不銹鋼覆層尺寸效應對復合質量的影響

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 軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室，遼寧 沈陽 110004)

0 前言

常規鋼筋多為碳鋼材質，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生內應力[1-2]，當其內應力超過混凝土的彈性極限時，結構就會出現損傷和破壞，甚至失效[3]。隨著綠色可持續化工業進程的推進，以不銹鋼復合技術為代表的高效率、短流程、低能耗、低成本制備技術已經成為行業重點發展方向。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使兩種材料制成性能互補的復合產品，不僅可以應對復雜腐蝕環境，還可以降低成本提高經濟效益[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、軋制力及復合質量的影響，揭示異種金屬協調變形規律以期獲得最佳不銹鋼覆層厚度，優化關鍵技術參數。

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量高、寬展小、變形效率高、孔型磨損小等顯著優點[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量的影響，軋件組坯規格如表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格 mm

軋件芯部選擇掃掠網格進階算法，覆層劃分結構網格，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和不銹鋼覆層和碳鋼芯之間的摩擦系數均取值為 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生接觸而不發生穿透的情況下，從而保證界面發生接觸而不貫穿，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，設置開軋溫度為1 150 ℃，環境溫度20 ℃。傳熱行為主要包括覆層金屬與內層金屬的傳熱、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設置為10 kW/(m2·K)，將不銹鋼覆層與碳鋼芯之間的接觸換熱系數設置為13 kW/(m2·K)。在不產生接觸的部分，主要產生的是輻射傳熱和對流換熱，在ABAQUS中，統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，kW/(m2·K)；QA為主面溫度，K；QB為從面溫度，K。

2 模擬結果及分析

2.1 應力結果分析

如圖2所示為三輥軋制復合第一道次等效應力圖。可以看出，三種覆層厚度下覆層金屬所受等效應力均比內層金屬大，且最大值都出現在輥縫附近。這種現象主要是由于覆層金屬承受軋輥的直接壓下，且在輥縫區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。而內層金屬受力較為均勻，顯然，在碳鋼中心區域等效應力很小，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，產生的殘余應力越小，越有助于兩金屬間產生穩定的冶金結合。從圖2可以看出，不同覆層厚度金屬的等效應力分布規律趨于一致，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，兩種金屬界面已經實現一定程度地冶金結合。應力數據進一步表明，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°區域內不銹鋼覆層壁厚的變化曲線。可以看出，在不同覆層壁厚條件下，1～4道次的壁厚變化規律基本一致。在軋制第二道次，壁厚變化最為突出，輥縫處壁厚最大，軋輥中心附近區域壁厚最小。說明軋件進入第二道次后，覆層金屬沿周向發生劇烈流動，產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計不當，故考慮在保證兩種材料實現冶金結合的情況下，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。可以看出，隨著覆層厚度減小，壁厚差值反而增大。從追求經濟利益的角度考慮，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量。

圖4 不同軋制道次不銹鋼覆層0°～60°區域壁厚變化圖

軋制過程中空洞與耳子的出現會大大降低覆層與芯部的接觸面積，還會在后續軋制過程中積累大量殘余應力，顯著降低復合質量，不利于軋件表面質量的提高。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寬展較為敏感，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調變形的影響，為復合鋼筋工業化生產提供理論支持。

(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，此時二者界面實現初步結合，但還需要后續界面微觀組織研究進一步優化協同變形條件。

(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，在經濟性和復合質量方面占有一定優勢。