂纹偏转起决定作用；对于焊缝接头而言，两侧材料差异较大，微区断裂韧性对裂纹扩展方向起决定作用。对于高速冷轧，材料的力学性能与应变率相关。针对变形速度对轧制行为的影响，以数值仿真和试验研究为基础，通过拉伸试验定量地分析材料的应变率效应。基于扫描电镜对拉伸试样断口进行韧窝尺寸分析，以Cowper-Symonds本构模型为基础，利用准静态和高速动态拉伸试验以及有限元分析的方法获得了动态本构中的各个参数。研究了带钢在不同轧制速度下力学性能的变化规律，分析了轧制过程不同应变率对初始边裂、孔洞两种缺陷处应力应变分布的影响，获得了含不同缺陷的带钢在轧制过程中的临界轧制速度。研究结果表明，随着应变率的增加，带钢材料的屈服强度和抗拉强度明显提高，塑性降低。随着带钢内部缺陷的长大和合并，临界轧制速度随之减小；当边裂长度小于5mm且长宽比大于5时缺陷在轧制过程中出现弥合现象，临界轧制速度得以提高。