轧件中心区应变场研究与实验结果分析

轧件的XY截面为横截面，该截面内金属沿轴向流动受阻，产生非圆，应力应变较大。轧辊对轧件的作用力在Y方向，沿油线方向为Z向，在纵截面内，金属受轧辊凸棱的直接作用，变形量较大，同时轧辊凸棱还在轴向给轧件很大的摩擦作用，使金属轴向流动受阻。研究和实验结果表明，疏松通常产生在轧件的中心轴线附近。因此确定轴截面YZ和中间横截面XY为典型平面。

轧辊在旋转过程中的不同时间点对应着轧件的不同应力应变状态，轧件内部不同位置的应力应变也不同。

限于篇幅，这里选取断面收缩率Z为50%、轧件坯料d₀为40mm、被轧长度L₁为40mm、轧辊成形角θ为360°工况的一些典型时期和截面进行研究。

1.横截面的应变分布

轧制中期轧辊转动180°时，轧件横截面上的应变分布，如图6-3-6所示。

从图6-3-6可以看出，在轧件横截面上产生很不均匀的应变场ε_x、ε_y、ε_z，但存在基本趋势与规律，即横向应变ε_x与纵向应变ε_y主要是压缩应变，轴向应变ε_z主要是拉伸应变，再叠加上轧辊作用产生的应变。

图6-3-6a为横截面上横向应变ε_x的分布。其特点是整个截面上基本上是压缩应变，但分布很不均匀，最大值为-0.26发生在偏向入口方向的附近，如图6-3-6a中A、B处。最小值为-0.047发生在与轧辊接触部位下面，如图6-3-6a中E处。可以认为在横截面直径方向被均匀压缩，再加上轧辊作用产生的拉伸与压缩叠加综合的结果。

图6-3-6b为横截面上纵向应变ε_y的分布。其特点是整个截面上基本上是压缩应变，但分布很不均匀的。不同的是：纵向应变ε_y与横向应变ε_x的大小位置正好相反，最大值-0.28发生在与轧辊接触部位下面，如图6-3-6b中的A、B处，而最小值为-0.025，发生在偏向入口方向的附近，如图6-3-6b的F处。

图6-3-6c为横截面上轴向应变ε_z的分布。其特点是整个横截面上都是拉伸应变，分布较均匀。最大值发生在中心，其值为0.318。

从反映应变强度的等效应变ε看，如图6-3-6d所示，整个等效应变在横截面分布均匀，圆周的外层值相对较大，越往中心相对减小，其差值不大。说明斜轧轧件的变形强度是外层逐步向中心渗透的一个过程，这是斜轧轧件变形重要特征之一。

从图6-3-6可以看出在横截面上变形主要为二向压缩（Y向与X向），一向拉伸（Z向）。

2.纵截面的应变分布

轧制中期轧辊转动180°时，轧件纵截面上的应变分布，如图6-3-7所示。

图6-3-7为纵截面上横向应变ε_x的分布。在轧制区域为压缩应变，最大值-0.14，发生在轧件心部，如图6-3-7a中的A处，而最小值为-0.047，发生在与轧辊接触部位下，如图6-3-7a的E处。ε_x在变形区内由表面向心部逐渐变大。

图6-3-6 轧辊转动180°轧件横截面上的应变场

Z=50% d₀=40mm L₁=40mm θ=360° a）横向应变ε_x b）纵向应变ε_y c）轴向应变ε_z d）等效应变

图6-3-7b为纵截面上纵向应变ε_y的分布。在轧制区域的纵向应变ε_y与横向应变ε_x的分布与大小基本相近。不同的是：纵向应变ε_y与横向应变ε_x的大小位置正好相反，最大值-0.25发生在与轧辊接触部位下面，如图6-3-7b中的A处，而最小值为-0.178，发生中心部位，如图6-3-7b的C处。

图6-3-7c为纵截面上轴向应变ε_z的分布。在与轧制区域为均匀的拉伸应变，其值为+0.3，沿轴线由轧制区中心向轧件两端逐步减小到-0.086。这表明轧件心部金属发生比较稳定的轴向流动。

图6-3-7d是纵截面上的等效应变分布，在与轧辊接触区域的等效应变分布非常均匀，为0.47，等效应变值沿轴线由中心往轧件两端部逐渐从0.47变为0.04。

3.横截面上的等效应变特征

等效应变是反映变形强弱的指标，轧件中心横截面在变形过程中，不同时刻其等效应变的强弱是不同的。图6-3-8所示为中心横截面在不同时刻的等效应变的分布。(www.xing528.com)

1）轧制过程是一个连续小变形过程，在变形初期当轧辊转动到3°时，轧辊凸棱刚咬入轧件，等效应变主要集中在轧件的表层轧辊接触处（见图6-3-8a），表现为最大应变可以达到0.077，而内部应变为0。随着轧辊的转动轧制过程的进行，等效应变不断由外层渗入到心部（见图6-3-8b、c、d、e、f、g、h），同时，由轧辊接触处逐渐扩展到整个外轮廓区域，等效应变在表层和内部的差值相对变小，在截面外轮廓区域上等值线更密，更加均匀。

2）当轧辊转动到180°后（见图6-3-8c），截面上的等效应变场的分布状态基本上不再变化，等效应变差值基本上不再变化，这说明整个轧制区域变形稳定。只是等效应变随着轧辊的转动，凸棱的不断升高，其值不断增加，一直增加到1.319。

3）横截面逐渐变为非圆截面，接触区沿轧辊前进方向的轧件表面产生了凸起，表明进入塑性后在轴向金属塑性流动有困难，多余金属形成非圆体积。

4.纵截面上的等效应变特征

图6-3-9所示是轧件中心垂直纵截面YZ面在轧制过程中，不同时刻的等效应变分布。

图6-3-7 轧辊转动180°轧件纵截面上的应变场

Z=50% d₀=40mm L₁=40mm θ=360° a）横向应变ε_x b）纵向应变ε_y c）轴向应变ε_z d）等效应变

图6-3-8 轧件横截面上不同时刻的等效应变场

Z=50% d₀=40mm L₁=40mm θ=360° a）轧辊转动3° b）轧辊转动9.5° c）轧辊转动47° d）轧辊转动94.5° e）轧辊转动132° f）轧辊转动180° g）轧辊转动252° h）轧辊转动360°

图6-3-9 轧件纵截面上不同时刻的等效应变场

Z=50% d₀=40mm L₁=40mm θ=360° a）轧辊转动3° b）轧辊转动9.5° c）轧辊转动47° d）轧辊转动94.5° e）轧辊转动132°

图6-3-9 轧件纵截面上不同时刻的等效应变场（续）

Z=50% d₀=40mm L₁=40mm θ=360° f）轧辊转动180° g）轧辊转动252° h）轧辊转动360°

1）当轧辊转动到3°时，纵截面上的等效应变主要发生在外层，轧辊接触处，并向轧件中心方向减小中心值为0（见图6-3-9a）。随着轧辊的转动轧制过程的进行，等效应变不断由外层渗入到心部，等效应变（见图6-3-9b、c、d、e、f、g、h）在表层和内部的差值相对变小，这说明整个变形区域更加均匀，表层金属和内部金属轴向流动相差较小。

2）当轧辊转动到94.5°后（见图6-3-9c），截面上的等效应变场的分布状态基本上不再变化，只是随着轧辊的转动，凸棱的不断升高，等效应变的值不断增加，即从0.36增加到1.298。

3）在变形初期，在轧件纵截面上产生很不均匀的应变场，等效应变主要发生在外层，造成表层和心部的金属的流动速率不同，表层金属流动较快而内部金属流动较慢，表现为在轧件端部形成漏斗形凹陷。