２０１５年６月 内蒙古科技大学学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｉｎｎｅｒ Ｍｏｎｇｏｌｉａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｊｕｎｅ，２０１５ Ｖｏ１．３４．Ｎｏ．２ 第３４卷第２期 文章编号：２０９５—２２９５（２０１５）０２—０１７４—０５ ＤＯＩ：１０．１６５５９／ｊ．ｃｎｋｉ．２０９５—２２９５．２０１５．０２．０１６ 退火温度对冷轧３０４不锈钢带力学性能和 残余应力的影响 张 勇，麻永林，李志峰，宫美娜，赵娜娜 （内蒙古科技大学材料与冶金学院，内蒙古包头０１４０１０） 关键词：不锈钢；退火温度；力学性能；残余应力 中图分类号：ＴＧ３３５．２ 文献标识码：Ａ 摘要：为得到退火温度对冷轧３０４不锈钢板形及力学性能的影响，利用拉伸机对不同退火温度下带的力学性能 进行了测定，采用盲孔法对钢带表面残余应力进行了测定，得到了退火温度对钢带力学性能和残余应力的影响规 律．试验结果表明，随着退火温度的升高，屈服强度和抗拉强度先升高后下降，当退火温度为５００℃，退火张力在 ９ ｋｇｆ／ｍｍ 时，３０４不锈钢带的屈服强度和抗拉强度最大；且在该温度下残余应力分布最均匀，说明３０４不锈钢在 ５００℃退火时力学性能最佳且板形最好． Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｃｏｌｄ ｒｏｌｌｉｎｇ ３０４ ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｉｐ ＺＨＡＮＧ Ｙｏｎｇ，ＭＡ Ｙｏｎｇ—ｌｉｎ，ＬＩ Ｚｈｉ—ｆｅｎＳ，ＧＯＮＧ Ｍｅｉ—ｎａ，ＺＨＡＯ Ｎａ—Ｈａ （Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ Ｓｃｈｏｏｌ，Ｉｎｎｅｒ Ｍｏｎｇｏｌｉａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂａｏｔｏｕ ０１４０１０，Ｃｈｉｎａ） Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ；ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ；ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｂｌｉｎｄ ｈｏｌｅ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ３０４ ｃｏｌｄ ｒｏｌｌｅｄ ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｇｅｔ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｎ ｓｔｒｉｐ ｓｈａｐｅ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ３０４ ｃｏｌｄ ｒｏｌｌｅｄ ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅ１．Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ ｂｅｈ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗａｓ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ ｔｅｎｓｉｌｅ ｔｅｓｔ ｍａｃｈｉｎｅ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａ— ｔｕｒｅ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｂｅｈ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｙｉｅｌｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｒｉｓｅ ｆｉｒｓｔｌｙ ａｆｔｅｒ ｆａｌｌｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｓ ５００ ｏＣ，ｔｈｅ ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｔｅｎｓｉｏｎ ｉｓ ９ ｋｇｆ／ｍｍ ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｙｉｅｌｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ ｂｅｌｔ ｒｅａｃｈｉｎｇ ｔｈｅ ｌａｒｇｅｓｔ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｗａｓ ｄｉｓｔｉｂｕｔｅｄ ｕｎｉｒｆｏｒｍｌｙ．Ｉｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ３０４ ｉｓ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｕｎｄｅｒ ５００ ｏＣ． ３０４奥氏体不锈钢是应用最为广泛的一种铬一 镍不锈钢，具有良好的耐蚀性、耐热性和低温强度等 性能…．随着国民经济的发展，对不锈钢表面质量 和尺寸精度要求越来越严格．在冷轧不锈钢带生产 过程中，冷轧不锈钢的不均匀变形导致了残余应力 分布不均，力学性能不稳定将影响不锈钢成品使 用．因此，了解冷轧不锈钢的力学性能和残余应力 分布对提高产品性能，扩大产品使用范围具有很好 的意义． 针对当前现状，诸多学者对低温退火影响材料 的残余应力分布和力学性能的因素展开了研究，并 取得了一定的成果．张雅琴，等 建立了四 收稿日期：２０１５—０３—２０ 基金项目：内蒙古科技大学材料加工过程模拟创新团队基金资助项目（５２３０３００１） 作者简介：张勇（１９８９一），男，河北沧州人，内蒙古科技大学硕士研究生． 张勇，等：退火温度对冷轧３０４不锈钢带力学性能和残余应力的影响 ｌ７５ 辊轧制过程弹塑性有限元分析模型，并采用小孑Ｌ应 力释放法，对在不同张力条件下冷轧后带钢的残余 应力进行测量，研究了张力对残余应力分布的影响 以及残余应力与板形的关系．张尧武，曾卫东等 在不同温度和时间下对ＴＣ１８钛合金进行真空去应 力退火处理，研究ＴＣ１８钛合金真空去应力退火前 后力学性能及残余应力的变化规律，观察去应力退 火后的金相组织和拉伸断口形貌得到ＴＣ１８钛合金 的真空去应力退火制度．张争艳，白仁义等 以未 进行退火处理试件进行对比，研究了３种不同退火 温度对ＨＴ２５０焊接残余应力的影响，并检测了试件 的焊接残余应力，对不同退火温度下焊接残余应力 曲线进行分析，得到了最佳退火温度．但关于低温 退火温度对３０４不锈钢极薄带材的残余应力分布和 力学性能影响的研究很少．基于此，为了得到不同 退火温度对３０４高精度不锈钢带材的残余应力和力 学性能的影响，制定了相应试验方案．并对残余应 力和力学性能进行了测定，得到了退火温度对残余 应力和力学性能的影响规律．为提高３０４不锈钢带 材性能提供了试验数据． １ 试验材料及方法 １．１ 试验材料 试验材料选择变形率为５０％，厚度为０．５ ｉＴｌｍ 的３０４不锈钢带，切成规格３０８ ｍｍ×１５０ ｍｍ的长 方形薄带，化学成分见表１． 表１ ３０４不锈钢化学成分（质量分数，％） Ｔａｂｌｅ １ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｉｔｏｎ ｏｆ ３０４ ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ Ｃ Ｓｉ Ｍｎ Ｐ Ｓ Ｃｒ Ｎｉ Ｃｕ Ｍｏ ０ ０５３ ０ ５４７ １ ４９８ ０ ０３０ ０ ００２】７ ０１６ ８ ００６ ０．４９９ ０ ０８３ １．２试验方法 热处理设备采用低温连续热张力退火炉，退火 炉能够实现张力控制，可以更好的控制退火后带材 的力学性能和残余应力分布．为了深入研究退火温 度对带材力学性能和残余应力分布的影响，制定了 如表２所示的退火工艺参数．将退火后的３０４不锈 钢试样在Ｚｗｉｅｋ ０５０电子拉伸试验机上进行拉伸试 验，测定其屈服强度、抗拉强度．试验仪器如图１所 示，采用ＴＣ—ＨＩ型应力测量仪进行残余应力检测． 图ｌ Ｚｗｉｃｋ ０５０电子拉伸试验机 Ｆｉｇ．１ Ｚｗｉｃｋ ０５０ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｔｅｎｓｉｌｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ 表２退火工艺参数 Ｔａｂｌｅ ２ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ２ 退火温度对力学性能影响分析 由图２可知，随着退火温度的逐渐升高，材料的 屈服强度和抗拉强度均是先升高后下降，其中，２ 试 样（退火温度５００ ｃＣ）的屈服强度和抗拉强度最大． 当退火温度在４５０～５００℃范围时，屈服强度和抗拉 强度随着退火温度的升高而增加．这是因为退火温 度升高，原子活动能力变强，溶质原子发生偏聚．当 退火温度在５００～６００ ｃＩ＝时，屈服强度和抗拉强度随 着退火温度的升高而减小．因为退火后带材内部微 观组织回复，消除了晶体内部的各种缺陷 ． ￡ ￡ 委 瓤 疆 囊 套｛ 警 嚣 誉 图２退火温度对强度的影响 Ｆｉｇ．２ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｎ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ １７６ 内蒙古科技大学学报 ２０１５年６月第３４卷第２期 ３退火温度对残余应力影响分析 ３．１ 残余应力产生及作用机理 残余应力是在无外力作用时，以平衡状态存在 于材料内部的应力．残余应力产生的根本原因是物 体内部产生不均匀的弹塑性形变．试验所用的高精 度３０４不锈钢内部产生残余应力主要由于各种工艺 参数和一些其它因素引起钢带各向受力不均，从而 使带钢产生纵向或横向金属流动不均匀．这种不均 匀的塑性变形，必然导致钢带内在残余应力的不均 匀分布 ｊ． ３．２盲孔法测残余应力的原理 盲孔法测量残余应力是一种广泛应用并且成熟 可靠的测试方法，其基本原理是在具有残余应力的 试样上打一小孔，破坏原来已经平衡的应力场，使孔 的邻域内由于部分应力释放．从而产生相应的应 变，读出这些应变，经换算可得Ａ，ＴＬ处原有的应力． ＋ＴＬ处的应变值采用特制三轴箔式应变片来测量． 应变花中心由钻孑Ｌ标记，粘贴在待测试样表面的标 记点处，使用专用高速精密台钻在试样中心打一小 孑Ｌ，钻头直径为１．５ ｍｍ，孑Ｌ深一般为１．２倍孑Ｌ径 ｊ． 本文钢带厚度为０．５ Ｆｉｌｍ，小于１．２倍孔径，所以在 测量残余应力时需要钻头钻透钢带．由于试验用的 应力测量仪灵敏度很高，防止钻透的一瞬间钻头对 试样的冲击太大，将钻头钻入深度设定在０．５ ｍｍ， 保证测量值的精确度． 盲孔应力释放法的优点是应变测量的精度与灵 敏度都比较高，缺点是被测材料必将受到不同程度 的破坏，导致其实际在某些场合的应用受到． 试样用的三轴电阻应变片如图３所示．通过式 （１），（２）即可计算工件在孔深范围内的平均残余应 力主值仃 及 的大小和方向角０． １．２ —（ １＋ ３） 一 ± （ ３一 １） ＋（２ ２一 Ｉ—ｓ３） （１） ２ ２一 １一 ３ ｔａｎ２０＝＝ （２） 占３一占１ 式（１），（２）中： ， ，占 为应变片３个方向释放的 应变； 和 ：分别为残余应力最大、最小主应力， ＭＰａ；０为ｏｒ 与 。方向的夹角； ，Ｂ为释放系数． 毛［ ］ Ｐｌ ， ， ｔｌ ｌ 图３盲孔法用三轴电阻应变片 Ｆｉｇ．３ Ｔｒｉａｘｉａｌ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｓｔｒａｉｎ ｇａｕｇｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｂｌｉｎｄ ｈｏｌｅ ｍｅｔｈｏｄ 由于主应力的方向并非总是与轧制方向一致， 通常将主应力换算成垂直于轧制方向的残余应力 （横向应力） 和平行于轧制方向的残余应力（纵 向应力）盯 ［９１．换算关系式为： Ｏ＂ｘ ． ，ｙ ： — ＋ ＋— 厂一 。 。 ２００ （３）ｊ ３．３ 退火温度对残余应力的影响 试验所用试样的板形如图４所示，沿板宽方向 取７个测试点，靠近边部的两个点，距离边部各为 ３４ ｍｌＴｌ，其余５个点均匀分布，测试位置如图５．试 验设备采用的ＴＣ一１１Ｉ型应力测量仪如图６所示，打 通之后，通过应力测量仪读出应变数据． 通过应变值利用以上（１），（２），（３）式计算出横 向和纵向应力值，沿板宽方向做出横向和纵向残余 应力分布曲线，如图７所示． 由图７可知，１ 试样边部残余应力波动比较大， 中部较小；２ 试样整体分布比较均匀并且数值较小， ３ 试样带头出现拉应力和压应力，中部分布比较均 匀；４ 试样中部为拉应力，边部为压应力，波动比较 大．带钢不仅存在横向残余应力，而且存在纵向残 余应力，并且这４个试样的横向和纵向应力变化趋 势一致．内部应力沿着带宽方向呈现不规则的变化 趋势，说明带钢不仅存在轧向金属流动不均匀，而且 也存在横向流动不均匀．残余应力多数为压应力， 说明带钢的局部延伸比较大．由于轧制过程中轧辊 发生挠曲变形，边部延伸较中部延伸大，边部发生塑 性变形的不均匀程度较中部大，因此边部的残余应 力比较大．２ 试样横向和纵向残余应力值最小，试 样应力分布最均匀，并且边部应力分布也比较好． 说明在５００℃退火温度下，施加９ ｋｇｆ／ｍｍ 的张力 时，可以使退火后的３０４不锈钢带的内部残余应力 变小，并且分布相对均匀． ｌ７８ 内蒙古科技大学学报 ５ ４ ３ ２ ｌ 之０ ４ ２０１５年６月 第３４卷第２期 ∞∞∞∞∞Ｏ∞∞∞∞∞ 由图８，９可知，在９ ｋｇ￡／ｌｎｍ 的退火张力时，采 用不同的退火温度，导致退火过程中各试样沿带宽 ４ 结论 （１）当退火张力在９ ｋｇ￡／ｍｍ 时，随着退火温度 的升高，屈服强度和抗拉强度先升高后下降，当退火 方向的变形程度不同，因而各试样横向和纵向残余 应力分布沿带宽方向的变化幅度有所不同．２ 试样 各测量点的横向和纵向残余应力绝对值都小于其它 ３个试样，因此２ 试样的板形较好．退火温度对材 温度在５００℃时，可以使钢带的屈服强度和抗拉强 度取得最大值． 料内部残余应力的影响是显著的，适当调节退火温 （２）带钢表面的横向和纵向应力变化趋势一 致，残余应力沿着带宽方向呈现不规则的变化趋势； 度可以提高钢带的残余应力分布均匀程度，进而改 善板形． 嚣 霎 型 图８横向应力沿带宽变化情况 Ｆｉｇ．８ Ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｓｔｒｅｓｓ ｗｉｔｈ ｔｅｎｓｉｏｎ 图９纵向应力沿带宽变化情况 Ｆｉｇ．９ Ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｏｎｇｉ【ｔｕｄｉｎａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｗｉｔｈ ｔｅｎｓｉｏｎ 在５００ 退火温度下，施加９ ｋｇ￡／ｍｍ 的张力时，可 以使退火后的３０４不锈钢带的内部残余应力最小， 并且分布相对均匀． （３）退火温度对材料力学性能及残余应力的影 响比较显著，适当调节退火温度可以改善钢带的力 学性能及残余应力分布，进而改善板形． 参考文献： ［１］李登超．不锈钢板带材生产技术［Ｍ］．北京：化学工业 出版社，２００８． ［２］杜秀丽，肖湘，李捷．冷轧带钢残余应力的试验研 究［Ｊ］．机械工程与自动化，２０１ １，（４）：９７—１０１． ［３］张雅琴，张Ｕ＼Ｗ－－，郭会光，等．冷轧带钢残余应力及其 对板形影响的研究［Ｊ］．塑性工程学报，２００９，１６（５）： ７５＿７８． ［４］张尧武，曾卫东，史春玲，等．真空去应力退火对ＴＣ１８ 钛合金残余应力及组织性能的影响［Ｊ］．中国有色金 属学报，２０１１，２ｌ（１１）：２７８０－２７８５． ［５］张争艳，白仁义，冯敏．退火温度对ＨＴ２５０焊接残余 应力的影响［Ｊ］．热加工工艺，２００７，３６（１９）：４５４６． Ｅ６］宫美娜，麻永林，壬文君，等．轧制及退火工艺对３０１Ｂ 不锈弹簧钢力学性能影响分析ｆＪ］．内蒙古科技大学 学报，２０１４，３３（２）：１７１—１７４． ［７］宋天民．焊接残余应力的产生与消除［Ｍ］．北京：中国 石化出版社，２０１０． ［８］方立新，邢淑清，麻永林，等．Ｑ３９０钢多层多道焊接接头 残余应力试验分析［Ｊ］．焊接技术，２０１２，４１（９）：１０—１３． ［９］陈重毅，麻永林，邢淑清，等．焊接热输入对特厚板 ２０ＭｎＮｉＭｏ焊接残余应力的影响［Ｊ］．材料热处理学 报，２０１３，３４（１）：７６—８０．
