东大2000年博士轧制理论与实践试题

高精度板带轧制理论与实践东北大学2013年1月17日东北大学2002年攻读博士学位研究生“材料加工工程同等学力综合课（二）”试题1名词解释（20分）兰脆；塑性；脆性转变温度；变形织构；动态再结晶2简要回答下列问题（15分）1）何谓细晶强化？在轧钢生产时如何实现晶粒细化、提高钢材强韧性能？2）热加工道次间或热加工完成后会发生哪些软化过程？可采用何种方法来抑制这些软化？3）何谓变形抗力？它与抗拉强度、平均单位压力有何区别？3试比较动态再结晶与静态再结晶的区别（15分）4推导平辊轧制时的咬入条件（10分）5简述宽展的分类和宽展的组成（10分）6什么叫前滑？推导E.芬克前滑公式（10分）7简述卡尔曼微分方程的假设条件，写出卡尔曼微分方程式（10分）8板形的概念及其分类，影响板形的主要因素（10分）东北大学2000年攻读博士学研究生位轧制理论与实践试题共1页（以下各题，每题10分）1何谓AGC系统，试述你所了解的几种AGC系统的原理2热带轧机为何需要进行调宽？说明两种主要调宽方法的原理和优缺点。3何谓轧辊的热凸度？在一个轧程中热凸度的变化规律是什么？说明轧辊热凸度对轧制过程的影响。4说明冷轧平整工序的作用和目前的发展情况。5HSLA钢中厚板控制轧制和控制冷却需要控制的主要工艺参数是什么？为什么应当控制这些参数？6连铸的发展对轧制过程产生了什么影响？以实例说明。7何谓细晶强化？写出描述细晶强化的Hall-Petch关系式，并举例说明细晶强化原理的应用。8试述张力在冷连轧过程中的作用，并说明确定张力水平的原则。9就你所知，型材高精度轧制近年的主要进展是什么？应用前景如何？10谈谈你对短流程轧制技术发展的开发。注：此页复印，请用黑色墨水钢笔认真书写。轧制理论和实践思考题1.何谓AGC系统？试述你所了解的几种AGC系统的原理。答：实现厚度自动控制的系统称为AGC。反馈式厚度自动控制系统：板带从轧件中轧出之后，利用侧厚仪测出实际厚度h实，并与设定值h设相比较，得到厚度偏差h＝h设－h实，当二者数值相等时，厚度差运算器的输出为零，即h＝0。若实测厚度值与使得厚度值比较出现厚度偏差h时，便将该值反馈给厚度自动控制装置，变换为辊缝调节的控制信号，输出给执行机构，由压下电动机带动压下螺丝作相应的调节，以消除此厚度偏差。厚度计式厚度自动控制系统：厚度计式AGC的基本原理是以弹跳方程为基础。在轧制过程中，任何时刻的轧制力P和空载辊缝S0都可以检测到，因此，可以用弹跳方程h=S0+P/Km计算出如何时刻的实际轧出厚度h。2.热带轧机为何需要进行调宽？说明两种主要调宽方法的原理和优缺点。答：热轧带钢调宽的目的是为了协调连铸与精轧热轧产品宽度之间的关系。调宽方法有测压调宽和立辊调宽。测压调宽可以实现大压下，可以提高测压有效系数；立辊调宽边部比较平齐。3.说明影响热轧带钢板形的主要工艺和设备因素。答：轧件因素：来料的厚度和板凸度，轧件温度，轧件变形抗力；工艺因素：压下负荷分配，张力，轧辊热凸度，轧辊磨损；设备因素：轧辊直径，轧辊凸度等。4.试述张力在冷连轧过程中的作用，并说明确定张力水平的原则。答：在冷轧过程中施加张力可以降低轧制压力，减小电机负荷，防止带钢跑偏，同时还能对板形缺陷起到自动调节作用。设定张力时，单位张应力一般取(0.25~0.4)s。5.何谓轧辊的热凸度？在一个轧程中热凸度的变化规律是什么？说明轧辊热凸度对轧制过程的影响。答：轧辊受热不均而产生的凸度成为热凸度。在一个轧程中热凸度由初始过渡状态，到达稳定状态，停轧以后又恢复到冷状态。在实际轧制过程中，热凸度随时间而变化，同时还受轧制节奏影响，因此，控制轧辊热凸度对于板形控制而言是非常重要的调节手段之一。6.何谓自由程序轧制，实现自由程序轧制的要点是什么？答：在编制轧制计划时，取消轧制长度、宽度、厚度、配辊方面对轧制规程制定的限制，可以依据订货随意安排轧制计划的一种技术。要点：轧辊横移，轧制润滑，高耐磨轧辊，高精度厚度设定和控制，高精度板形控制技术。7.分析晶粒尺寸和形状对钢材性能的影响，并简述其原因。答：根据霍尔－佩奇公式，晶粒越细强度越高。晶粒尺寸越均匀，钢材性能的均匀性越好。饼型晶粒的冲压性能好，有利于滑移系统启动的晶粒织构取向能提高钢板的深冲性能。8.举例说明钢材的强化方式。答：相变强化，例如贝氏体钢利用相变强化，产生下贝氏体，使强度提高到700－800MPa。固溶强化，通过Mn，Si，P等合金元素固溶到钢中，提高强度，例如IF钢，利用P的固溶强化。细晶强化，可以提高强度，保持塑性、韧性，例如超级钢通过晶粒细化使Q235的晶粒尺寸达到5微米，屈服强度由235MPa提高到400MPa。位错强化，通过增加钢中的位错密度，提高强度。例如冷加工的硬化。9.列举金属材料几种短流程生产工艺，并指出其特点答1）铸轧带钢，将铸造和轧制融为一体，实现近终形生产2）薄板坯连铸连轧，省去了粗轧工序，适于生产薄规格带钢3）半固态加工，适于铝合金等零件的一次加工成形。10.连铸的发展对轧制过程产生了什么影响？以实例说明。答：连轧技术的发展推动了轧制技术的提升和轧制装备的改进。例如，CSP技术的使用，使得连铸直接轧制成为可能。二利用右图上做轧件的受力分析，并指出轧制过程的力学特点。答：轧件的受力分析如图所示。图中N为轧辊对轧件的正压力；T为轧件所受摩擦力；γ为中性角。对于上图的稳定轧制条件：xNTγ由于sincoscosxxxxNTNNTTNf(1)所以tantanfK(2)或者K(3)一般情况下，稳定轧制阶段2K，所以稳定轧制阶段的咬入条件为：22或式中：f—稳定轧制阶段的摩擦系数；—稳定轧制阶段的咬入角；β—稳定轧制阶段的摩擦角；K—合力作用点系数。在中性角处，轧辊线速度的水平分量与轧件速度相等；从轧件变形区入口到中性角处所对应的区域，轧辊线速度的水平分量小于轧件速度，称为后滑区；从中性角处到轧件变形区出口所对应的区域，轧辊线速度的水平分量大于轧件速度，称为前滑区。三分析信息技术的发展为轧制技术进步所带来的机遇和挑战。答：信息技术的发展为轧制技术进步提供了良好的条件：数据库等信息储存；数理统计、ANN、FUZZY、ES、GA等信息处理方法和高速、大容量的通讯手段。利用轧制过程中获得的信息，进行轧制过程的控制、轧制过程的优化，轧制过程的诊断等，进而提高产品质量、降低成本及提高产量等。四论述我国由钢铁生产大国向钢铁强国转变的几个关键问题。自由发挥—可从以下几个方面论述：1）依靠中国自己的技术力量推出先进实用的钢材生产技术2）国产钢材关键品种质量达到国际先进水平3）形成一支高水平的钢铁研究开发队伍，钢材生产领域的理论研究和技术开发走到国际前列4）由钢铁生产技术和高附加值产品的输入国变成输出国东北大学2002年攻读博士学位研究生“材料加工工程同等学力综合课（二）”答案1名词解释（20分）兰脆：钢在200～350℃范围内的脆性称为兰脆。塑性：是指金属在外力作用下，能稳定地发生永久变形而不破坏其完整性地能力。其大小与其化学成分、组织结构等因素有关，同时也受外在变形条件地影响。脆性转变温度：多数金属材料在变形过程中，随着变形温度地改变都有一个从韧性断裂到脆性断裂的转变温度，称此温度为脆性转变温度（Tc），在此温度以上是韧性断裂，在此温度以下是脆性断裂。变形织构：多晶体塑性变形时，由原来取向杂乱排列的晶粒变成各晶粒取向大体趋于一致的过程叫做“择优取向”，具有择优取向的晶体组织叫做“变形织构”。动态再结晶：在外力作用下、处于变形过程中发生的再结晶现象叫做动态再结晶。2简要回答下列问题（15分）1）根据Hall-Petch关系式120sykd，可知材料的屈服强度与晶粒直径平方根的倒数呈线性关系，多晶体的强度因其晶粒细化而提高的象限，称为细晶强化。通过控制轧制工艺参数及添加合金元素，使钢产生动态和静态再结晶来细化晶粒，进而提高钢材的强韧性能。2）道次间：回复；轧后：再结晶（静态）、亚动态再结晶。通过控制变形温度、变形程度和变形速度等工艺参数。3）是指金属自身抵抗塑性变形的力。金属的抗拉强度是金属的强度极限值，对于塑性不同的金属与合金，变形抗力与抗拉强度的值不完全一致。而平均单位压力是金属对变形工具的反作用力，它不仅与金属的变形抗力有关，还与金属的变形条件有关（如工具形状、表面状态、坯料形状等）。3试比较动态再结晶与静态再结晶的区别（15分）动态再结晶是在外力作用下、处于变形过程中发生的再结晶现象。而静态再结晶是指在塑性变形后所发生的再结晶现象。影响动态再结晶的因素基本相同，主要是变形温度、变形程度和变形速度的作用。动态再结晶的能力与堆垛层错能及晶界移动的难易有关。对于回复能力较弱的低层错能金属，则容易发生静态再结晶。4推导平辊轧制时的咬入条件（10分）在没有附加外力作用的条件下，为实现自然咬入，必须是咬入力xT大于咬入阻力xN。而coscosxTTfN，sinxNN，当xxNT时，sincosNfN即tanf所以此时可以自然咬入，即当摩擦角大于咬入角时才能开始自然咬入。5简述宽展的分类和宽展的组成（10分）宽展分类：根据金属沿横向流动的自由程度，宽展可分为：自由宽展、限制宽展和强制宽展。宽展组成：宽展一般由滑动宽展、翻平宽展和鼓形宽展组成。6什么叫前滑？推导E.芬克前滑公式（10分）在轧制过程中，轧件的出口速度hv大于轧辊在该处的线速度v的现象称为前滑。100%hhvvSv根据秒流量不变定律，hvhvh或hhvvh而cosvv；1coshhD所以，1coscoscoshhDhvvhh由前滑定义得到：1hhvSv所以，cos1coscoscos1cos1hhDDhShh9简述卡尔曼微分方程的假设条件，写出卡尔曼微分方程式（10分）卡尔曼微分方程的假设条件1）变形区内沿轧件横断面高度上的各点的金属流动速度、应力及变形均匀分布；2）在接触弧上摩擦系数为常数；3）当宽厚比很大时，宽展很小，可以忽略；4）忽略轧辊压扁及轧件弹性变形的影响；5）沿接触弧上的整个宽度上的单位压力相同，故以单位宽度为研究对象；6）沿接触弧上，金属的自然强度1.155sK值不变化；7）轧制过程的主应力123，且131.155sK0xxdptKdydxydxy10板形的概念及其分类，影响板形的主要因素（10分）板形是指板带材的翘曲度，其实质是指板带材内部的残余应力分布。只要板带中存在残余应力，就称为板形不良。如果这个残余应力虽然存在，但不足以引起板带翘曲，则称为“潜在”的板形不良；如果这个应力足够大，足以引起板带失稳而生产翘曲，则称为“表观”的板形不良。可分为单边浪、双边浪、中浪和复合浪等。影响板形的因素1）辊系的弹性变形；2）轧辊的热变形；3）轧辊磨损；4）来料；5）金属横向流动和张力。东北大学2003年攻读博士学位研究生“刚塑性有限元及其在轧制中的应用”试题一何为理想刚塑性材料模型？采用这种材料进行FEM求解有那些优点？应该注意什么问题？(20分)二概述刚塑性有限元的求解途径及基本思想。(20分)三利用平面变形几何方程和形函数推导2维等参单元的B矩阵。(20分)四根据单元塑性变形功率eVePdVm11及变形抗力模型mna，推导3维变形八节点六面体等参单元塑性变形功率的一阶偏导数和二阶偏导数。(20分)等效应变速度写成矩阵形式：eTTeTeTeTvBCCBvgvBZBv}]{[]][[][}{1}]{][[][}{式中：B为单元应变矩阵矩阵；ev}{单元节点速度列阵；B为单元平均应变矩阵；Z、C为常数矩阵。五何谓第一类奇异点？奇异性的表现是什么？以2维轧制过程为例，说明图所示网格划分方式应该采用的处理方法。(20分)ABCDyx图2维轧制过程网格划分东北大学2003年攻读博