通过残余应力测试方法优化冷拔钢管加工工艺

冷拔钢管在冷拔加工过程中会产生残余应力，而这些残余应力是有害的，尤其是残余拉应力，是金属产生应力腐蚀和裂纹的根源。此外，带有不均匀残余应力的产品在放置和使用过程中会缓慢改变自身尺寸，同时也对产生的机械性能有影响。

本文就是采用盲孔法测量冷拔钢管表面残余应力值，分析冷拔钢管各工序表面残余应力的分布规律，根据残余应力测试结果，优化冷拔加工工艺。

盲孔法测试方案及仪器

试样为冷拔加工后的钢管，根据等径冷拔原理，冷拔钢管表面与心部变形量不同，表面变形大于心部，符合盲孔法测量的要求。盲孔法测量一般只能得到表面1-2mm深度的应力值。

采用聚航科技生产的JHMK残余应力测量系统，是由JHHY静态应变仪和JHMK钻孔装置组成。

45钢冷拔钢管残余应力测试方法

45钢冷拔钢管冷拔加工工艺过程

45钢冷拔钢管原材料尺寸：外径186mm，内径158mm，壁厚14mm。第一道次冷拔后钢管尺寸：外径184mm，内径159mm，壁厚12.5mm。第二道次冷拔后钢管尺寸：外径182mm，内径160mm，壁厚11mm。

45钢冷拔钢管冷拔工艺路线为：原始热轧坯料——790℃退火——第一道次冷拔——第二道次冷拔——去应力退火1h或去应力退火2h。

按工艺顺序对试样进行编号，分别为1-6。每次试验取两组试样，逐一测量试样的表面残余应力。

残余应力测试结果分析

σ₁与轴向的θ夹角在粘贴应变花时是未知的，因此不能直接测出轴向的残余应力，σ₂与σ₁的方向垂直，周向残余应力也不能直接测出来。通过分析θ可以得到主应力的方向。当θ正好为90°，σ₁就是周向的残余应力，σ₂就是轴向的残余应力。从残余应力测试结果看，第一道次冷拔后，θ接近90°（67.7°、87.7°），可以粗略认为σ₁=-55.2MPa就是周向残余应力（压应力）；σ₂=-159.7MPa就是轴向残余应力（压应力）。

第二道次冷拔后的θ为150°左右，σ₂与σ₁的方向与轴向、周向相差很大。分析σ₁与σ₂在水平与垂直方向的分矢量可以反应出轴向、周向的应力值。

第二道次冷拔后，σ₁为负数，夹角θ约为150°，σ₁在-90°、180°方向的分矢量为σ_1x、σ_1y；σ₂也为负数，与σ₁方向的夹角为90°，σ₂在0°、-90°方向的分矢量为σ_2x、σ_2y。从σ₁与σ₂的分矢量图可以看出，轴向残余应力分矢量方向相反，相互抵消减小，σ_x=+3.49MPa，为拉应力，应力值较小；周向残余应力分矢量方向相同，相互叠加增大，σ_y=-42.44MPa，为压应力。与第一道次冷拔相比，第二道次冷拔后的钢管，其各种残余应力值都减小很多。

从不同45钢试样的表面残余应力测试结果与变化趋势可以看出：45钢原始坯料的各方向都存在拉应力，经790°退火后各方向就变成了压应力；第一道次冷拔后，产生了较大的压应力，是各工序中压应力最大的；第二道次冷拔后压应力减小；去应力退火后压应力有所增大，延长退火保温时间可稍微降低应力，但因保温时间只有1-2h，退火时间不长，所以残余应力不可能全部消除。

27SiMn冷拔钢管残余应力测试方法

27SiMn冷拔钢管冷拔加工工艺过程

27SiMn冷拔钢管原材料尺寸：外径194mm，内径168mm，壁厚13mm。第一道次冷拔后钢管尺寸：外径192mm，内径169mm，壁厚11.5mm。第二道次冷拔后钢管尺寸：外径190mm，内径170mm，壁厚10mm。

27SiMn冷拔钢管冷拔加工工艺路线有两条，第一条路线是原始热轧坯料——790℃退火——第一道次冷拔——中间790℃退火——第二道次冷拔——500℃去应力退火1h——500℃去应力退火2h。第二条路线是原始热轧坯料——790℃退火——第一道次冷拔——第二道次冷拔——500℃去应力退火1h——500℃去应力退火2h。每次试验取两组试样，逐一测量27SiMn钢试样的表面残余应力。

残余应力测试结果分析

从不同27SiMn钢试样表面残余应力测试以及两条路线残余应力变化趋势可以看出，27SiMn钢原始坯料为热轧态，测得表面存在一定的拉应力，退火后即可将拉应力消除，均产生压应力；第一道次冷拔后，残余应力也达到了最大值，是所有工序中应力值最高的，后续加工应力值逐步降低；对比第一、二条工艺路线可以看出，第二条工艺路线减少了4号工序，即中间退火，最终测试结果7-10号试样的压应力值比较接近，说明第一、第二两条工艺路线加工后，27SiMn冷拔钢管的表面残余压应力是接近的，冷拔过程中增加一次退火没有明显效果。第二条工艺路线相对简单，产生成本低，所以生产中可以选择第二条工艺路线。

结语

1. 冷拔钢管各工艺表面残余应力分布如下：原始坯料表面为残余拉应力；坯料退火后表面残余应力为压应力，第一道次冷拔后压应力达到残余应力的最大值；第二道次冷拔后的表面残余应力还为压应力，通过二次冷拔起到了降低残余应力的作用；500℃去应力退火与1-2h保温对残余应力的降低效果不显著。

2. 等径冷拔工艺生产的冷拔钢管表面残余应力很小，冷拔钢管表面残余应力均为压应力，材料具有良好的综合性能。

3. 冷拔加工工艺可进一步优化：总变形量不变的情况下，增大第一道冷拔变形量，相对减少第二道次冷拔变形量，最终可以得到表面残余应力较小的冷拔钢管。