雙面不銹鋼復(fù)合板熱力耦合分析?

李 晉，馬立峰，2

（1.太原科技大學(xué)重型機械教育部工程研究中心，山西 太原 030024；2.吉林大學(xué) 超塑性研究所，吉林長春 130022）

0 引言

軋制復(fù)合過程中變形體的受力和變形比較復(fù)雜，應(yīng)用有限元法可以模擬軋制過程中變形體的溫度、界面應(yīng)力、應(yīng)變的變化及分布情況，可得到一些現(xiàn)實軋制中難以精確觀察測量的值。本文對復(fù)合板三維熱力耦合彈塑性有限元模型進(jìn)行了熱軋復(fù)合過程的模擬，重點分析了不銹鋼/碳鋼/不銹鋼復(fù)合板在一定溫度下軋制復(fù)合過程中有關(guān)軋制工藝參數(shù)對表面、界面溫度場分布的影響。為準(zhǔn)確分析變形過程中的溫度、應(yīng)力變化，利用計算機數(shù)值模擬技術(shù)將熱軋過程中的溫度場與流變應(yīng)力結(jié)合起來，因為溫度變化對材料屬性產(chǎn)生影響并進(jìn)一步影響到材料變形，材料大應(yīng)變變形也反過來影響熱邊界條件，塑性變形和摩擦作用還將進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為熱量并影響溫度的變化，故采用熱－機耦合分析的方法，既可以計算復(fù)合過程中的溫度效應(yīng)，也可以計算由于工件變形而造成的溫度場變化的效應(yīng)。按照熱－機耦合場分析方法研究軋件在軋制過程中的溫度變化，以期為解決薄板雙面不銹鋼復(fù)合板由于結(jié)合界面不銹鋼軋制溫度區(qū)間窄導(dǎo)致的工藝溫度難以控制、異種金屬變形不協(xié)調(diào)嚴(yán)重、界面內(nèi)應(yīng)力大、界面結(jié)合強度低、難以軋制復(fù)合的技術(shù)難題提供參考。

1 計算及仿真模型

由于是對稱軋制，取上、下軋輥和板材的二分之一模型進(jìn)行分析，上層不銹鋼和中間層碳鋼各劃分為4 200個網(wǎng)格，復(fù)合板軋制有限元模型如圖1所示。

以不銹鋼/碳鋼/不銹鋼三層復(fù)合板為模擬對象，復(fù)合材料的規(guī)格和軋制工藝參數(shù)見表1。軋件溫度θ＝1 200℃，軋輥溫度θ1＝40℃。根據(jù)文獻(xiàn)［1］，計算出軋輥與不銹鋼板的接觸傳熱系數(shù)h1＝16kW/（m2·K），不銹鋼自由表面與外界的對流換熱系數(shù)h＝11 W/（m2·K），Q235的接觸熱傳遞系數(shù)定義為h2＝20 kW/（m2·K），輻射換熱系數(shù)hc＝0.8W/（m2·K），環(huán)境溫度θc＝20℃。板與輥之間的摩擦因數(shù)f1＝0.3，板與板之間的摩擦因數(shù)f2＝0.4，塑性功生成熱流系數(shù)為0.9。

圖1 不銹鋼復(fù)合板軋制模型

表1 復(fù)合材料規(guī)格和軋制工藝參數(shù)

2 復(fù)合板溫度場模擬結(jié)果分析

熱軋過程中，軋件的溫度變化對金屬的復(fù)合有著重大的影響。在熱軋過程中，三層復(fù)合板與軋輥、周圍環(huán)境都存在著熱交換，同時材料發(fā)生的塑性變形、復(fù)合板與軋輥接觸產(chǎn)生的摩擦也會產(chǎn)生熱量，這些在復(fù)合板軋制過程中生成的熱量會讓復(fù)合板的溫度場處在不斷變化的過程中。而且，溫度不僅決定著金屬的變形抗力，決定軋件表面的光滑度，影響板寬、板厚，而且對金屬的再結(jié)晶、相變、析出等微觀組織的變化也產(chǎn)生了較大的影響。因此，研究軋制過程中復(fù)合板的溫度變化是十分必要的。

本次分析節(jié)點選取位置見圖2。當(dāng)軋制速度為0.5m/s、壓下率為20%時，復(fù)合板表面選取節(jié)點在軋制過程中溫度變化規(guī)律如圖3所示，表面節(jié)點溫度變化如表2所示。

圖2 溫度分析節(jié)點選取位置

如圖3所示，表面選取的4個節(jié)點其溫度基本相同。由表2可知，1號與4號節(jié)點由于軋制前自身熱輻射的原因溫度相差6℃，接觸軋輥后溫度基本相等，到軋制最低點，相差8.5℃。因此整體上中部比邊部溫度高8℃左右，主要原因是由于自身散熱與熱輻射的原因造成中部溫度高、邊部低。

圖4是不同壓下率下（20%、25%、30%）軋制表面及結(jié)合面的溫度變化曲線。復(fù)合板軋件在進(jìn)入軋輥前，由于空氣對流、輻射熱交換的原因，表面溫度均有10℃左右的下降，表面溫度為1 189℃左右。之后被軋輥咬入，進(jìn)入塑性變形階段，軋件處于與軋輥接觸熱傳導(dǎo)、空氣輻射和對流換熱、塑性變形、界面摩擦的綜合作用中。由于軋輥和復(fù)合板的溫差很大，在不銹鋼和軋輥表面之間的接觸傳熱作用下，不銹鋼上表面單元的溫度急速下降至（940～961）℃之間；脫離軋輥變形區(qū)后，復(fù)合板中心熱量向表面?zhèn)鬟f，表面出現(xiàn)再熱現(xiàn)象，不銹鋼表面的溫度迅速回升至（968～1 000.5）℃左右；軋件表面的溫度由入口段到出口段呈現(xiàn)高－低－高的梯度分布。

而界面處的溫度，由于塑性變形熱生成的原因，壓下率越大，結(jié)合面處的溫度就越大，壓下率為20%時，界面處溫度從1 200℃升高至1 203.07℃；25%壓下率時，界面處溫度從1 200℃升高至1 204.23℃；壓下率為30%時，界面處溫度從1 200℃升高至1 205.57℃。軋制完成后由于復(fù)合板自身熱輻射以及與空氣換熱，整體溫度開始降低，復(fù)合板由表面到中心溫度呈梯度分布。

圖3 20%壓下率時表層節(jié)點溫度變化歷程

表2 20%壓下率時表面節(jié)點溫度變化 ℃

圖4 不同壓下率時溫度變化曲線

3 結(jié)論

（1）利用MARC軟件完成了對304/Q235/304的三維軋制模擬，得到了不同變形量下軋制區(qū)域內(nèi)不同位置金屬節(jié)點的溫度變化規(guī)律。

（2）根據(jù)溫度分布云圖以及數(shù)據(jù)分析，不銹鋼表面中部溫度比邊部高8℃，在軋制最低點溫度降低至（940～961）℃之間。而在界面，20%壓下率時，溫度升高3.07℃；25%壓下率時，溫度升高4.23℃；30%壓下率時，溫度升高5.57℃。

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