雙面不銹鋼復合板熱力耦合分析?

李 晉，馬立峰，2

（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.吉林大學 超塑性研究所，吉林長春 130022）

0 引言

軋制復合過程中變形體的受力和變形比較復雜，應用有限元法可以模擬軋制過程中變形體的溫度、界面應力、應變的變化及分布情況，可得到一些現實軋制中難以精確觀察測量的值。本文對復合板三維熱力耦合彈塑性有限元模型進行了熱軋復合過程的模擬，重點分析了不銹鋼/碳鋼/不銹鋼復合板在一定溫度下軋制復合過程中有關軋制工藝參數對表面、界面溫度場分布的影響。為準確分析變形過程中的溫度、應力變化，利用計算機數值模擬技術將熱軋過程中的溫度場與流變應力結合起來，因為溫度變化對材料屬性產生影響并進一步影響到材料變形，材料大應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一步轉化為熱量并影響溫度的變化，故采用熱－機耦合分析的方法，既可以計算復合過程中的溫度效應，也可以計算由于工件變形而造成的溫度場變化的效應。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合板由于結合界面不銹鋼軋制溫度區間窄導致的工藝溫度難以控制、異種金屬變形不協調嚴重、界面內應力大、界面結合強度低、難以軋制復合的技術難題提供參考。

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行分析，上層不銹鋼和中間層碳鋼各劃分為4 200個網格，復合板軋制有限元模型如圖1所示。

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

圖1 不銹鋼復合板軋制模型

表1 復合材料規格和軋制工藝參數

2 復合板溫度場模擬結果分析

熱軋過程中，軋件的溫度變化對金屬的復合有著重大的影響。在熱軋過程中，三層復合板與軋輥、周圍環境都存在著熱交換，同時材料發生的塑性變形、復合板與軋輥接觸產生的摩擦也會產生熱量，這些在復合板軋制過程中生成的熱量會讓復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，而且對金屬的再結晶、相變、析出等微觀組織的變化也產生了較大的影響。因此，研究軋制過程中復合板的溫度變化是十分必要的。

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

圖2 溫度分析節點選取位置

如圖3所示，表面選取的4個節點其溫度基本相同。由表2可知，1號與4號節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%）軋制表面及結合面的溫度變化曲線。復合板軋件在進入軋輥前，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，進入塑性變形階段，軋件處于與軋輥接觸熱傳導、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；脫離軋輥變形區后，復合板中心熱量向表面傳遞，表面出現再熱現象，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℃。軋制完成后由于復合板自身熱輻射以及與空氣換熱，整體溫度開始降低，復合板由表面到中心溫度呈梯度分布。

圖3 20%壓下率時表層節點溫度變化歷程

表2 20%壓下率時表面節點溫度變化 ℃

圖4 不同壓下率時溫度變化曲線

3 結論

（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域內不同位置金屬節點的溫度變化規律。

（2）根據溫度分布云圖以及數據分析，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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