热轧高速钢复合轧辊热力耦合行为分析及疲劳寿命预测

论文概要

本研究针对热轧高速钢复合工作辊在周期性热载荷下的热疲劳失效问题，构建了弹塑性有限元模型，系统分析了工作辊的温度场与热应力场演化规律，探讨了工作辊初始温度、带钢轧制温度及轧制速度三组关键参数的影响机制，并采用考虑多轴应力效应的Manson-Coffin应变-寿命公式预测热疲劳裂纹萌生寿命。结果表明：模型可准确预测温度与应力分布；轧制参数对热力耦合行为具有显著调控作用；疲劳寿命预测值Nf=8874次循环，与文献实验值趋势一致。

知识结构

1. 研究背景与问题

热轧工作辊表面周期性经历高温（500-650℃）与冷却（30-60℃）循环，产生交变热应力-应变，积累导致热疲劳裂纹。90%的轧辊失效源于此类热疲劳。准确评估热力耦合行为及寿命是高速钢复合轧辊设计的关键问题。

2. 有限元模型建立

• 材料特性：考虑高速钢与球墨铸铁的温度相关性（20-600℃），通过实验获取弹性模量、泊松比、热膨胀系数、热导率及比热容等参数，定义塑性阶段应力-应变曲线（图1）。
• 几何与边界：采用二维简化模型，分为中央截面模型（分析温度场）和轴向截面模型（分析应力场）。热边界条件包括接触传热、水冷、空冷等区域（图2），传热系数由轧制参数计算。
• 求解方法：基于MSC.Marc软件，使用四节点平面应变单元，通过可传热刚体层实现旋转传热边界，采用改进全牛顿-拉夫逊法进行非线性热力耦合分析。网格加密于表面区域，最小单元6.7mm×0.4mm，经网格敏感性验证保证精度。

3. 温度场与热应力场演化

• 温度场：首块带钢轧制经10圈达到稳态，表面峰值温度596℃，最低60℃。轧制间隙表面冷却快于次表层；后续循环模式相似（图4）。热渗透深度随轧制进程增大，第4次间隙结束时深度达145mm（35℃）。
• 热应力场：表面最大压应力在温度稳定前持续累积，稳定后因材料高温软化小幅下降，同时拉应力略有上升。轧制间隙因表面-次表层温度梯度反转，表面出现显著拉应力（图4、图6）。首次循环滞后环呈非线性（黏塑性），后续循环硬化使塑性应变递减（图5）。

4. 轧制参数影响机制

• 工作辊初始温度：初始温度升高（30→200℃），表面峰值温度上升但稳定后差异小；最大压应力显著降低（-1179→-830MPa），最大拉应力明显增大（138→616MPa）（图8、图9）。
• 带钢初始温度：带钢温度从950℃升至1100℃，工作辊峰值温度上升（463→724℃），压应力与拉应力均显著增大（图10）。
• 轧制速度：速度从1m/s增至3m/s，稳定温度降低（632→445℃），压应力与拉应力减小；高速轧制（3m/s）时压应力降至屈服强度以下，拉应力趋近于零（图11）。

5. 疲劳寿命预测

• 方法：基于有限元获得的等效总应变（图12），采用考虑多轴应力效应的Manson-Coffin公式（式3），通过不同估算方法（四点关联法、通用斜率法等）获取疲劳参数，预测裂纹萌生寿命。
• 结果：平均预测寿命Nf=8874次循环（表3），略高于文献双圆盘试验结果（6280次），差异源于实验室条件简化及未考虑磨损、氧化等表面劣化机制。

6. 主要结论

1. 首块带钢轧制后温度场10圈达稳态，冷却间隙可有效恢复表面温度。
2. 热应力演化呈现先累积后小幅松弛，间隙期表面出现显著拉应力。
3. 工作辊及带钢初始温度升高使峰值温度和应力增大，轧制速度升高则反之。
4. 多轴应变-寿命法预测疲劳寿命Nf=8874次，模型可靠。

引用信息

• 标题：热轧高速钢复合轧辊热力耦合行为分析及疲劳寿命预测
• 作者：胡可军，石庆贺，朱福先
• 期刊：热加工工艺，DOI: 10.14158/j.cnki.1001-3814.25011037
• 网络首发时间：2026-06-12，网络首发地址：https://link.cnki.net/urlid/61.1133.TG.20260612.1101.002

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