·70· 北京科技大学学报 第34卷 400- 400 (b) 400 400 一轴向应力 一轴向应力 800- 一一一环向应力 -800H 一一一环问应力 -12006 50 100 150 200 -12006 50 100 150200 使用时何s 使用时问/： 400 400 c 0 -400- -400 一轴向应力 一轴向应力 -800 一一一环向应力 -800 一一一环向应力 -1200 50 100 150 200 -1200 50 100 150 200 使用时问s 使用时向/A 400 (e) 400 三 -400 -400 一轴向应力 一轴向应力 -800- 一一一环向应力 -8) 一一一环向成力 -12006 50 100 150 200 -12006 50 00 贷 200 使用时间s 使用时间s 图7芯棒不同位置处轴向和环向热应力在一个使用循环内的变化情况.(a)距表面3.5mm处：(b)距表面10.5mm处：(c)距表面17.5 mm处；(d)距表面30.5mm处：(c)距表面73mm处：(0芯棒中心处 Fig.7 Changes in axial and circumferential thermal stress in different parts of the mandrel within a service process:(a)3.5mm away from the sur- face:(b)10.5 mm away from the surface:(c)17.5mm away from the surface:(d)30.5mm away from the surface;(e)73 mm away from the sur- face:(f)eenter of the mandrel 250 力深度处进入第三个区域.由于在此深度范围内， ◆轴向应力 拉应力的数值又重新开始增大至40~50MPa,因此 一环向应力 裂纹又获得了扩展的动力，裂纹便开始扩展.基于 以上分析可知，大部分环向裂纹的最大深度为 100 17.5mm,少数裂纹能达到更深的深度，但扩展速度 50 ◆ 比在表面附近的扩展速度降低很多 20 406080100120140160180 以同样的方法对环向热应力促进轴向裂纹的行 芯棒表面离mm 为进行分析可知，大部分轴向裂纹的最大深度为 图8芯棒不同位置处轴向和环向最大拉应力情况 20mm.由于几乎在各深度位置处环向热应力均大 Fig.8 Maximum axial and circumferential tensile stresses in different parts of the mandrel 于轴向热应力，所以热应力对轴向裂纹扩展的促进 作用强于环向裂纹.但是需要指出的是，环向裂纹 大，表面轴向拉应力为186MPa.第二个区域拉应力 扩展的动力不止为热应力.在芯棒的服役过程中， 数值最小，原因是无论水冷、轧制或是第一次空冷， 经常会出现工作段没有支撑物的状况，此时芯棒自 该区域均属于拉应力和压应力的过渡区域.由于这 身重力造成的弯矩会对环向裂纹的扩展起到很大的 个区域的拉应力数值最小，根据前述对裂纹扩展理 促进作用 论的分析，裂纹在这一区域的扩展速度最慢.在距 表面17.5mm处，轴向拉应力为零，大部分裂纹只扩 4结论 展到这一深度处后便不再继续扩展.但是，个别裂 (1)芯棒在脱管后表面最高温度为630℃，此 纹在一些偶然性因素的作用下能够穿过这一零拉应 后芯棒表面经历三次反复的水冷降温和空冷返温过北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 图 7 芯棒不同位置处轴向和环向热应力在一个使用循环内的变化情况． ( a) 距表面 3. 5 mm 处; ( b) 距表面 10. 5 mm 处; ( c) 距表面 17. 5 mm 处; ( d) 距表面 30. 5 mm 处; ( e) 距表面 73 mm 处; ( f) 芯棒中心处 Fig． 7 Changes in axial and circumferential thermal stress in different parts of the mandrel within a service process: ( a) 3. 5 mm away from the sur￾face; ( b) 10. 5 mm away from the surface; ( c) 17. 5 mm away from the surface; ( d) 30. 5 mm away from the surface; ( e) 73 mm away from the sur￾face; ( f) eenter of the mandrel 图 8 芯棒不同位置处轴向和环向最大拉应力情况 Fig． 8 Maximum axial and circumferential tensile stresses in different parts of the mandrel 大，表面轴向拉应力为 186 MPa． 第二个区域拉应力 数值最小，原因是无论水冷、轧制或是第一次空冷， 该区域均属于拉应力和压应力的过渡区域． 由于这 个区域的拉应力数值最小，根据前述对裂纹扩展理 论的分析，裂纹在这一区域的扩展速度最慢． 在距 表面 17. 5 mm 处，轴向拉应力为零，大部分裂纹只扩 展到这一深度处后便不再继续扩展． 但是，个别裂 纹在一些偶然性因素的作用下能够穿过这一零拉应 力深度处进入第三个区域． 由于在此深度范围内， 拉应力的数值又重新开始增大至 40 ～ 50 MPa，因此 裂纹又获得了扩展的动力，裂纹便开始扩展． 基于 以上 分 析 可 知，大部分环向裂纹的最大深度为 17. 5 mm，少数裂纹能达到更深的深度，但扩展速度 比在表面附近的扩展速度降低很多． 以同样的方法对环向热应力促进轴向裂纹的行 为进行分析可知，大部分轴向裂纹的最大深度为 20 mm． 由于几乎在各深度位置处环向热应力均大 于轴向热应力，所以热应力对轴向裂纹扩展的促进 作用强于环向裂纹． 但是需要指出的是，环向裂纹 扩展的动力不止为热应力． 在芯棒的服役过程中， 经常会出现工作段没有支撑物的状况，此时芯棒自 身重力造成的弯矩会对环向裂纹的扩展起到很大的 促进作用． 4 结论 ( 1) 芯棒在脱管后表面最高温度为 630 ℃，此 后芯棒表面经历三次反复的水冷降温和空冷返温过 ·70·