CN115824799B - 一种基于应变能评定取向硅钢加工性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于应变能评定取向硅钢加工性的方法，1)对检测样品进行拉伸试验，采集试样在测试过程中的应力σ和应变ε数据，并获得相应的应力应变曲线；2)应力应变数据进行微分处理获得σ关于应变ε的微分曲线，3)εa为弹性变形结束时对应的应变；弹性变形阶段结束后，dσ＝0时缩颈开始，εb为缩颈开始时对应的应变；当dσ＜0时材料进入缩颈断裂阶段；4)选取应变量ε处于[εa,εb]范围内的测试样品拉伸曲线数据，多项式拟合曲线；5)对拉伸变形高于临界应变值段积分处理，计算真实塑性变形曲线的面积：S大小表征塑性变形到缩颈阶段材料所能承受裂纹的能力。本发明更准确地评价材料的冷轧加工性。
Description
技术领域
本发明涉及钢铁冶金领域，涉及一种基于应变能评定取向硅钢加工性的方法。
背景技术
金属材料的加工性能是指在零件制造过程中承受的各种冷热加工工艺对材料性能的要求，它包括铸造性能，焊接性能，切削性能，热处理性能和表面处理性能等。金属材料的加工性能对保证产品质量、降低成本、提高生产率有重要的作用。取向硅钢生产的后续冷轧过程中，由于存在着大塑性变形，硅钢在加工过程中对材料的力学性能有着较高的要求。由于金属的使用环境不同，对金属材料的要求也存在很大差异，对力学性能的要求也将不同。按照外加载荷性质的不同，如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等，将力学性能分为强度、塑性、硬度、冲击韧性等。拉伸实验是金属材料力学性能试验中最常见的试验方法，被广泛地应用于金属材料的研制、生产和验收。屈服强度在工程上有着重要的意义，是材料性能中不可缺少的重要指标。屈服点与抗拉强度之间的差距越大，表明材料在断裂前能进行更大的变形加工，也就是说塑性变形阶段长，材料的成形性、定形性越好，有利于成形加工。
目前，现有的材料加工性评价方法是采用力学指标评价，通过屈服点和抗拉点等参数判定取向硅钢冷轧难易程度。但众所周知，材料的加工性还与材料的延伸性密切相关，而单纯的屈服点和抗拉点不能完全说明取向硅钢的加工性。取向硅钢冷轧过程为大塑性变形过程，因此其拉伸测试过程中的弹性变形阶段数据并不适合加工性的评定。同时，取向硅钢材质和冷轧轧制特点表明，其冷轧边裂极易发生断带，因此采用测试过程中的缩颈断裂过程会对材料整体加工性评价产生干扰。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于应变能评定取向硅钢加工性的方法，通过计算拉伸曲线面积获得样品应变能进而评价取向硅钢加工性。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种基于应变能评定取向硅钢加工性的方法，其特征在于，采用拉伸试验确定弹性变形结束时对应的应变εa，缩颈开始时对应的应变εb，选取应变量处于[εa,εb]范围内的测试样品拉伸曲线数据，按拟合公式积分处理，计算真实塑性变形曲线的面积，表征塑性变形到缩颈阶段材料所能承受裂纹的能力，即表征取向硅钢冷轧加工性。
具体步骤如下：
1)对检测样品进行拉伸试验，采集试样在测试过程中的应力σ和应变ε数据，并获得相应的应力应变曲线；
2)按照公式(1)对所得应力应变数据进行微分处理获得σ关于应变ε的微分曲线，
其中，σ为应力，ε为应变，n为采集数据点编号；
3)应力变化dσ曲线呈线性陡降表明测试处于弹性变形阶段，达到第1个拐点后应力变化dσ曲线开始升高，表明弹性变形结束，εa为弹性变形结束时对应的应变；弹性变形阶段结束后，应力变化dσ曲线开始逐渐降低，dσ＝0时缩颈开始，εb为缩颈开始时对应的应变；当dσ＜0时材料进入缩颈断裂阶段；
4)选取应变量ε处于[εa,εb]范围内的测试样品拉伸曲线数据，按照公式(2)多项式拟合曲线；
σ＝A+Bε+Cε2+Dε3+... (2)
其中，A,B,C,D…为通过最小二乘法对测试样品拉伸曲线拟合获得的常数；
5)对公式(2)中拉伸变形高于临界应变值段积分处理，按照公式(3)计算真实塑性变形曲线的面积：
其中，S为应变能，代表应变从εa增加到εb过程中所消耗应变能的真实值，S大小表征塑性变形到缩颈阶段材料所能承受裂纹的能力，即表征取向硅钢冷轧加工性；S越大，加工性越好，反之，加工性越差。
与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过计算取向硅钢实际应力-应变曲线面积，获得样品应变能进而评价取向硅钢加工性。该方法综合了屈服强度、抗拉强度、延伸率对加工性的交互作用，根据取向硅钢应力-应变曲线，计算塑性变形区面积，以此作为材料加工性特征指标，排除试样拉伸测试过程弹性变形段、缩颈断裂段数据的干扰，更准确地评价材料的冷轧加工性。
附图说明
图1中a为实施例测试样品1应力-应变曲线图。
图1中b为实施例测试样品2应力-应变曲线图。
图1中c为实施例测试样品3应力-应变曲线图。
图1中d为实施例测试样品4应力-应变曲线图。
图1中e为实施例测试样品5应力-应变曲线图。
图1中f为实施例测试样品6应力-应变曲线图。
图2中a为实施例测试样品1应力-应变的一阶微分曲线图。
图2中b为实施例测试样品2应力-应变的一阶微分曲线图。
图2中c为实施例测试样品3应力-应变的一阶微分曲线图。
图2中d为实施例测试样品4应力-应变的一阶微分曲线图。
图2中e为实施例测试样品5应力-应变的一阶微分曲线图。
图2中f为实施例测试样品6应力-应变的一阶微分曲线图。
图3中a为实施例测试样品1塑性变形过程应力-应变拟合曲线图。
图3中b为实施例测试样品2塑性变形过程应力-应变拟合曲线图。
图3中c为实施例测试样品3塑性变形过程应力-应变拟合曲线图。
图3中d为实施例测试样品4塑性变形过程应力-应变拟合曲线图。
图3中e为实施例测试样品5塑性变形过程应力-应变拟合曲线图。
图3中f为实施例测试样品6塑性变形过程应力-应变拟合曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所得到的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于应变能评定取向硅钢加工性的方法，具体步骤如下：
1)对检测样品进行拉伸试验，采集试样在测试过程中的应力σ和应变ε数据，并获得相应的应力应变曲线；
2)按照公式(1)对所得应力应变数据进行微分处理获得σ关于应变ε的微分曲线，
其中，σ为应力，ε为应变，n为采集数据点编号；
3)应力变化dσ曲线呈线性陡降表明测试处于弹性变形阶段，达到第1个拐点后应力变化dσ曲线开始升高，表明弹性变形结束，εa为弹性变形结束时对应的应变；弹性变形阶段结束后，应力变化dσ曲线开始逐渐降低，dσ＝0时缩颈开始，εb为缩颈开始时对应的应变；当dσ＜0时材料进入缩颈断裂阶段；
4)选取应变量ε处于[εa,εb]范围内的测试样品拉伸曲线数据，按照公式(2)多项式拟合曲线；
σ＝A+Bε+Cε2+Dε3+... (2)
其中，A,B,C,D…为通过最小二乘法对测试样品拉伸曲线拟合获得的常数；
5)对公式(2)中拉伸变形高于临界应变值段积分处理，按照公式(3)计算真实塑性变形曲线的面积：
其中，S为应变能，代表应变从εa增加到εb过程中所消耗应变能的真实值，S大小表征塑性变形到缩颈阶段材料所能承受裂纹的能力，即表征取向硅钢冷轧加工性；S越大，加工性越好，反之，加工性越差。
取向硅钢塑性变形过程中，应变量达到缩颈临界值会产生裂纹，加工性恶化，因此，对公式(2)中拉伸变形高于临界应变值段积分处理，以所得积分结果：面积大小，表征塑性变形到缩颈阶段材料所能承受裂纹的能力，并将积分结果作为取向硅钢冷轧加工性评定指标；用于表征取向硅钢冷轧加工性；
以公式(3)获得的应变能作为评价取向硅钢冷轧加工性的参数，应变能越高，加工性越好；按照取向硅钢拉伸曲线计算获得的应变能S评价冷轧过程加工性，S越大，加工性越好，反之，加工性越差。
实施例
1、选用3种相同轧前退火工艺、不同冷轧成材率的取向硅钢原料作为待测样品进行加工性测试和评价，待测材料均采用相同轧前退火工艺和冷轧轧制工艺，具体工艺信息如表1所示。
表1：冷轧加工性待测材料轧前退火和冷轧工艺信息
2、应用拉伸试验机进行一组拉伸实验，试样测试的环境温度为30℃、测试速率为0.5s-1。测试获得的样品力学性能指标如表2所示。在此基础上，通过实验过程中采集的应力和应变数据获得的应力-应变曲线如图1所示。
表2测试样力学性能指标
| 样品编号 | 屈服强度/MPa | 抗拉强度/MPa | 延伸率/％ | 断面收缩率/％ |
| 1 | 506.67 | 645.53 | 22.82 | 4.76 |
| 2 | 501.90 | 655.67 | 22.72 | 4.68 |
| 3 | 506.03 | 659.86 | 22.75 | 4.62 |
| 4 | 512.57 | 627.14 | 22.86 | 4.33 |
| 5 | 501.63 | 625.38 | 22.72 | 4.22 |
| 6 | 509.65 | 613.45 | 22.58 | 4.20 |
3、按照公式(1)对所得测试样品应力应变数据进行微分处理获得σ关于应变ε的微分曲线(如图2)，测试过程中曲线应力变化dσ呈线性陡降表明测试处于弹性变形阶段，随后达到第1个拐点后dσ开始升高表明弹性变形结束，此时达到应变量εa；弹性变形阶段结束后，dσ开始逐渐降低，dσ＝0时，对应的相应临界应变量为εb；dσ＜0时，材料进入缩颈断裂阶段。据此，获得测试样品临界应变量如表3所示。
表3测试样品加工性评定的临界应变量
| 样品编号 | εa | εb |
| 1 | 0.43 | 16.15 |
| 2 | 0.72 | 13.92 |
| 3 | 0.59 | 12.94 |
| 4 | 0.83 | 15.23 |
| 5 | 0.78 | 15.02 |
| 6 | 0.70 | 15.12 |
4、选取应变值ε处于[εa,εb]范围内的测试样品拉伸曲线数据按照公式(2)进行多项式拟合处理：
σ1＝448.15+31.26×ε-1.29×ε2-0.15×ε3+0.12×ε4-0.00041×ε5 (4)
σ2＝481.72-48.94×ε-7.57×ε2+0.79×ε3-0.05×ε4-0.0015×ε5 (5)
σ3＝493.98+55.11×ε-10.18×ε2+1.26×ε3-0.09×ε4-0.002×ε5 (6)
σ4＝446.58+101.28×ε-28.69×ε2+4.29×ε3-0.03×ε4-0.007×ε5 (7)
σ5＝474.97+58.74×ε-10.80×ε2+1.23×ε3-0.07×ε4-0.002×ε5 (8)
σ6＝483.84+63.72×ε-13.97×ε2+1.95×ε3-0.14×ε4-0.004×ε5 (9)
其中，列式(4)～(9)分别为1#～6#样品对应曲线的拟合结果；图3为实施例1#～6#样品的塑性变形过程应力应变拟合曲线。
5、结合步骤3确定的临界应变值，对列式(4)～列式(9)进行积分处理，分别列式为(10)～(15)，分别对应1#～6#样品应变。
5、通过步骤4计算获得本发明方法和常规方法评定取向硅钢加工性结果如表4所示。
表4测试样品冷轧加工性评定方法与成材率比较
从表4分析可知，采用本发明提出的以应变能表征取向硅钢冷轧加工性测定方法，在综合考虑样品屈服强度、抗拉强度、延伸率等力学性能指标后，所获得结果与产品实际成材率变化趋势相吻合。
相比之下，采用传统拉伸法获得的力学性能指标差异较小，无法直观准确地对取向硅钢冷轧加工性进行直接评定。与常规方法相比，采用本发明方法可以准确且稳定地测定取向硅钢冷轧加工性，并依此作为冷轧轧制工艺设定的重要依据。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例子，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和基本精神的情况下对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变形，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (1)
1.一种基于应变能评定取向硅钢加工性的方法，其特征在于，采用拉伸试验确定弹性变形结束时对应的应变εa，缩颈开始时对应的应变εb，选取应变量处于[εa,εb]范围内的测试样品拉伸曲线数据，按拟合公式积分处理，计算真实塑性变形曲线的面积，表征塑性变形到缩颈阶段材料所能承受裂纹的能力，即表征取向硅钢冷轧加工性，具体步骤如下：
1)对检测样品进行拉伸试验，采集试样在测试过程中的应力σ和应变ε数据，并获得相应的应力应变曲线；
2)按照公式(1)对所得应力应变数据进行微分处理获得σ关于应变ε的微分曲线，
其中，σ为应力，ε为应变，n为采集数据点编号；
3)应力变化dσ曲线呈线性陡降表明测试处于弹性变形阶段，达到第1个拐点后应力变化dσ曲线开始升高，表明弹性变形结束，εa为弹性变形结束时对应的应变；弹性变形阶段结束后，应力变化dσ曲线开始逐渐降低，dσ＝0时缩颈开始，εb为缩颈开始时对应的应变；当dσ＜0时材料进入缩颈断裂阶段；
4)选取应变量ε处于[εa,εb]范围内的测试样品拉伸曲线数据，按照公式(2)多项式拟合曲线；
σ＝A+Bε+Cε2+Dε3+... (2)
其中，A,B,C,D…为通过最小二乘法对测试样品拉伸曲线拟合获得的常数；
5)对公式(2)中拉伸变形高于临界应变值段积分处理，按照公式(3)计算真实塑性变形曲线的面积：
其中，S为应变能，代表应变从εa增加到εb过程中所消耗应变能的真实值，S大小表征塑性变形到缩颈阶段材料所能承受裂纹的能力，即表征取向硅钢冷轧加工性；S越大，加工性越好，反之，加工性越差。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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