[发明专利]一种轧辊表面等离子熔覆钴基合金残余应力计算方法

说明书

本发明公开了一种轧辊表面等离子熔覆钴基合金残余应力计算方法，该方法包括对等离子熔覆钴基合金单层或多层焊层的残余应力计算方法和残余应力分布推导，并且所述方法包括建立残余应力解析模型，根据圆筒构件几何尺寸和材料的基本属性，直接算出残余应力的大小和分布，计算结果直观可靠。本发明提供的计算方法不仅仅适用于等离子熔覆钴基合金系统，还适用于根据其他金属材料的基本属性及其熔覆以及其他熔覆方法的圆筒形构件的残余应力计算。

技术领域

本发明属于圆筒形构件表面熔覆残余应力的计算，具体涉及一种轧辊表面等离子熔覆钴基合金残余应力计算方法。

背景技术

轧辊表面熔覆层中残余应力的研究，主要是通过实际测试熔覆层的应力分布和采用有限元技术模拟熔覆过程进行的。圆筒形表面熔覆(堆焊)残余应力主要有三个组成部分，首先为相变等引起的内应力、熔滴第一冷却过程导致的骤冷应力以及熔覆层与基体共同冷却导致热应力。这些应力的起源以及他们对涂层最终应力大小的贡献。熔覆层残余应力是导致熔覆层提前失效的一个关键因素，如熔覆层脱落，失去耐磨耐腐蚀性能等。大量研究表明：熔覆熔覆层残余应力是熔覆层开裂或剥落失效的驱动力。

高速线材轧辊属于热轧辊，当热轧工艺进行时，热轧辊工作表面的破坏主要是存在以下四点原因：

1、型钢轧辊或孔型表面与轧材接触产生的磨损。在轧制过程中，高温钢坯的表面很快被氧化，产生氧化皮。当钢坯通过轧辊时氧化皮被轧辊碾碎而脱落，成为对辊面产生严重磨损的磨料。轧辊或轧材表面层因塑性破裂而产生的金属屑，也成为磨损辊面的磨料。此外，轧制过程中轧材在轧辊的辊面中会产生相对于孔型表面的滑动，这种相对滑动也会对辊面产生磨损。

2、孔型表面交替地随着高温钢坯的加热和喷头的冷却，从而使辊面产生热疲劳破坏。

3、孔型表面由于周期性机械应力而发生损坏。热轧型钢轧辊孔型表面层在轧制时随着复杂而巨大的轧制应力，如轧制压力、轧制摩擦、轧制弯曲造成的辊面轴向拉应力和压应力，轧件咬入时的冲击力等，从而使轧辊表面处于复杂的应力-应变状态中。这些应力也同热应力一样，都是周期性增减和易向，造成辊面表层材料的硬化、疲劳和破裂。

4、在高温情况下轧辊表面易被空气和冷却水氧化、腐蚀，氧化和腐蚀不仅直接损坏辊面材料，而且会显著降低表层材料抗疲劳破坏的能力。疲劳裂纹又会使新露出的活性表面氧化和腐蚀。这样交变作用，加速了轧辊表面的损坏。

从以上原因可以看出，疲劳破坏是轧辊破坏的主要方式。以往研究表明，轧辊表面堆熔覆层(熔覆层)残余应力的存在严重影响轧辊的疲劳寿命，因此精确计算轧辊表面堆熔覆层残余应力的大小和分布，对提高轧辊寿命有着非常重要的意义。国内外已有许多材料工作者通过不同的手段测定出了熔覆的应力分布。但是不能够在现场进行计算，因此带来了较多的不便。

发明内容

发明目的：为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种轧辊表面等离子熔覆钴基合金残余应力计算方法，该计算方法直观、可靠、迅速的现场计算圆筒形表面熔覆残余应力计算方法，提高计算的实时性。

技术方案：一种轧辊表面等离子熔覆钴基合金残余应力计算方法，包括以下步骤：

(1)将圆筒形轧辊进行表面等离子熔覆后冷却至室温，然后进行切割取样，所切割的样本包括熔覆的熔覆层和圆筒形轧辊基体；

(2)依据力平衡和力矩平衡原理，以及界面应变协调条件，建立轧辊熔覆的残余应力解析模型；

(3)计算圆筒形轧辊基体和熔覆层的残余应力大小和分布，包括中间熔覆层和最后熔覆层的残余应力。

进一步的，步骤(1)所述的熔覆层为一层或者一层以上。

进一步的，步骤(2)所述的轧辊基体的残余应力和熔覆层的残余应力计算公式如下：