厚壁方矩形管冷弯效应对比分析(材料科学与工程学报)

1、第28卷第1期材料科学与工程学报总第123期文章编号:167322812(2010)0120076206厚壁方矩形管冷弯效应对比分析胡盛德,李立新,周家林,张恒,黄宁(武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室,材料与冶金学院,湖北武汉430081)【摘要】为了对厚壁型钢管的冷弯工艺改进、性能分析、结构强度设计和数值模拟结果的验证提供重要依据,进行了冷弯厚壁钢管上截取的平板件、弯角件、母材和相应方、矩形截面短柱的力学性能试验研究,获得了短柱全截面屈服强度相对于母材强度的提高值。分别运用北美等国厚壁冷弯型钢规范、国内薄壁冷弯型钢规范以及相关文献中的修正规范,对我国厚壁冷弯方矩形型钢管

2、全截面强度进行设计和对比分析。结果表明:因冷弯工艺不同,国外公式计算的结果高于国内短柱实测值,国内厚壁冷弯型钢的强度设计不能照搬现有的国外厚壁冷弯型钢设计规范;国内薄壁公式能否适用要视型钢的冷作硬化效应程度决定;原料的强屈比和冷弯应变程度越大,则冷作硬化效应越大;焊接热使板件受到低温“退火”的作用不可忽略,其常常导致竖直配辊冷弯厚壁矩形型钢时,两竖直侧平板件强度低于母材。【关键词】厚壁方矩形管;冷弯成型;力学性能;冷作硬化效应;结构强度设计中图分类号:TU398文献标识码:AComparativeThick2wallColdFormedareandRectangularHollowSectio

3、nHUSheng2de,LILi2xin,ZHOUJia2lin,ZHANGHeng,HUANGNing(KeyLaboratoryforFerrousMetallurgyandResourcesUtilizationofMinistryofEducation,CollegeofMaterials&Metallurgy,WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430081,China)【Abstract】Inordertoprovideimportantdatafortechnologyimprovement,characteranalys

4、is,structuralstrengthdesignandvalidationofnumericalsimulationofthick2wallcoldformedsteeltube,experimentsconcerningonmechanicalpropertiesoftheflatportion,cornerportion,virginsteelandfullsectionstubcolumnswereperformed.Increasedyieldvalueofthewholecrosssectionofstubcolumnscausedbystrainhardeningwasobt

5、ainedaccordingly.StrengthgainfromcoldworkwascalculatedbyconsultingthespecificationsinNorthAmerican,Chinaandreference5forthedesignofthecoldformedsteelstructuralmembersrespectively.Comparativeanalysiswascarriedoutonthecalculatedandmeasuredstrengthvalues.Resultsshowthatthecalculatedstrengthsofstubcolum

6、nsbythespecificationmadeabroadarehigherthantheexperimentaldata.Thismainlyowestothedifferenceofcold2formingtechnologybetweenhomeandabroad.SpecificationestablishedbyNorthAmericanisntapplicableforthick2wallcoldformedsteeltubeinChina,whilewhetherthatestablishedbyChinacanbedirectlyappliedtothick2wallcold

7、2formedsteeltubedependsonstrainhardeningofthetube.Thebiggerratioofstrengthtoyieldstrengthofvirginsteelanddeformationare,thebiggerstrainhardeningis.Heatingeffectontheflatportioninducedbyweldingusuallyreducestensilestrengthoftheflatportionbilateraltoavaluelowerthanthatofvirginsteelforverticallycold2fo

8、rmedthick2收稿日期:2009207230;修订日期:2009209222基金项目:钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室开放基金资助项目(FMRU2007Y01);武汉科技大学引进人才及科研启动费资助项目(01020801)作者简介:胡盛德(1972-)男,副教授,博士,主要研究方向:冷弯型钢、材料深加工、材料成型过程数值模拟。E2mail:adhello。第28卷第1期胡盛德,等.厚壁方矩形管冷弯效应对比分析77wallrectangularsteeltube,andthiscantbeignored.【Keywords】thick2wallsteeltubewithsquar

9、eandrectangularhollowsection;cold2formed;mechanicalproperties;strainhardening;structuralstrengthdesign位,因此,试验中按照冷弯工艺辊花图,严格设计和控1前言冷弯型钢作为一种形状多样、高效、节能环保型材而被广泛应用在众多行业的结构件中1,2。习惯上将通过冷弯获得的壁厚在6mm以下型钢称为冷弯薄壁型钢,而6mm以上的称为冷弯厚壁型钢。近些年来,冷弯后的材料性能和对性能的预报是结构工程领域主要研究课题之一,然而绝大多数是针对薄壁冷弯型钢的研究,关于厚壁冷弯型钢的研究却十分有限325,国内也没有厚壁型

10、钢结构技术规范。为了对厚壁型钢管的冷弯工艺改进、成品性能分析、结构强度和稳定性设计提供计算依据,本文对断面规格为200×300×9.2和250×250×9.2的方矩形管进行了大量试验,并使6用我国冷弯薄壁型钢结构技术规范和国外厚壁型算,制弯角板件取样位置和加工余量,确保直边段被截去而弯曲段保留。所有试件均从生产线上的长型材上锯割下来,再进行加工刨平。截取的试件包括弯角板件、平板板件、方形管短柱和相应的母材板件。弯角和平板件取样位置如图2所示,截面为正对进料方向。加工好的部分平板和弯角试件如图3所示,结果发现:各种板件由于回弹变形,沿长度方向都产生弯曲变形

11、,其中弯角板件和带焊缝板件变形更明显,说明弯角和焊接处的残余应力场大。图2试样取样位置及编号2实验方法2.1实验设备Fig.2Specimenlocationsandnumbering主要试验设备有:WEW2600微机屏显液压万能试验机;Z227205三轴应力试验机;SD2400试样标矩仪;静态应变仪、应变片、位移传感器和位移千分计等。2.2试样取样、加工及编号板材试件均采用板状带头长比例形式7,如图1所示。其中,l0为试样标距,l0=11.3F0;l为平行长度,试样加工设计取l=l0+2×20;t为试样厚度;b为试样宽度,取30mm;B为试样头部宽度,B=b+10;R为过渡段圆弧半

12、径,取2040mm;h为试样头部长,取60mm;h1为圆弧过渡段长度,取1520mm;L为试样总长。图3加工好的部分试样Fig.3Finishedspecimens3实验结果分析及讨论3.1板件屈服强度比较图1设计试样Fig.1Designedspecimen本文共进行了两批实验,其中第一批实验带钢原料相同,但包含两种断面规格,分别用矩1(断面规格为200×300×9.2(mm)和方1(断面规格为250×250×9.2(mm)表示;第二批实验矩形钢管实验原料来源不同,用矩2(断面规格为200×300×9.2(mm)表示。母材沿宽度各取

13、样12个,平板和弯角每个部位取样3个,两种断面短柱各取样3个,总共90个试样。表1为不同批次母材和板件试样屈服强度试验结果,表中强度单位为MPa。弯角板件均为90度弯曲,弯角试件标距段的设计,与平板试件类似,标距段截面取弯角部分的核心部78材料科学与工程学报2010年2月表1不同批次板件试样屈服强度试验结果比较Table1ComparisonofyieldstrengthsoftheflatandcornerspecimensamongdifferentgroupsoftestsSpecimenVirginsteelM1M2FlatportionM3M4Meanvaluepercentincr

14、easeCorner1Corner2CornerportionCorner3Corner4MeanvaluepercentincreaseRectangle2326.7495325363.3322.5376.415.2%536.7555.3540556.7547.267.5%541.7336.7383.3341.8407.512.2%530533.3513.3531.7527.145.1%Rectangle1363.3550388.3401.7375428.718%565571.7558.3555562.554.8%FlatSquare1表2不同批次平板和弯角板件伸长率的比较/%Table2C

15、omparisonofelongationoftheflatandcornerspecimensamongdifferentgroupsoftests/%SpecimenVirginsteelM1M2M3M4MeanvaluepercentincreaseCorner1Corner2CornerportionCorner3Corner4MeanvaluepercentincreaseRectangle226.81024.824.327.321.619.4%10.810.310.29.810.361.5%11.328.226.32723.418.8%11.212.513.510.81258.3%

16、Rectangle128.812.520.823.321.819.631.9%11.810.510.310.810.962.1%Square1portion由表1可见:竖直配辊冷弯矩形型钢时,(M2、M4),该两处几乎无冷作硬化低温“退火”的作用所致同样工艺同样断面下,矩2的冷作硬化效应高于矩1,这是因为矩2母材的强屈比大于矩1母材。矩2平板件强度的提高值低于方1,但其弯角板件强度的提高值却大于方1。这说明应变程度越大,强屈比对冷作硬化效应影响越大。3.2板件塑性比较图4部分断后试样Fig.4Specimensafterfailure表2为不同部位断后伸长率测量的平均结果。由表2可见:三批试样

17、中带焊缝平板件(M1)的伸长率和弯角板件伸长率的平均值都差不多,平均值11.3左右,相对母材或其他部位来说,塑性过低,这是制约冷弯型钢应用范围扩大的“瓶颈”。对比表1、2可看出:对同一批原料来说,方形钢的冷作硬化效应高于矩形钢,但方形钢强度的提高是以很大程度牺牲塑性指标为代价的,实际上其通过冷弯获得的综合力学性能的改善不如两批矩形钢。如果用户对交货的强度指标要求不很严格,而对塑性指标最低值有更高的要求,则第一批矩形型钢更合适。3.3板材试件破坏形式试验中,所有板件的拉断面都在标距段内,如图4所示,表明实验是比较成功的。图5对比了平板和弯角板件不同的断口。带焊缝平板件和弯角件的断口色泽鲜亮,而不

18、带焊缝的平板件和母材试件的断口则色图5各种板件断口比较Fig.5Variousfracturesafterfailure泽暗淡无光,显然,断裂前,后者比前者发生了大得多的塑性变形,而前者发生了脆性断裂。3.4焊缝附近组织分析焊接接头区是焊接件机械性能最薄弱的环节,要提高焊接件的机械性能,首先就要提高焊接接头的机械性能。为了深入研究冷弯焊接接头的性能,本文对冷弯后焊缝附近显微组织做了金相分析,如图6所示。图6(a)和图6(b)分别为第一批和第二批试验放大100倍的焊缝及其附近金相显微照片。两图反映出的焊缝附近组织分布规律基本相同:即焊接接头处的微观组织由脱碳层、过热区、完全重结晶区、不完全结晶第

19、28卷第1期胡盛德,等.厚壁方矩形管冷弯效应对比分析79区到母材组织组成。其中脱碳层区和过热区是魏氏体组织,完全结晶区是细小铁素体加珠光体,而不完全重结晶区是晶粒大小不均匀的铁素体加珠光体,母材皆是铁素体加珠光体。焊后空冷造成的粗大晶粒及晶内34级魏氏体组织是造成带焊缝平板试件强度高而塑性低的主要原因。要改善此性能,必须进行焊后合适的热处理。图7短柱屈曲Fig.7Buckingofstubcolumns表4板件和短柱全截面强度提高的比较Table4Comparisonofmean2increasedyieldbetweentheflat,cornerspecimensandstubcolumn

20、specimensNominaldimensionofstubcolumn/mmSpecimenVirginsteelFlatReL/MPa/%363.3428.7562.5423.7400.9527.1393.71854.816.610.345.18.4图6焊缝附近显微组织Fig.6Microscopicstructureneartheweldedseam250339.2Flatportion3.5短柱强度及破坏分析,长度,t为壁厚,R,AB分别为短柱外边长,A1A3为方形钢短柱,B1B3为矩形钢短柱。短柱试验在5000KN的压力试验机上进行,短柱上下端加平板和石英砂找平并保护压头和底座。短

21、柱压缩后压屈如图7所示。短柱实测强度见表4或表6,表中矩形钢为第一批材料。实验发现,所有短柱都在M2或M4的中部或下部首先屈曲,实测的M2和M4位置平板件的强度也是最低,这说明短柱屈曲首先发生在全截面最弱的位置,因此,改进工艺提高这两个位置的强度将有助于短柱全截面强度的提高。表3短柱试件初始尺寸Table3InitialdimensionofstubcolumnspecimensstubcolumnA1A2A3B1B2B3L/mm910909.5910909912909t/mm9.229.269.21A/mm250.6250249.85200.3200.2200.4B/

22、mm250.9250.95251.75300.7300.7300.4R/mm22.52323.922.82322.4200330039.2CornerportionStubcolumn于不带焊缝的三个位置平板件强度(表1中的M2、M3和M4),这三个位置的强度是型钢横断面强度最弱处,再次说明改善M2、M3和M4位置的强度有助于型钢全截面强度的提高。表5为板件强度对面积百分比的加权平均计算结果,表中C为弯角部分面积百分比,为实测值相对加权值降低的百分比。可见,两种短柱实测值都比板件加权值低。矩形短柱的强度实测值低于方形短柱,这一方面是因为其板件的实际平均强度低于方形钢,另一方面,矩形钢截面各边相

23、互支撑作用也小于方形钢,这一点可从矩形钢短柱实测值相对加权值降低百分比大于方形短柱得到印证。4冷弯厚壁型钢管强度设计4.1强度设计公式(GB500182我国冷弯薄壁型钢结构技术规范2002)中冷弯薄壁型钢的设计公式为6n(1)F=1+fl2i=1表4为冷弯后板件强度与短柱强度及其相对于母材强度提高的比较,为提高百分比。由表可见,两种断面短柱全截面强度及其提高值接近并略低于平板件,但都低于弯角板件。对照表1还可知,短柱强度高式中:F考虑冷弯效应后强度设计值;f钢材强度设计值;成型方式系数,取值见文献6,本文为直80材料科学与工程学报表5板件强度加权计算值与短柱实测强度的比较2010年2月Tabl

24、e5ComparisonbetweenthemeasuredstrengthofstubcolumnandweightvaluesofflatportionandcornerportionNominaldimensionofstubcolumn/mm250325039.2200330039.2C0.1244770.121861Strengthofflatportion/MPa428.7400.9Strengthofcornerportion/MPa562.5527.1Weightvalue/MPa445.3416.2Measuredstrengthofstubcolumn/MPa423.739

25、3.7/%4.855.41接冷弯成方、矩形管,=1;钢材的强屈比;n型钢截面所含棱角数目;t型钢壁厚;l型钢截面中心线的长度;型钢截面上第i个棱角所对应的圆心角。i美国、澳大利亚等国考虑冷弯厚壁型钢冷作硬化效应的设计规范为8fya=Cfyc表6短柱强度实测与设计值的比较Table6ComparisonbetweenthemeasuredanddesignedvaluesofyieldstrengthofstubcolumnsStubcolumnMeasuredstrengthF/MPafyaF5dz/MPa415.7431.9422.2405.3387.7388.3393.7423.7/MPa

26、/MPa+(1-C)fyf(2)A1A2A3B1B2B3式中:fya考虑冷弯效应后强度设计值;C弯角部分面积与全截面总面积的比值;fyc弯角部分屈服强度,当fuv/fyv1.2且ri/t7时,fyc=;Bc(r/t)m393.1451.5389.1393426.2389.1常数,Bc=3.69(fuv/fyv)-0.819(fuv/fyv)2-1.79;m常数,m=0.192(fuv/fyv)-0.068;fuv、fyv母材的抗拉强度和屈服强度;r厚;fyf4.2设计结果及讨论。根据不同壁厚短柱强度试验值,对公式(1)做了修正,以便用于考虑强度提高的厚壁型钢强度设计,其修正后的计算公式为-0.

27、05t+0.321+F5=f(3)li=12公式中符号含义同公式(1)。本文也按照公式(3)进行了计算,见表6中的F5。结果表明,通过(3)式修正,强度设计值下降了4MPa,对方形钢来说没有修正意义,对矩形钢来说有一定的修正意义,但修正幅度仍不够,因此(3)式更适合厚度在10mm以上且冷作硬化效应比本文矩形钢还要低的厚壁冷弯型钢强度设计。n表6比较。按式(1)计算F时不计材料的分项系数,即式中f取母材屈服强度试验平均值。由表6可见,国内薄壁规范计算结果都略低于短柱实测强度,对方形钢二者比值423.7/393.1=1.08,可直接用于本厚壁方形钢管的强度设计,并且有一定的富余空间;但对矩形钢来说

28、二者比值393.7/393=1.0018太小,安全保证系数不够,用于本厚壁矩形钢管的强度设计时须慎重。对两种断面的型钢管,国内设计值相等,但实测值却相差甚远,这说明设计公式(1)不能考虑到同种原料不同截面形状冷作效应的不同,也不能考虑当型钢截面中心线长度相等时的不同支撑效应对型钢强度的影响。国外厚壁规范计算的结果都高于各自短柱实测值,这主要是因为国内外冷弯型钢工艺不同而造成的冷作硬化效应不相同所致,国内厚壁冷弯型钢的强度设计不能照搬现有的国外厚壁冷弯型钢设计规范。计算表明,公式(2)较公式(1)偏于危险,这与文献5中的结论不一致,因为文献5中使用公式(1)设计强度时是按照冷弯高频焊圆变方、矩形

29、管来计算的,该工艺为国外常用,而本文为国内常用的直接成方、矩形管的。计算中还发现,按照(2)式计算的弯角部分屈服强度fyc比实测的方、矩形管弯角部分强度平均值分别要大50MPa和85MPa左右,说明国内型钢弯角的冷作硬5结论1.设计公式(1)不能考虑到同种原料不同截面形状冷作效应的不同,也不能考虑当型钢截面中心线长度相等时的不同支撑效应对型钢强度的影响。2.对我国常用的直接成方、矩形管冷弯厚壁型钢,公式(2)的设计强度远高于实测值,公式(1)的设计强度低于实测值,这主要由国内外常用冷弯工艺的不同所导致。3.原料的强屈比和冷弯应变程度越大,则冷作硬化效应越大。4.焊接热使板件受到低温“退火”的作

30、用不可忽略,其常常导致竖直配辊冷弯矩形型钢时,两竖直侧平(下转第129页)板件强度低于母材。第28卷第1期朱显丰,等.BSA2PLGA微球的优化制备及特性1293SharifS,OHaganDT.Acomparisonofalternativemethodsforthedeterminationofthelevelsofproteinsentrappedinpoly(lactide2co2glycolide)microparticlesJ.IntJPharm,1995,115(2):259263.4KimHK,ParkTG.Comparativestudyonsustainedreleaseo

31、fhumangrowthhormonefromsemi2crystallinepoly(L2lacticacid)andamorphouspoly(D,L2lactic2co2glycolicacid)microspheres:morphologicaleffectonproteinreleaseJ.JournalofControlledRelease,2004,98(10):115125.5徐希明,沈玉萍,余江男,等.聚乳酸2聚乙二醇共聚物为载体glycolicacid)microspheresmadebythedoubleemulsionmethodJ.JournalofControlle

32、dRelease,2005,107(2):310319.8ChoM,SahH.FormulationandprocessparametersaffectingproteinencapsulationintoPLGAmicrospheresduringethylacetate2basedmicroencapsulationprocessJ.JMicroencapsul,2005,22(1):112.9陆彬.药物新剂型与新技术M.第一版.北京:人民卫生出版社,2002,73.10MaoS,XuJ,CaiC,etal.EffectofWOWprocessparametersonmorphologyandburstreleaseofFITC2dextranloadedPLGAmicrospheresJ.IntJPharm,2007,334(122):137148.11YangYY,ChiaHH,ChungTS.Effectofpreparationtem