两相区连续退火过程中相变对带钢非线性屈曲行为影响的数值模拟与试验研究

连续退火炉内的带钢在高温下易于发生"瓢曲"变形，引起严重的板形缺陷，甚至断带停炉事故。"瓢曲"变形实际上是一定宽厚比的带钢在连退炉内的复杂条件下产生屈曲和后屈曲大变形的外部宏观表现。以低碳铝镇静钢为代表的钢种采用的是两相区退火工艺，带钢在加热段发生铁素体→奥氏体相变，在冷却段发生奥氏体→铁素体相变，相变时晶体点阵结构的改变将引起材料弹性模量的突变并引起内部应力的变化，相变潜热改变带钢温度分布，这都给屈曲与后屈曲变形带来显著影响。本研究拟采用数值模拟的方法，建立相变-温度-屈曲间接耦合有限元计算模型，研究加热（冷却）速度、原料尺寸、张力、辊型等条件下相变对带钢屈曲临界应力、塑性变形积累与后屈曲临界条件的影响规律。开发高温下带钢不均匀拉伸屈曲的试验方法与非接触式屈曲变形测量系统，开展相变对屈曲产生与发展影响的试验研究。该项研究是当前连退屈曲理论的补充与发展，可为现场工艺改进提供理论依据。

IF钢和低碳铝镇静钢是冷轧汽车板的主要品种，目前主要采用连续退火工艺生产。这两个钢种都属于软钢系列，强度比较低，在连续退火炉内易发生瓢曲变形，轻则造成带钢板形缺陷、产品报废，重则引发断带，使生产中断，造成的经济损失非常严重。国内外学者通过理论分析、有限元模拟以及实验手段，对连退瓢曲产生的原因进行了探讨，主要考虑了带钢尺寸、导向辊辊型、带钢原始板形、宽度方向温差和摩擦等外在因素，对材料本身在连退过程中组织与物理性能的变化的内在因素研究是一项空白。从退火类型上分，IF钢属于再结晶退火，退火过程中不发生相变，只发生铁素体再结晶，而低碳铝镇静钢属于两相区退火，在连续退火炉的加热段，带钢被加热到两相区，发生了铁素体→奥氏体相变，在缓冷段则发生奥氏体→铁素体相变。本课题首先采用热膨胀实验方法，获得低碳铝镇静钢铁素体向奥氏体转变和奥氏体向铁素体转变的模型参数。建立了连退炉内加热段和缓冷段带钢温度-相变耦合模型，在考虑炉内不同边界条件的基础上，计算了带钢宽度方向上温度和相变量的分布特征，得到了相变对带钢温度场分布的影响规律。建立了连退带钢相变-温度-屈曲间接耦合模型，在不同的退火温度下，研究了相变对带钢屈曲临界载荷的影响，发现在加热段，相变能够有效抑制带钢发生屈曲变形，而在缓冷段，相变使带钢容易发生屈曲。定量分析了在不同的导向辊辊形、带钢宽度和带钢运行速度条件下，相变对带钢屈曲变形的影响规律。设计了带钢高温不均匀压缩试验，可以在试样长度上得到梯度温度分布和应力分布，通过改变载荷和试样尺寸，得到不同的屈曲变形载荷和形状。非接触式屈曲测量系统则可以完成屈曲形状的测量。