Q235钢杨氏弹性模量的研究

Q235钢杨氏弹性模量的研究

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68?材料导报:研究篇2009年9月(下)第23卷第9期 Q235钢杨氏弹性模量的研究 付建勋h,李京社,汪春雷,朱经涛

(1北京科技大学冶金与生态学院,北京100083;2焦作大学机电系,焦作4000) 摘要采用实验与模型计算相结合的方法,对Q235钢的杨氏弹性模量进行了研究, 通过Gleeble1500热模拟

机对700~1400~C温度区间的杨氏弹性模量进行了测量,每loo~C取1个测量值, 通过拟合得到连续曲线;1400~C至

零强度温度(zsT)使用Tszeng模型计算,体现液相区的真实力学行为.将得到的杨

氏模量结果运用于连铸二冷段

的热力耦合模拟,得到的结果与实测结果一致.

关键词杨氏模量Gleeble热模拟机零强度温度热力耦合模拟 ResearchofYoungSModulusofElasticityofSteelQ235 FUJianxun,LIJingshe,WANGChunlei,ZHUJingtao

(1SchoolofMetallurgicalandEcologicalEngineering,UniversityofScience&TechnologyBeijing,Beijing100083;

2DepartmentofMachinery&Electrics,JiaozuoUniversity,Jiaozuo4000) AbstractYoungSmodulusofelasticityofsteelQ235isstudiedbythemethodsofexperimentandmodelcalcu—

lation.YoungSmodulusofelasticityofQ235steelat7001400.CismeasuredbyGleeble1500thermo~mechanical

simulator.ThecontinuouscurveisfittedbythemeasuredvaluesatspacedtemperaturewhichislOO~C.From1400~C

tothetemperatureofZST,YoungSmodulusofelasticityofQ235steelwhichisthetruerepresentationatliquidphase

iscalculatedbymodelofTszeng.TheresultsgrainedbyYoungSmodulusofelasticityadopted

inthermo~mechanical

couplingsimulationoftheslabwidthchangeincontinuouscastingprocessconsistswiththem

easuredvalue.

KeywordsYoungSmodulusofelasticity,Gleehlethermalmechanicalsimulator,ZST,therm

c~mechanical coupling 0引言

杨氏弹性模量是材料在弹性范围内抵抗变形难易程度 的指标,即材料在外力作用下产生单位弹性变形所需要的应 力值,其值越大,使材料发生弹性变形的应力也越大.钢的 杨氏弹性模量是钢的铸态高温力学特性最重要的指标.钢 的铸态高温力学特性是制定连铸冷却制度和分析相关裂纹 缺陷的依据,同时也是建立凝固热一力耦合模型的重要基础. 连铸过程铸坯的变形行为不仅取决于其热历程和受力情况, 也与钢种固有的高温力学特性密切相关.

现有公开的杨氏弹性模量数据常常是钢种低温阶段的 数据,高温过程杨氏弹性模量数据的缺乏是制约高温铸坯 (件)热一力耦合模拟的瓶颈.本实验以广泛应用于建筑等行 业的Q235钢为例,给出一种获得连铸高温区间钢种杨氏弹 性模量的方法.钢种连铸高温区间主要是指连铸机二冷段 温度范围(800?以上),不仅包括固态的杨氏弹性模量,也包 括液态和两相区的杨氏弹性模量.

本实验为获得Q235钢连铸高温区间完整的杨氏弹性模 量,采用了以下方法:当温度低于固相线温度时,选用 Gleeble1500热模拟机进行高温力学性能实验,杨氏弹性模 量采用实际测试的数据并通过拟合得到连续曲线;当温度高 于固相线温度时,采用Tszeng计算,随着固相率的下降, 杨氏弹性模量由固相线处的值逐步降低到零强度温度(zsT)

处一个非常接近于零的小值,并在零强度温度以上恒定保持 为该值,以体现液相区的真实力学行为.

1试验方法

从Q235钢的连铸板坯横断面截取切片,去除烧割层,沿 垂直于柱状晶方向切取一定数量且部位大致相同的试样毛 坯,再按要求加工成圆柱试棒进行系列高温下的拉伸试验. 通过该实验可以测得材料在高温下的断面收缩率和极限拉 抗强度.

试验温度范围取700,14oo~C,大致以100~C为一个台 阶,高温拉伸的方式按应变控制方式,试验条件如下:(1)试 样尺寸及形状,直径~10mm,长度130mm;(2)加热历史,试 样在石英套管内加热到局部熔化状态了(应事先计算固相 线温度),保温5rain,冷却至试验温度并保温5min后开始拉 伸,直到拉断,其中加热与冷却速率分别取R=1O?/s和 R一1.5?/s;(3)应变速率,,一1×10,/s.试验温度历程如 图1所示.

*国家\"十一五\"科技支撑计划资助(2006BAE03A04) 付建勋:男,1969年生,博士研究生,副教授,研究方向:连铸技术及其数值模拟

E-mail:Fu__jianxun@126.corn Q235钢杨氏弹性模量的研究/付建勋等?69? 赠 时I可

图1Q235钢的加热历程

Fig.1HeatingprocessofsteelQ235 基于Q235钢各温度下拉伸试样的载荷与位移关系获得 试样对应温度下的应力一应变曲线.材料产生的残余塑性变 形为o.2%时的应力值作为屈服强度,此时对应的应变是试

()为试样断裂时的应变,也称抗拉 样颈缩的开始;最大应变 强度或强度极限.依据虎克定律,计算各温度的静态杨氏弹 性模量,取初始变形的最大斜率为该温度下的杨氏弹性模量 值. 2高温液相区的杨氏弹性模量

连铸坯应力场的计算是基于连续介质固体力学理论的, 如果计算域同时包括固相区和液相区,需要把液态区域处理 成一种\"准固体\".然而,液态与固态具有明显不同的力学行 为,液态几乎没有抵抗剪切变形的能力,在很小的剪切载荷 下就会产生较大的剪切流动应变,即使出现剪切变形,也不 会产生剪切应力,其应力状态始终保持为均匀的静水压状 态.因此,需要对铸坯液芯区域作特殊处理,使应力状态保 持静水压状态,避免剪切应力的产生_I].

为此对液相区杨氏弹性模量作以下约定:只有当温度降 低到零强度温度(zsT)以下时,铸坯才表现出一定的强度;零 强度温度以上的两相区以及液相区的强度和杨氏弹性模量 可忽略为零,但在具体计算过程中,杨氏弹性模量却不能取 精确的零值,否则刚度矩阵的对角线元素将为零,刚度矩阵 会出现奇异性.

本实验采用Friedman[2]及Tszeng[3]液相区的处理方法, 当温度低于固相线温度T时,杨氏弹性模量采用实际测试 得到的数据;当温度高于固相线温度时,随着固相率的下 降,杨氏弹性模量由固相线处的值逐步降低到零强度温度处 一

个非常接近于零的小值,并在零强度温度以上恒定保持为 该值.根据Tszeng模型,固液两相区的杨氏弹性模量可由 式(1)确定:

fl二灶,(fzsr~A?1)一J1'7\\一E一<J研 【E,(?) (1)

式中:_厂s为固相率;_厂研为零强度温度(ZST)所对应的固相

率,本实验中取一0.85l4];E为固相线温度处的杨 氏弹性模量值,为一个非常接近于零的小值.且E研的取值 与泊松比v保持以下关系]:

1--2v~一 1--2v~(2) E低…

通过上述对杨氏弹性模量的处理可以抑制液相区偏应 力的出现,使其保持静水压状态.

3实验结果及验证

Q235钢含碳量为o.18%,其成分为C0.18,Si 0.20,Mn0.409/5,P?O.025,S?0.022,液相线温度为 1517?,固相线温度为1446?.

由Gleeble1500热模拟机测量结果可以得到各温度下 相应的应力一应变拉伸曲线,依据虎克定律计算杨氏弹性模 量,取初始变形的最大斜率,从而有E=tga,其中n为此温度 的应力一应变拉伸曲线中最大倾角切线的夹角值.由此可得 各温度下的杨氏弹性模量.各实测温度的杨氏弹性模量如 表1所示.

表1Q235的杨氏弹性模量

Table1Young$modulusofelasticityofsteelQ235

对于Q235钢,在包晶反应温度区附近,于1515?液相 中首先凝固析出8铁素体相,然后随着温度的降低,在 1487?开始发生包晶反应,L+—7,包晶相变很快耗尽6

相,新出现的7奥氏体,转变结束温度为1456?.固相率 一O.85对应的温度为1473?,假设此时Q235钢对应的杨 氏弹性模量为1MPa,由此可得到整个连铸凝固温度范围内 的杨氏弹性模量,如图2所示.

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图2Q2aS钢连铸高温区间的杨氏弹性模量

Fig.2YoungSmodulusofelasticityofsteelQ235inhigh-

temperaturerangeofcasting 为了验证杨氏弹性模量的准确性,将得到的杨氏模量结 果运用于连铸过程二冷段铸坯宽度变化的热一力耦合模拟计 算.以马鞍山钢铁公司第四钢轧厂2#钢坯连铸机的热和力 学工况建立模型,进行铸坯二冷段宽度变化的计算机数值仿 真,其模拟过程如图3所示.

马鞍山钢铁公司第四钢轧厂2#板坯连铸机铸坯宽度在 线监测如图4所示.热一力耦合模拟计算结果与使用铸坯连 续测宽装置的实测结果基本一致,杨氏弹性模量数据间接得 到验证.

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7O?材料导报:研究篇2009年9月(下)第23卷第9期 图3连铸过程铸坯宽度变化的模拟

Fig..3Simulationofdeformationofslabincontinuous castingprocess 合得到连续曲线.

(2)当温度高于固相线温度丁时,随着固相率的下降, 杨氏弹性模量由固相线处的值逐步降低到零强度温度处一 个非常接近于零的小值,并在零强度温度以上恒定保持为该 值,其间采用Tszeng模型的方法插值,以体现液相区的真实 力学行为.

(3)只有当温度降低到零强度温度(ZST)以下时,铸坯才 表现出一定的强度;零强度温度以上的两相区以及液相区的

强度和杨氏弹性模量可忽略为零,但在具体计算过程中,杨 氏弹性模量却不能取精确的零值,本模型取1MPa. 图4热态铸坯在线测宽系统

Fig.4Theonlinemeasuringsystemofslabinhigh- temperaturerange 4结论0

(1)当温度低于固相线温度时,通过热模拟机进行了 高温力学性能实验,获得了杨氏弹性模量,实测数据通过拟 ?\\ 参考文献

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