不銹鋼覆層尺寸效應對復合質(zhì)量的影響

劉 鑫，帥美榮，常彬彬，謝廣明

(1.太原科技大學 重型機械教育部工程研究中心，山西 太原 030024；2.東北大學 軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室，遼寧 沈陽 110004)

0 前言

常規(guī)鋼筋多為碳鋼材質(zhì)，耐蝕性能差，當其用于橋梁工程、海洋工程、地下工程等高腐蝕特殊環(huán)境中時，混凝土中的鋼筋往往遭受銹蝕而引起材料疏松膨脹產(chǎn)生內(nèi)應力[1-2]，當其內(nèi)應力超過混凝土的彈性極限時，結(jié)構(gòu)就會出現(xiàn)損傷和破壞，甚至失效[3]。隨著綠色可持續(xù)化工業(yè)進程的推進，以不銹鋼復合技術(shù)為代表的高效率、短流程、低能耗、低成本制備技術(shù)已經(jīng)成為行業(yè)重點發(fā)展方向。將韌性、抗腐蝕性較高的不銹鋼材料與強度較高的碳鋼材料通過復合技術(shù)使兩種材料制成性能互補的復合產(chǎn)品，不僅可以應對復雜腐蝕環(huán)境，還可以降低成本提高經(jīng)濟效益[4-6]。

S.Sawicki[7]通過爆炸復合的方式成功制得復合螺紋鋼筋，并對覆層的最佳厚度進行了分析優(yōu)化。David[8-9]等研究了不銹鋼覆層鋼筋的耐腐蝕性能以及選擇標準。燕山大學謝紅飆等[10-13]對不銹鋼復合鋼筋進行了有限元模擬，并結(jié)合軋制實驗探究了軋制工藝對復合效果的影響。本文基于ABAQUS有限元軟件，通過模擬不銹鋼復合鋼筋在三輥連軋孔型中的軋制過程，探究不銹鋼覆層尺度效應對軋制過程中等效應力、塑性應變、軋制力及復合質(zhì)量的影響，揭示異種金屬協(xié)調(diào)變形規(guī)律以期獲得最佳不銹鋼覆層厚度，優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。

1 有限元模型的建立

1.1 幾何模型的建立

與二輥孔型相比較，三輥孔型具有表面質(zhì)量高、寬展小、變形效率高、孔型磨損小等顯著優(yōu)點[14-15]。在ABAQUS中建立三輥Y型軋機四道次軋制幾何模型，如圖1所示。復合鋼筋覆層為304不銹鋼，內(nèi)層為Q235碳鋼，為了探究不銹鋼復合鋼筋覆層尺寸效應對復合質(zhì)量的影響，軋件組坯規(guī)格如表1所示。

圖1 三輥連軋復合鋼筋有限元模型

表1 有限元模擬復合鋼筋組坯規(guī)格 mm

軋件芯部選擇掃掠網(wǎng)格進階算法，覆層劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，單元類型均選擇C3D8T單元，軋件軸向劃分100個單元，不銹鋼覆層在厚度方向根據(jù)厚度不同劃分2～3層單元，碳鋼芯選用與之相匹配的單元網(wǎng)格，保證計算精度。

1.2 接觸屬性

1.2.1 摩擦邊界條件

摩擦模型采用罰函數(shù)摩擦模型，允許接觸表面有“彈性滑移”[16]。在本文中，不銹鋼覆層與軋輥之間的摩擦系數(shù)和不銹鋼覆層和碳鋼芯之間的摩擦系數(shù)均取值為 0.15。

軋輥與不銹鋼覆層的接觸、不銹鋼覆層與碳鋼之間的的接觸均采用運動接觸法，運動接觸法可以把接觸控制在剛好發(fā)生接觸而不發(fā)生穿透的情況下，從而保證界面發(fā)生接觸而不貫穿，在受到拉應力時，則取消施加的運動約束，使界面脫離。此種方法對接觸的描述精確度高，具有普遍適應性，不需要增加特殊的界面單元，也不涉及復雜的接觸條件變化[17]。界面滑移公式采用小滑移。

1.2.2 熱傳導邊界條件

在復合熱軋過程中，設(shè)置開軋溫度為1 150 ℃，環(huán)境溫度20 ℃。傳熱行為主要包括覆層金屬與內(nèi)層金屬的傳熱、覆層金屬與軋輥的傳熱、軋件與空氣的換熱等。在ABAQUS有限元模擬中[18]，將不銹鋼覆層與軋輥之間的接觸換熱系數(shù)設(shè)置為10 kW/(m2·K)，將不銹鋼覆層與碳鋼芯之間的接觸換熱系數(shù)設(shè)置為13 kW/(m2·K)。在不產(chǎn)生接觸的部分，主要產(chǎn)生的是輻射傳熱和對流換熱，在ABAQUS中，統(tǒng)一劃分為同一類邊界條件[19]

q=K(QA-QB)

(1)

式中，q為通過邊界的熱量，kW/m2；K為對流換熱系數(shù)，kW/(m2·K)；QA為主面溫度，K；QB為從面溫度，K。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 應力結(jié)果分析

如圖2所示為三輥軋制復合第一道次等效應力圖?？梢钥闯?，三種覆層厚度下覆層金屬所受等效應力均比內(nèi)層金屬大，且最大值都出現(xiàn)在輥縫附近。這種現(xiàn)象主要是由于覆層金屬承受軋輥的直接壓下，且在輥縫區(qū)域自由寬展形成角度較為尖銳的凸起，造成局部應力集中，致使輥縫處的覆層金屬等效應力最大。而內(nèi)層金屬受力較為均勻，顯然，在碳鋼中心區(qū)域等效應力很小，說明在軋制第一道次，變形尚未滲透至變形體中心。

在復合軋制過程中，應力均勻度越高，產(chǎn)生的殘余應力越小，越有助于兩金屬間產(chǎn)生穩(wěn)定的冶金結(jié)合。從圖2可以看出，不同覆層厚度金屬的等效應力分布規(guī)律趨于一致，覆層尺寸分別為1.5 mm、2 mm、2.5 mm時對應的最大等效應力分別為233 MPa、240 MPa、247 MPa，對應的最小等效應力分別為69 MPa、93 MPa、92 MPa，最大應力偏差分別為164 MPa、147 MPa、155 MPa。表明隨著覆層厚度的增加，等效應力值趨于增大；在覆層厚度為2 mm時，覆層等效應力分布差值最小，均勻度最好。

圖2 三輥軋制復合鋼筋第一道次應力云圖

S. MASUDA認為在復合軋制過程中，板厚中部最大垂直應力與變形抗力之比大于1時，兩金屬之間就會發(fā)生粘合[20]。覆層不銹鋼與碳鋼接觸界面在軋制過程所受最大壓應力如表2所示。對于不同覆層厚度的復合金屬，軋制過程中界面金屬間壓應力均大于304不銹鋼變形抗力，尤其從軋制第二道次開始，此時變形溫度約為1 150 ℃，總壓下率達到33%，最大壓應力已達300 MPa以上，兩種金屬界面已經(jīng)實現(xiàn)一定程度地冶金結(jié)合。應力數(shù)據(jù)進一步表明，即使在軋制第一道次金屬變形最為劇烈，然而其界面金屬壓應力卻低于后續(xù)三個道次，這也充分說明在變形初期，覆層與芯部金屬尚未完全結(jié)合，存在較多間隙，導致界面壓應力值相對較小。隨著變形的進行，界面金屬的致密性越來越好，壓應力值持續(xù)上升。

表2 覆層與芯部接觸界面最大壓應力

2.2 覆層尺寸效應對復合質(zhì)量的影響

在三輥Y型軋制中，軋件受到相鄰機架均勻交替的壓縮方向如圖3所示。取覆層不銹鋼管材的1/6分析壁厚變化規(guī)律。

圖3 三輥軋制示意圖

如圖4所示為四個軋制道次中0°～60°區(qū)域內(nèi)不銹鋼覆層壁厚的變化曲線?？梢钥闯?，在不同覆層壁厚條件下，1～4道次的壁厚變化規(guī)律基本一致。在軋制第二道次，壁厚變化最為突出，輥縫處壁厚最大，軋輥中心附近區(qū)域壁厚最小。說明軋件進入第二道次后，覆層金屬沿周向發(fā)生劇烈流動，產(chǎn)生這種情況的原因一方面是壓下量較大，另一方面可能是由于孔型形狀設(shè)計不當，故考慮在保證兩種材料實現(xiàn)冶金結(jié)合的情況下，適當減小變形量或者采用圓度較好的孔型軋制是合理的。隨著軋制的進行，在第四道次，壁厚變化趨于均勻，且當不銹鋼覆層厚度為1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm時，沿著圓周方向，最小壁厚差值分別為0.23 mm、0.21 mm、0.12 mm?？梢钥闯?，隨著覆層厚度減小，壁厚差值反而增大。從追求經(jīng)濟利益的角度考慮，覆層不銹鋼金屬越薄，成本越低，但過薄的覆層不利于鋼筋的復合質(zhì)量。

圖4 不同軋制道次不銹鋼覆層0°～60°區(qū)域壁厚變化圖

軋制過程中空洞與耳子的出現(xiàn)會大大降低覆層與芯部的接觸面積，還會在后續(xù)軋制過程中積累大量殘余應力，顯著降低復合質(zhì)量，不利于軋件表面質(zhì)量的提高。如圖5a、圖5b所示為不同覆層厚度軋件在第三道次出口處的等效塑性應變圖，較薄的覆層金屬對橫向?qū)捳馆^為敏感，較厚覆層可以有效填充輥縫處的空洞。顯然當不銹鋼覆層厚度為2 mm時，覆層與芯部之間的空洞和耳子等缺陷有了明顯的改善。實際上產(chǎn)生的空洞是由于異種金屬沿周向流動速度不一致所致，與芯部相比，覆層沿周向的寬展效應大于芯部，而覆層沿軸向則發(fā)生較小的延伸。圖5c為覆層厚度2 mm復合鋼筋在第四道次出口處的等效塑性應變圖，由圖5c可以看出，此時變形較為均勻且滲透到軋件的中心。

圖5 不同覆層厚度等效塑性應變云圖

2.3 軋制力結(jié)果分析

如圖6所示為不同覆層復合軋制力變化曲線，軋制力隨著覆層厚度的增加而增加。不銹鋼覆層的變形抗力大于碳鋼芯，當軋件中不銹鋼占比上升時，使其變形更加困難，軋制力會有明顯的升高。當覆層厚度從1.5 mm增至2 mm時，1～4道次對應的軋制力增長率分別為7.76%、9.75%、8.79%、10.00%，當覆層厚度從2 mm增至2.5 mm時，對應的軋制力增長率分別為4.27%、5.85%、1.06%、1.08%，軋制力增大幅度減緩。

圖6 不同覆層尺寸軋制力變化曲線

3 結(jié)論

通過有限元模擬不銹鋼/碳鋼復合鋼筋的成型過程，對比分析了不同覆層厚度鋼筋在三輥連軋孔型變形中的等效應力、塑性應變以及壁厚分布等，揭示覆層尺寸效應對復合鋼筋協(xié)調(diào)變形的影響，為復合鋼筋工業(yè)化生產(chǎn)提供理論支持。

(1)在連軋過程中，不同覆層厚度工況下，覆層金屬的等效應力均大于芯部，且輥縫處應力最大。當覆層厚度為1.5 mm時，成型過程中覆層與芯部之間產(chǎn)生較大空洞和耳子缺陷，直接降低覆層與芯部接觸面積導致復合質(zhì)量下降；當覆層厚度增加到2 mm時，缺陷明顯改善，且覆層壁厚均勻性提高。

(2)當變形溫度為1 150 ℃，總壓下率為33%時，兩種金屬界面之間的平均徑向應力遠大于不銹鋼金屬的變形抗力，此時二者界面實現(xiàn)初步結(jié)合，但還需要后續(xù)界面微觀組織研究進一步優(yōu)化協(xié)同變形條件。

(3)當覆層厚度從1.5 mm增至2 mm時，各道次軋制力增長率分別為7.76%、9.75%、8.79%、10.00%，當覆層厚度從2 mm增至2.5 mm時，對應的軋制力增長率分別為4.27%、5.85%、1.06%、1.08%。綜合考慮，對于直徑Ф18.5 mm的碳鋼棒，選擇不銹鋼覆層厚度為2 mm制備復合鋼筋，在經(jīng)濟性和復合質(zhì)量方面占有一定優(yōu)勢。