Wpływ relaksacji na poziom naprężeń własnych

Na podstawie wyników rozkładu naprężeń własnych na szerokości taśmy zamieszczonych na Rys. 7.4 i Rys. 7.7 oraz w Tabela 7.4 można stwierdzić, że wpływ wielkości promieniowej przewodności cieplnej kręgu, jak i samego procesu chłodzenia taśmy w kręgu na powietrzu, na rozkład naprężeń własnych jest większy dla wewnętrznych zwojów taśmy. Największe wartości naprężeń własnych zarówno na krawędziach, jak i w środkowym obszarze taśmy, otrzymano dla zwoju wewnętrznego. Znaczne różnice w poziomie naprężeń własnych pomiędzy zewnętrznymi i wewnętrzynimi zwojami taśmy wskazują, że proces chłodzenia kręgu na powietrzu istotnie wpływa na ich rozwój.

7.2 Wpływ relaksacji na poziom naprężeń własnych

W celu zbadania wpływu relaksacji naprężeń na wielkość naprężeń własnych, przeprowadzono symulacje numeryczne w dwóch wariantach (Tabela 7.5). W wariancie nr 1 uwzględniono zjawisko relaksacji naprężeń, natomiast w wariancie nr 2 jego wpływ został pominięty. Symulacje numeryczne przeprowadzono w oparciu o system wczesnego chłodzenia laminarnego (roz. 7.1, Tabela 7.2).

Tabela 7.5. Warianty symulacji numerycznych wpływu relaksacji naprężeń na poziom naprężeń własnych. Warianty symulacji Przemiany fazowe Relaksacja naprężeń

Wariant nr 1 + +

Wariant nr 2 + -

Na Rys. 7.8 przedstawiono rozkład naprężeń własnych na szerokości taśmy dla stali S235, dla przyjętych w niniejszym rozdziale wariantów symulacji. Zaprezentowane wyniki dla zwoju zewnętrznego (Rys. 7.8a) wskazują, że pominięcie relaksacji naprężeń nie ma znaczącego wpływu na uzyskany wynik. W przypadku zwoju wewnętrznego (Rys. 7.8b) zaobserwowano, że pominięcie relaksacji naprężeń istotnie wpływa na końcową wartość naprężeń własnych. Aby szczegółowo przeanalizować wpływ relaksacji na wielkość naprężeń własnych, sporządzono wykresy zmian naprężenia i temperatury w funkcji czasu dla punktów pomiarowych P1 – P4 (Rys. 7.9 – Rys. 7.11).

73

Rys. 7.8. Rozkład naprężeń własnych wzdłuż szerokości taśmy dla stali S235: a) dla zwoju zewnętrznego (Z1), b) dla zwoju wewnętrznego (Z2).

Rys. 7.9. Porównanie przebiegu zmian naprężenia w punktach pomiarowych (P1, P2) dla stali S235, dla zwoju zewnętrznego (Z1), dla wariantów nr 1 i 2.

Rys. 7.10. Porównanie przebiegu zmian naprężenia w punktach pomiarowych (P3, P4) dla stali S235, dla zwoju wewnętrznego (Z2), dla wariantów nr 1 i 2.

74

Rys. 7.11. Przebieg zmian temperatury w punktach pomiarowych (P1 – P4) dla stali S235.

Z analizy danych przedstawionych na Rys. 7.9 wynika, że dla punktu P1 przebieg zmian naprężenia w przypadku obu wariantów symulacji jest jednakowy. Taki wynik wskazuje na brak wpływu relaksacji na końcową wartość naprężeń własnych, który można wytłumaczyć bardzo niską wartością naprężenia w czasie do ok. 2000 s, a następnie niską temperaturą wynoszącą w początkowym etapie chłodzenia kręgu ok. 500°C (Rys. 7.11). W przypadku punktu P2 zaobserwowano niewielki wpływ relaksacji na wartość naprężenia, który uwidacznia się w czasie 250 s. Zajście procesu relaksacji naprężeń w zewnętrznym zwoju kręgu jest ograniczone szybkim spadkiem temperatury na skutek wymiany ciepła pomiędzy tym zwojem a otoczeniem. Zbyt krótki czas wytrzymania zwoju zewnętrznego taśmy w odpowiednio wysokiej temperaturze nie pozwala na zajście procesu relaksacji. W rezultacie rozkład naprężeń własnych na szerokości taśmy przy uwzględnianiu i nie uwzględnianiu relaksacji naprężeń jest niemal identyczny (Rys. 7.8a). Niewielkie różnice można jedynie zaobserwować na krawędziach taśmy.

Z analizy danych przedstawionych na Rys. 7.10 wynika, że wpływ relaksacji na wartość naprężenia w punktach P3 i P4 (zwój wewnętrzny) uwidacznia się w różnym czasie. Jest to związane z wielkością naprężenia oraz temperatury. Dla punktu P3 wartości naprężenia do ok. 3000 s są stosunkowo niskie, co powoduje, że udział relaksacji naprężeń w tym zakresie czasowym jest bardzo mały. W czasie 3000 – 10000 s naprężenie powoli wzrasta, co przy temperaturze ok. 600°C skutkuje wzrostem udziału relaksacji naprężeń. Dla punktu P4 relaksacja naprężeń uwidacznia się w czasie ok. 250 s przy wartości naprężenia -69 MPa i temperaturze 640°C. Pominięcie relaksacji naprężeń w wariancie nr 2 skutkuje dalszym wzrostem ściskających naprężeń na krawędziach z -69 MPa do ok. -83 MPa. W początkowym etapie chłodzenia kręgu na powietrzu zwiększa się gradient temperatury na szerokości taśmy,

75

powodując zmianę naprężeń na krawędziach (P4) ze ściskających na rozciągające. Pominięcie relaksacji naprężeń skutkuje tym, że po zmianie ich znaku rozciągające naprężenia osiągają wartość o ok. 30 MPa mniejszą niż w wariancie nr 1 (czas ok. 5000 s). W dalszej fazie chłodzenia kręgu, w wyniku odciążenia które zachodzi na skutek wyrównywania temperatury pomiędzy krawędziami a środkowym obszarem zwoju taśmy, następuje zmiana naprężeń z rozciągających na ściskające na krawędziach i ściskających na rozciągające w środkowym obszarze taśmy. Końcowa wartość naprężeń własnych zależy od osiągniętych wartości naprężenia przed rozpoczęciem procesu odciążenia. Dla wariantu nr 1 wartość naprężenia na krawędziach przed odciążeniem była większa niż w wariancie nr 2, co skutkuje mniejszą wartością naprężeń własnych po odciążeniu o ok. 67 MPa. Dla środkowego obszaru zwoju taśmy różnica ta wynosi ok. 23 MPa. Zatem pominięcie zjawiska relaksacji prowadzi do niedoszacowania naprężeń na krawędziach oraz do ich przeszacowania w środkowej części zwoju taśmy.

Analogiczne wykresy sporządzono dla stali S355. Na Rys. 7.12 przedstawiono rozkład naprężeń własnych na szerokości taśmy, natomiast na Rys. 7.13 – Rys. 7.15 przebieg zmian naprężenia i temperatury dla przyjętych punktów kontrolnych. Jak wynika z danych przedstawionych na tych wykresach, charakter zmian naprężenia w punktach kontrolnych P1 – P4 na skutek relaksacji naprężeń jest bardzo podobny do tego, który otrzymano dla stali S235. Dla zwoju zewnętrznego zarejestrowano wpływ relaksacji naprężeń na końcową wartość naprężeń własnych, zarówno w punkcie kontrolnym P2, jak i P1 (Rys. 7.13). Jednakże wpływ ten jest stosunkowo niewielki, co skutkuje tym, że rozkłady naprężeń własnych na szerokości taśmy dla obu wariantów symulacji są do siebie bardzo

Rys. 7.12. Rozkład naprężeń własnych wzdłuż szerokości taśmy dla stali S355: a) dla zwoju zewnętrznego (Z1), b) dla zwoju wewnętrznego (Z2).

76

Rys. 7.13. Porównanie przebiegu zmian naprężenia w punktach pomiarowych (P1, P2) dla stali S355, dla zwoju zewnętrznego (Z1), dla wariantów nr 1 i 2.

Rys. 7.14. Porównanie przebiegu zmian naprężenia w punktach pomiarowych (P3, P4) dla stali S355, dla zwoju wewnętrznego (Z2), dla wariantów nr 1 i 2.

77

zbliżone (Rys. 7.12a). W przypadku zwoju wewnętrznego największe różnice w wartościach naprężeń własnych zaobserwowano w środkowym obszarze zwoju taśmy (Rys. 7.12b). Dla wariantu nr 1 uzyskano ok. 100 MPa, natomiast dla wariantu nr 2 ok. 50 MPa.

Opierając się na wynikach zaprezentowanych w niniejszym podrozdziale można stwierdzić, że zjawisko relaksacji naprężeń istotnie wpływa na końcową wartość naprężeń