q235钢连铸板坯表面裂纹扩展模拟研究

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1、StudyonSimulationofSurfaceCracksGrowthforContinuousCastingQ235SlabAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheMaster’sDegreeofEngineeringByShenJialongSupervisedbyProf.ChenDengfuSpecialty:MetallurgicalEngineeringCollegeofMaterialsScienceandEngineeringo

2、fChongqingUniversity,Chongqing,ChinaMay,2013中文摘要摘要连铸技术发展至今，表面裂纹缺陷一直是阻碍铸坯质量提高的最大问题之一。轻微的表面裂纹需要对铸坯进行精整，严重的则会导致拉漏等生产事故的发生，影响了铸坯质量，降低了生产效率。正因为如此，许多冶金学者对铸坯裂纹的产生机理以及影响因素进行了一系列的理论研究与实际调研。但是，由于生产现场以及设备的限制，难以测量致使裂纹扩展的应力的大小，更加无法监测裂纹的动态扩展情况，使得对裂纹的扩展机理以及扩展行为认识不清，从而无法深入地研究铸坯表面裂纹在生产过程中的扩展过程。为了更加深入了解

3、连铸板坯表面裂纹的扩展方式，真实还原裂纹扩展的动态过程，对裂纹扩展实现定量分析，论文以某钢厂板坯连铸为研究对象，结合铸坯高温延性断裂韧度测试以及宏、细观数值模拟方法，研究表面裂纹在弯曲/矫直过程中的动态扩展情况。以此认清铸坯表面裂纹的扩展行为，为其的深入研究奠定基础，对连铸生产以及铸坯质量的提高起到指导性作用。论文主要工作总结如下：①基于断裂力学理论，采用弹塑性J积分准则作为裂纹扩展判据，以此建立实验室条件下Q235钢铸坯高温延性断裂韧度测试。选用扩展有限元法，即在有限元形函数中插入描述裂纹面的阶跃方程以及裂纹尖端的渐进位移函数来数值模拟铸坯弯曲/矫直过程中裂纹的扩

4、展行为，分析了不同位置的表面纵裂纹，横裂纹，以及与拉坯方向呈不同角度的斜裂纹扩展情况。另外，基于耦合内聚力模型，采用泰森多边形法建立铸坯多晶体模型，研究了细观尺度下晶界在外力作用下的脱离和剥落过程。②实验结果表明，随着温度的升高(800-1200℃)，Q235钢试样的塑性变形功不断减小，试样开裂直到断裂需要的载荷逐渐减小，断裂韧度也随着温度的升高而降低。通过对试样断口的宏观形貌观察，将断口分为四个特征区域，高温下可以看到比较明显的裂纹撕裂扩展区域。③宏观数值模拟结果表明，在弯曲/矫直结束后，单个的纵裂纹并没有发生大范围的扩展，只是裂纹面产生了变形或者微量的扩张；外弧

5、以及外弧角部的横裂纹在弯曲段时扩展比较明显，内弧以及内弧角部横裂纹则在矫直段时发生扩展现象，且都是沿着裂纹原有的方向进行延伸；小于45°的斜裂纹扩展方向与拉坯方向垂直，且扩展量较大，由于弯曲/矫直过程铸坯拉坯方向上应变较大，所以75°斜裂纹是沿着靠近拉坯的方向逐渐扩展，扩展量较小。④细观数值模拟结果表明，晶界的开裂路径与模型尺寸没有关系，主要取决于晶粒的取向、分布、外载荷的大小以及作用方式。随着外载荷的增大，晶界达I重庆大学硕士学位论文到临界值以及结晶开裂单元数目逐渐增多。弯曲段时，外弧处晶界开裂单元数目为13个，但是侧面以及内弧处则没有晶界单元开裂。在相同载荷作用

6、下，带有二相粒子的模型晶界开裂数大于无二相粒子的模型，且不同位置的二相粒子周围晶界都有不同程度的开裂情况。关键词：连铸坯，表面裂纹，裂纹扩展，扩展有限元，宏细观分析II英文摘要ABSTRACTSurfacecracksalwayshavebeenadifficultandstubbornobstaclethatimpairsslabqualityalongwiththedevelopmentofcontinuouscasting.Slabwithmildsurfacecracksneedstobefinishedwhileworsecracksmayleadtobr

7、eakout,whichreducesproductionefficiencyandslabquality.Thesearealsothemainreasonwhymanymetallurgicalresearchersfocusonmechanismofcrackformationandinfluencefactors.However,thelimitationofproductionfieldandequipmentmakeitdifficulttomeasuresurfacestressdistributionletalonemonitoringcrack