·68 北京科技大学学报 第34卷 700 700 700- a b 700 600 600 600 600 500 500 500 500 400 400 400 400 300 300 300 300 温度℃ 200 200 200 200 630 100 100 100 100 586 0 0 542 0306090120150180 0306090120150180 0306090120150180 0306090120150180 498 453 距芯棒中心距离mm 距芯棒中心距离mm 距芯棒中心距离mm 距芯棒中心距离mm 409 700 700 700 700 365 600 600 600 600 500 500 500 500 400 400 400 400 144 300 300 300 300 100 200 200 200 200 100 100 100 100 0 0 0 0306090120150180 0306090120150180 0306090120150180 0306090120150180 距芯棒中心距离mm 距芯棒中心距离mm 距芯棒中心距离mm 距芯棒中心距离/mm 图4芯棒在八个服役阶段的藏面温度场及径向温度分布曲线.()轧制后：(b)第一次空冷后：(c)第一次水冷后：(d)第二次空冷后： ()第二次水冷后：(0第三次空冷后：(g第三次水冷后：(h)第四次空冷后 Fig.4 Temperature fields and radial temperature distribution curves on mandrel cross-sections in 8 stages of the service process:(a)end of the roll- ing stage:(b)end of the Ist air-cooling stage:(c)end of the Ist water-cooling stage:(d)end of the 2nd air-cooling stage:(e)end of the 2nd wa- ter-cooling stage:(f)end of the 3rd air-cooling stage:(g)end of the 3rd water-cooling stage:(h)end of the 4th air-cooling stage 下出现相对高温区，最高温度值为220℃，出现在距 四次空冷持续时间最长，因此热量对芯棒中心产生 表面18mm处.在第二次空冷之后，由于芯棒表层 了影响，中心温度上升3℃.第四次空冷后的温度 下的高温区对表层有加热作用，表面温度回升至 即为等待轧制荒管的芯棒温度 180℃.热量影响深度增加至100mm,芯棒径向温 3芯棒表面热疲劳分析 度梯度减小至0.8℃·mm1.第二次水冷仍是只降 低了35mm深度范围内的表层温度，芯棒内部受影 3.1热疲劳裂纹的萌生 响不大.此时，表面温度降至40℃，表层温度梯度 芯棒表面的裂纹在程度较轻时称为疲劳，程度 为-3.8℃·mm-1,内部温度梯度仍维持在 较重时称为老化.图5为在340机组芯棒表面检测 0.8℃·mm1的水平.表层之下又出现了一个高温 到的不同程度网状裂纹照片.图5(a)为芯棒表面 区，最高温度出现在表面之下25mm深度处，为 热应力疲劳裂纹萌生并有了初步扩展：而图5(b)表 155℃，和第一次水冷形成的高温区相比温度值有 示裂纹处在扩展的后期，并在裂纹附近出现了较为 了明显下降.在第三次空冷阶段，受表层以下高温 严重的磨损. 区的加热作用，表层温度有了少量回升，但仍然处于 这种裂纹的产生和芯棒急冷急热产生的热应力 负的温度梯度，为-1.1℃·mm.表面温度回升至 是分不开的.为了研究裂纹萌生机理，需要先分 105℃，较第二次空冷回升幅度明显减小.这说明经 析芯棒表面热应力的变化情况.图6所示为芯棒主 过前几个阶段的冷却，表层之下的高温区热量散失 轧段表面在一个使用循环内的环向、轴向和径向应 较多.高温区最高温度为145℃，出现在距表面 力的模拟分析结果. 40mm处.第三次水冷效果同第二次水冷相似，均使 在一个使用循环中，芯棒的表面应力状态不断 表层温度下降，温度梯度绝对值增加，表层下出现高 发生改变，在轧制结束时刻，轴向和环向的应力最大 温区.第三次水冷的影响深度为50mm,表面温度降 值均达900MPa,径向应力为零，通过Mises屈服准 至35℃，温度梯度变为-2.5℃·mm1.芯棒内部 则判断该点己处于塑性变形状态.在第三次冷却结 温度有微小上升，但仍未影响至芯棒中心.第四次 束时刻，芯棒表面在轴向和环向又承受拉应力状态， 空冷使表层温度梯度变为-0.45℃·mm-1,芯棒表 轴向热应力为186MPa的拉应力，环向热应力为 面温度回升至98℃.较之前各冷却阶段，径向温度 221MPa的拉应力，径向应力为零，通过Mises屈服 分布较为均匀.表层之下仍然存在一个高温区，最 准则判断该点处于弹性变形状态 高温度为125℃，出现在距表面60mm处.由于第 根据包辛格效应的定义日，材料在一个方向受北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 图 4 芯棒在八个服役阶段的截面温度场及径向温度分布曲线． ( a) 轧制后; ( b) 第一次空冷后; ( c) 第一次水冷后; ( d) 第二次空冷后; ( e) 第二次水冷后; ( f) 第三次空冷后; ( g) 第三次水冷后; ( h) 第四次空冷后 Fig． 4 Temperature fields and radial temperature distribution curves on mandrel cross-sections in 8 stages of the service process: ( a) end of the roll￾ing stage; ( b) end of the 1st air-cooling stage; ( c) end of the 1st water-cooling stage; ( d) end of the 2nd air-cooling stage; ( e) end of the 2nd wa￾ter-cooling stage; ( f) end of the 3rd air-cooling stage; ( g) end of the 3rd water-cooling stage; ( h) end of the 4th air-cooling stage 下出现相对高温区，最高温度值为 220 ℃，出现在距 表面 18 mm 处． 在第二次空冷之后，由于芯棒表层 下的高温区对表层有加热作用，表面温度回升至 180 ℃ ． 热量影响深度增加至 100 mm，芯棒径向温 度梯度减小至 0. 8 ℃·mm － 1 ． 第二次水冷仍是只降 低了 35 mm 深度范围内的表层温度，芯棒内部受影 响不大． 此时，表面温度降至 40 ℃，表层温度梯度 为 － 3. 8 ℃ ·mm － 1 ，内部温度梯度仍维持在 0. 8 ℃·mm － 1 的水平． 表层之下又出现了一个高温 区，最高温度出现在表面之下 25 mm 深 度 处，为 155 ℃，和第一次水冷形成的高温区相比温度值有 了明显下降． 在第三次空冷阶段，受表层以下高温 区的加热作用，表层温度有了少量回升，但仍然处于 负的温度梯度，为 － 1. 1 ℃·mm － 1 ． 表面温度回升至 105 ℃，较第二次空冷回升幅度明显减小． 这说明经 过前几个阶段的冷却，表层之下的高温区热量散失 较多． 高温区最高温度为 145 ℃，出 现 在 距 表 面 40 mm处． 第三次水冷效果同第二次水冷相似，均使 表层温度下降，温度梯度绝对值增加，表层下出现高 温区． 第三次水冷的影响深度为 50 mm，表面温度降 至 35 ℃，温度梯度变为 － 2. 5 ℃·mm － 1 ． 芯棒内部 温度有微小上升，但仍未影响至芯棒中心． 第四次 空冷使表层温度梯度变为 － 0. 45 ℃·mm － 1 ，芯棒表 面温度回升至 98 ℃ ． 较之前各冷却阶段，径向温度 分布较为均匀． 表层之下仍然存在一个高温区，最 高温度为 125 ℃，出现在距表面 60 mm 处． 由于第 四次空冷持续时间最长，因此热量对芯棒中心产生 了影响，中心温度上升 3 ℃ ． 第四次空冷后的温度 即为等待轧制荒管的芯棒温度． 3 芯棒表面热疲劳分析 3. 1 热疲劳裂纹的萌生 芯棒表面的裂纹在程度较轻时称为疲劳，程度 较重时称为老化． 图 5 为在 340 机组芯棒表面检测 到的不同程度网状裂纹照片． 图 5( a) 为芯棒表面 热应力疲劳裂纹萌生并有了初步扩展; 而图 5( b) 表 示裂纹处在扩展的后期，并在裂纹附近出现了较为 严重的磨损． 这种裂纹的产生和芯棒急冷急热产生的热应力 是分不开的［4］． 为了研究裂纹萌生机理，需要先分 析芯棒表面热应力的变化情况． 图 6 所示为芯棒主 轧段表面在一个使用循环内的环向、轴向和径向应 力的模拟分析结果． 在一个使用循环中，芯棒的表面应力状态不断 发生改变，在轧制结束时刻，轴向和环向的应力最大 值均达 900 MPa，径向应力为零，通过 Mises 屈服准 则判断该点已处于塑性变形状态． 在第三次冷却结 束时刻，芯棒表面在轴向和环向又承受拉应力状态， 轴向热应力为 186 MPa 的拉应力，环向热应力为 221 MPa的拉应力，径向应力为零，通过 Mises 屈服 准则判断该点处于弹性变形状态． 根据包辛格效应的定义［5］，材料在一个方向受 ·68·