（机械设计及理论专业论文）双金属轧制连接的多参数影响规律研究.pdf

中南大学硕十论文 摘要 摘要 材料的复合，尤其是异利，金属材料的复合，为多功能材料的开发 提供了一个新技术途径。采用轧制工艺生产双金属产品，优于爆炸焊、 扩散焊等工艺，是一种十分经济实用的方法。轧制复合 艺经历了热 轧复合、等辊冷轧复合、肆步轧制复合等阶段。因轧制过程金属变形 的复杂性，其理论研究处于探索完善阶段。本文试图探讨双金属轧制 连接的机理，对轧制连接进行理论分析，探寻轧制参数对轧制连接的 影响规律，找出合理的轧制条件。 1 本文首先分析了嵌金属轧制的塑性变形连接机理，提出界面上 下层金属均发生塑性变形时即为轧制连接点位置的假定，随后以金属 屈服变形为判据，针对轧制双金属夹片的连接，采用主应力法，推导 出了金属界面连接点位置、中性点位置和轧后厚度比等参数的理论模 型，并通过改变轧制条件参数，找m 了连接率、轧后厚度比随轧制条 件的变化关系。 2 运用大型有限元软件m a r c ，建立轧制模型，编写过程文件，设 置不同的轧制条件参数。在不同的轧制变形率、金属材料、轧制速度、 轧辊与车l i - t ：及轧件相互问的摩擦环境等条件下进行仿真，获得了轧制 连接率和轧后厚度比的值，得出了与工程法分析相近的结论。同时， 运用m a r c 对双金属轧制仿真，可以得n 车l n 过程界面受力、塑性变 形等数值分布。 3 进行了双金属轧制的实验，通过与理论分析结果对比，认为仿 真分析比工程法分析更精确。 通过工程法分析、m a r c 仿真分析和实验研究，本文对双金属轧制 连接得到了以一f 结论和认识：两种金属材料屈服强度越相近，轧制 连接率越大，若金属材料的屈服强度差异过大，则不会连接；变形 率越大，连接长度就越大，但连接率随变形率增加，呈先增后降的趋 势，说明有一最佳轧制变形率：金属界面摩擦系数越大越有利于连 接：轧制外硬内软双金属夹片，轧后覆层厚度比随两种金属的屈服 强度差异增大而增大；轧制连接率随轧制速度的增加而减小，因而 轧制速度相对小些有利于轧制连接。 关键词：复合材料，双金属，轧制，连接，连接率，工程法，m a r c 仿真 ! 堕查兰堡土堡兰 些! ! ：竺! a b s t r a c t c o m p l e xo f m a t e r i a l s ，e s p e c i a l l yc o m p l e xo f d i f f e r e n tk i n do f m e t a l s ， h a v ep r o v i d e dan e wa p p r o a c hf o rd e v e l o p i n gt h en e wm e r i t so fm a t e r i a l t h er o l l i n gp r o c e s si se f f i c i e n ta n de c o n o m i c a l t oo t h e rt y p e so f p r o c e s s e s ， s u c ha se x p l o s i v ec l a d d i n g ，d i f f u s i o nw e l d i n g ，e t c t h er o l l i n gp r o c e s s e s h a v ed e v e l o p e df r o mh o t - - r o l l b o n d i n gt e c h n i q u et o c o l d - - r o l lb o n d i n g t e c h n i q u ea n da s y n c h r o n o u sr o l lb o n d i n gt e c h n i q u e b e c a u s e o ft h e c o m p l e x i t yo fr o l l i n ga tt h e r o l lg a p ，t h et h e o r yr e s e a r c ho fr o l l i n g p r o c e s s e si s i ne x p l o r i n gs t a g e i nt h i st e x t ，t h eb o n d i n gm e c h a n i s mo f b i m e t a li sa t t e m p t e dt oi n q u i r ei n t oa n dc a r r yo nt h e o r e t i c a la n a l y s i st o b o n d i n g ，a n df i n do u tt h er e a s o n a b l er o l l i n gc o n d i t i o n a tf i r s t t h em e c h a n i s mo fb i m e t a lr o l l - b o n d i n ga b o u tt h ep l a s t i c d e f o r m a t i o nh a sb e e na n a l y z e di nt h i st e x t a n da s s u m e st h a tt h ep o i n to f t h eb o n d i n go fi n t e r f a c eo c c n rw h e nb o t ho fu p p e ra n dl o w e ra ti n t e r f a c e m e t a l st a k ep l a c eo ft h ep l a s t i cd e f o r m a t i o n t h e n ，w i t hm e a ns h e a ry i e l d s t r e s s e so f t h em e t a l i st h ec r i t e r i o n ，u s i n gt h es l a bm e t h o d ，t h em o d e lh a s d e r i v e do u tt h em a t h e m a t i c a le x p r e s s i o n s ，s u c ha st h eb o n d i n gl p o i n t ，t h e n e u t r a lp o i n t sa n dt h et h i c k n e s sr a t i oo fu p p e rl a y e rt ot h es a n d w i c h s h e e t sa f t e rr o l l i n g b yw a yo ft h ec h a n g er o l l i n gc o n d i t i o np a r a m e t e r s ， h a sf o u n do u tt h er e l a t i o nb e t w e e nt 1 eb o n d i n gr a t ea n dt h et h i c k n e s s r a t i oo f u p p e rl a y e rt ot h es a n d w i c hs h e e t sa f t e rr o l l i n g 。s e c o n d u s i n gl a r g e s c a l ef i n i t ee l e m e n tm e t h o ds o f t w a r e m a r c e s t a b l i s h e st h er o l l i n gm o d e l ，a n dc o m p i l e st h ep r o c e s sf i l e ，a n ds e t su p t h e d i f f e r e n tr o l l i n gc o n d i t i o np a r a m e t e r s ic a r r i e do ns i m u l a t i o nu n d e r t h ed i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，s u c ha sr e d u c t i o no fr o l l i n gr a t i o ，d i f i e r e n tm e t a l s ， c h a n g i n g 、o fr o l l i n gs p e e d ，f r i c t i o n a lf a c t o r so ft h er o l l e ra n dl a y e r , a n ds o o n w ec a ng a i nt h eb o n d i n gr a t ea n dt h et h i c k n e s sr a t i oo fu p p e rl a y e rt o t h es a n d w i c hs h e e t sa f t e rr o l l i n g ，a n dc o n c l u d et h ec l o s ec o n c l u s i o nw i t h t h ea n a l y s i so ft h es l a bm e t h o d a tt h em e a n t i m e ，u s i n gt h em a r c s o f t w a r ec a nd i r e c t l yr e c e i v et h en u m e r i c a ld i s t r i b u t i n go fr o l l i n gp o w e r a n dp l a s t i cd e f o r m a t i o nf r o mm a r c sr e s u 【j s t h i r d t 1 1 ee x p e r i m e n to fb i m e t a lr o l l i n gh a sb e e nd o n e ，a n dt h r o u g h 中南人学硕：i ：论文 a b s t la c t , t h ec o m p a r i s o n s ，t h es i m u l a t i o ni sm o r ea c c u r a t et h a nt h es l a bm e t h o d b yw a yo fc o m p a r i s o n so ft h es l a bm e t h o d s i m u l a t i o no f 【a r c a n dr e s e a r c h i n go fe x p e r i m e n t ，t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o na n dk n o w l e d g e h a v eb e e nr e a c h e di nt h et e x t ：t h er o l lb o n d i n gr a t ei n c r e a s ew i t ht h e i n c r e a s ei nt h er a t eo fm e a ns h e a ry i e l ds t r e s s e so fc l a da n dc o r el a y e r m e t a l ，b u ti ft h er a t eo fm e a ns h e a ry i e l ds t r e s s e so fc l a da n dc o r el a y e r m e t a li st o os m a l l ，t h er o l l b o n d i n gp o i n tc a nn o tb ef o u n d ；c o n t a c t l e n g t li n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s ei nt h er e d u c t i o n ，b u tt h er e l a t i v eb o n d i n g l e n g t hd o n tc o m p l yi n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s ei nt h er e d u c t i o n i n c r e a s e s f i r s ta n dt h e nd e c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gr e d u c t i o n ，s ot h em a x i m u mv a l u e f o rr e l a t i v eb o n d i n gl e n g t hm u s to c c u r s ；t h er e l a t i v eb o n d i n gl e n g t h i n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s ei nt h ef r i c t i o n a lf a c t o r ；a st h es h e a ry i e l d s t r e s si n c r e a s e t h et h i c k n e s so f s a n d w i c hs h e e ta tt h ee x i ti sl a r g e r ； t h er e l a t i v eb o n d i n gl e n g t hd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s ei nt h er o l l i n g s p e e d ，i ti ss a i dt h a ts m a l l e rr o l l i n gs p e e db e n e f i tt h er o l lb o n d i n g k e yw o r d s ：c o m p o u n dm a t e r i a l ，b i m e t a l ，r o l l i n g ，r o l l - b o n d i n g ， r e l a t i v eb o n d i n gl e n g t h ，t h es l a bm e t h o d ，m a r c ss i m u l a t i o n 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：生圣整日期：巡年旦月丛日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅：学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者繇世跏签名芦靼 中南大学顶：l 论文第一章文献综述 1 1引言 第一章文献综述 新材料的发展与当代社会的生产水平和科学技术的发展水平密切相关。在人 类社会发展的文明史中，材料起着划时代的里程碑作用。人类已经经历了石器时 代、青铜器时代、铁器时代和现代钢铁时代。新型材料、信息技术和生物技术被 认为是当代新技术革命的主要标志。而材料在其中所起到了基础和先导作用，如 果没有轻质、高强和耐高温的材料，航空和航天技术的发展就不会如此迅速。在 新能源开发方面，如核能、太阳能、地热、风能以及海洋能等，之所以不能得到 大规模的开发利用，材料也是其中需要解决的关键之。所以，从当代科学技术 的发展趋势及其对材料提出的要求出发，材料也正面临着一场革命。钢铁和一般 常规的金属材料显示出越来越不能满足新技术发展的需要。在一些工业发达的国 家中钢铁工业的发展几乎处于停滞的状态，甚至将其视为“夕阳工业”，而转向 对有机分子材料、无机非金属材料和结构复合材料等新材料的研究和开发，并给 予优先发展的地位。 当前发展的新型材料根据其使用性能大致可以分为两类：一是功能材料。其 中包括半导体材料，信息记录材料，信息检测和传感材料( 如压电材料、光电转 换材料等) ，信息传输材料( 如光导纤维) ，超导材料，形状记忆合金以及一些与 发展能源密切相关的特殊储能材料。另一类是结构材料。在开发能源，开发太空 和海洋，发展交通运输以及发展冶金和化工等工业中，都需要大量的具有高强度、 高韧性、质量轻、耐高( 低) 温、耐腐蚀和抗辐射等优异性能的结构材料。 在大量的工程结构中，金属材料仍然处于主导地位，而且它还在不断地发展 和更新，如超高强度钢、超低温钢、双相不锈钢、超耐热合金、钛合金以及高强 度、高弹性的轻质铝合金和铍等。但我们也应看到，金属材料已发展到了一个相 当高的水平，进一步发展相当艰难。单纯采用传统的调整化学成分和热处理的办 法来提高材料的性能和发展新型材料的潜力不大，必须依靠先进的工艺和先进技 术来进一步挖掘金属材料的潜力，以达到大幅度提高性能的目的。通过控轧、控 冷等措施生产出综合不同材料性能的新型覆层材料，是一项热门研究课题。 结构材料的复合化是当前材料发展中的一个重要方向。它克服了单一材料所 固有的局限性，将不同特性的材料按一定的要求复合在一起，形成一种性能综合 的新材料。目前第三代的先进复合材料除了高性能的树脂基复合材料外，还包括 金属基复合材料、陶瓷基复合材料和碳纤维增强的碳一碳复合材料。金属基复合 材料是当前先进复合材料中的重要领域。它除了高强度、高弹性模量和低膨胀系 第一章文献综述 数外，还具有优良的韧性，抗冲击，抗热振，横向力学性能好，不燃烧不吸潮， 导电导热性好。会属基复合材料目前存在的问题，除制造工艺较复杂和成本较高 外，主要是增强剂与基体间的界面反应易形成低应力破坏的脆性界面。因而避免 产生这种脆性界面，是当前重要研究课题。1 采用固态焊可以避免或减少这种脆性界面的产生。如扩散焊铝材时，由于铝 表面上存在一层非常稳定而牢固的氧化膜，它严重地阻碍了两个连接表面之间的 扩散结合。要破坏结合界面上的氧化膜就需要将连接温度提高到接近铝的熔点或 在连接界面上施加很大的压力。常温下轧制固态双金属产品，是实现这种要求的 一种简便的生产工艺，通过清除表面氧化膜，改变不同的轧制条件，可以得到一 定连接强度的产品，再经过热处理，可以进一步提高其连接强度和综合性能。o 】 现在最先迸的双金属结合技术是“室温固相结合法”，上世纪5 0 年代美国 t e x a s 仪器公司研究成功并推广使用。它明显优于“液相结合法”、“爆炸结合法”、 “热轧结合法”乃至“电镀法”、“真空涂复法”、“粉末冶金法”等等。因而本文 试图对双金属固态轧制作些理论仿真分析，以期指导轧制条件的选择和生产。 1 2 双金属复合材料的应用 我国春秋战国时期，铸剑巧匠在解决剑的锋利与刚性矛盾时，巧妙地在强度 较大的铸铁外面包覆钳入韧性较好的青铜，制成性能奇特的“宝剑”。1 8 世纪中 叶，英国一位锅炉工在烧炉时，发现炉门总是在炉子冷却到需要添加燃料时就自 动打开，经过研究，原来这扇炉门是偶然使用了两种金属板迭合而成的。这一偶然 发现，便诞生了双金属产品的第一个专利8 1 。 科学技术和高新产业的发展对材料的研究和开发提出了更高的要求，普通 的单一金属或合金在许多情况下已经难以满足工业应用对材料综合性能的要求， 同时，人们已经越来越意识到现代制造业面临的一个问题，那就是在保证零件 工作技术要求的前提下，如何尽可能地降低金属( 尤其是稀贵金属) 的消耗量， 以节省生产成本，因此，双金属的研究和应用e i 益受到重视。至目前为止，双金 属材料已经在航空、航天、机械、化工、电力和电子等工业领域里得到了广泛地 应用。下面简要地列举双金属在几个方面的应用。 1 2 1 热双金属及在热保护器中的应用 自1 8 5 8 年英国w i l s o n 公司用黄铜和钢制成热双金属以来，热双金属的生产 和应用已有一百多年的历史。由于热双金属具有稳定可靠灵敏的记忆合金的特性 其用途遍及国防军工( 如原子能反应堆使用的中子敏感双金属、飞机的挡风玻璃 融冰器) 和民用( 电流计、温度计、电冰箱、彩色电视机等用予测量、指示、控 中南火学硕二f 二论文第一章文献综述 制及位移补偿的热双金属片) 。它在我国控温器行业中有大量应用。热双金属的 主要生产厂家集中在欧美和日本，我国近几年来在热双金属的研究和生产上也有 较大的发展，其中代表性企业见表卜1 。 表1 1 ， 美国欧洲日本中国 t e x a si i n s t r u m e n t s h o o d 德国v a ca m g住友佛山精密电工合金有限公司 p m c c h a c e 瑞典k a n t h a l日立上海钢研所 w i l 0 0 法国i m p h y东芝 热双金属原材料：基体均为铁质和铜质合金，加入镍锰等元素改变其膨胀系 数，产生高膨胀侧和低膨胀侧合金，再复合组成。有时为了改变材料的电阻率，会 加入中间合金。通过中间层金属的调节，可得到近百种热双金属材料。热双金属 的生产方式经历了由熔合法、爆炸接合法、块状轧制复合法到连续固相复合法的 发展阶段。现国内外较先进的厂家均使用连续固相复合法。其工艺流程为：， 原材料一清洗一复合一退火精轧一蚀印一分条一平整一精整一包装 连续固相复合法又分为室温固相复合法和连续热复合法。其生产的优缺点见 表1 2 。 表1 - 2 室温固相复合法 连续热复合法 1 压下量小，轧机小： 优 1 室温下固相复合，不需复杂的温2 加工前表面光洁度要求较低： 控设备：3 退火时间短，退火目的是以消除应力为主， 2 轧制后产品表面光洁度高：扩散退火次之： 点 3 板形保证良好 4 复合强度高： 5 内应力低 1 ，压下比大，高达7 0 ，轧机吨位1 加热时必须通保护性气体增加成本： 大： 2 高低膨胀侧加温时不同，温度控制设备要精 缺2 加： 前表面清洁度要求严格：确： 3 扩散退火时间跃。加热设备庞3 加热时表面易氧化要预先除磷处理，光洁度 大： 稍差： 点 4 需在合金表面打磨粗糙，并要求4 润滑困难润滑剂要耐高温： 立即合成否则又会氧化：5 张力控制困难，板形难保证：。 5 复合强度相对较低 6 控温保温要求严格，轧制时均温控制困难 1 2 2 双金属管及板片 双金属管及板片是目前种用途广泛、具有优良综合性能的高效材料，广泛 应用于能源、造船、石油化工、电力、造纸等工业技术领域中，从石油化工用的 输送管道，汽车发动机和发电站用的热交换器到制冷设备用的冷凝管都使用了各 种双金属管及板片，且每年需求量愈来愈大。例如在机械制造行业中，具有减摩层 中南大学硕：l ：论文 第一章文献综述 的双金属管可用于制造大功率内燃机连杆上端的轴承零件，其工作寿命比其它材 料的产品高两倍多：在管道输送方面，具有耐磨层的双金属管用作各种泵的圆柱 导套及颗粒体材料的管道输送等，其使用寿命可提高5 7 倍，而且采用双金属管 及板片还可节省大量贵重金属及稀有材料，使产品成本和维修费用大为降低。据 资料表明，如果用耐蚀合金双金属管或板片取代同样规格的耐蚀合金管或板片， 至少可节约1 0 2 0 的材料费“1 。总之，双金属管材或板材在国民经济的许多部 门有着广泛的用途，具有极为显著的经济效益。 铜铝双金属管是近些年国外开发出的一种典型高效管材，由于它具有优良的 导电、导热、耐蚀性及质量轻等综合特性，具有广阔的市场前景和开发潜力，但由 于国内涉及该领域较晚，迄今尚未系统掌握其复合成形规律。据有关资料表明， 通常国外双金属管生产工艺方法有：离心铸造、爆炸焊接、冷加工一热扩散及热加 工方法等，其中冷加工一热扩散生产方法是生产表面质量好、尺寸精度高的双金属 管的最佳方法。 双金属片用于热继电器，依靠电流通过发热元件所产生的热使双金属片受热 弯曲而推动机构动作，主要用于电动机的过载保护，断相保护及电流不平衡运行 的保护。目前，双金属片式热继电器主要有两相结构式热继电器、三相结构式热 继电器及三相结构式带断相保护的热继电器。 1 2 3 双金属导线及其同轴电缆 双金属导线可用于同轴电缆中内导体。内导体用于传输电视信号，过去主要 采用纯铜线制成。电视信号是一种频率很高( 5 0 8 0 0 ) m h z 的电流。高频电流具 有“趋肤效应”的特点，即往往集中在导体的表面层传输。用纯铜线作内导体时， 其中心部位的铜没有起到传输电流的作用，浪费了铜材。如果用铜管作内导体则 是最节省的。但是铜管不仅强度较低，而且当电缆弯曲时易将铜管压瘪，而影响信 号的传输特性。因此，在铜管中充填其他价格较便宜、并具有优异性能的金属， 制成双金属复合导线，用作同轴电缆的内导体。最常用的充填材料为钢或铝，所制 成的双金属导线分别称为铜包钢线或铜包铝线。 1 3 双金属复合轧制的技术现状 通常讲的“双金属”，是指金属层状复合材料，亦即是将两种及两种以上的 金属材料利用其各自的性能优势进行分层组合而形成的一类金属材料。结构与功 能一体化已经成为这类材料深入发展的潜在优势。按照习惯的划分方式，金属层 状复合材料主要是指覆层较厚的金属材料，或者是采用区别于常规的物理或化学 方法实现表面覆层钓金属材料。从广义的角度讲，只要实现了异种金属一体的材 中南- 人学硕：i ：论文第一章文献综述 料都应属于金属层状复合材料的范畴。镀覆、涂覆、物理化学方法涂层覆层、焊 接、铆接以及机械覆层方法在很大程度上丰富了金属层状复合材料的制备技术。 因此金属层状复合材料的生产方法众多，研究领域极为广阔。 轧制方法成本低、产量高，而且工艺技术及装备较为成熟，作为一种金属层 状复合的工艺方法在上世纪3 0 年代就引起了一些研究者的关注“1 。轧制工艺不 仅用于实现复合的坯料的进一步加工，而且也用作为一种有效的复合制备技术。 轧制技术易于实现大规模工业化生产，同时不存在像电镀和物理化学方法覆层所 带来环境污染问题，它将是一种具有非常好的有发展潜力的金属层状复合材料制 备加工技术。在轧制成形的产品中，板带材的比重超过了其总产量的一半以上。 它作为众多制造工业基本原材料，市场容量大，尤其高质量的冷轧板带材更是供 不应求，而且这类产品很大一部分是以表面覆层或镀层的状态上市，因此高质量 板带材轧制复合生产技术的开发具有良好的社会效益及直接的经济效益。此外， 特殊性能要求的复合板带材应用的日益广泛，也将为这类技术产品提供巨大的市 场。 虽然轧制复合技术已经具有好几十年的发展历史，并且成功地用于了工业生 产实践中，但是它还远远没有达到该技术本身所具有的能力范围。实现复合的大 变形要求超出了传统轧制技术范畴，从而大大制约了技术的推广，很多研究工作 从不同角度作了大量有益的探索，但是用于指导技术实施的系统化工艺理论还不 完善。这方面的研究将是轧制复合技术在今后发展过程中必须解决的关键问题。 下面从三个方面简述轧制双金属工艺方法及发展研究现状。 、1 1 3 1 热轧复合 热轧复合方法是将被复合的金属坯料在高温高压下进行轧制变形，受热和力 的同时作用而使不同金属进行焊合的一种工艺方法。这种方法从3 0 年代一直沿 用至今，仍是一种重要的复合方法。它的基本工艺特点是单块组装热轧复合，可 以用现有设备，简单易行，可以复合大型复合板材。“3 热轧复合变形过程极其类似于单种金属热轧。高温金属塑性成形时在变形性 质上十分类似于粘滞流体，两种金属间接触表面在剪切变形力的作用下更趋向于 流体特性。一旦新生金属表面出现，它们便产生粘着摩擦行为，利于接触表面问 金属的固着。以固着点为基础( 或核心) ，在高温热激活条件下形成较为稳定的热 扩散，从而实现金属间的焊接结合。轧后的余热将使两种金属间的原子扩散更加 充分，从而形成良好的复合，有关研究己证明这种扩散的有效性0 1 。不过，如 果两种金属趋向于形成脆性化合物时，对于复合过程的实旌将是致命的。 热轧复合方法已经成功地用于了工业生产中。除焊接扩散过程外，热轧复合 中南大学顸：i ：论文第一章文献综述 在很多方面与一般的热轧工艺没有大的差异，现有的轧制理论在一定程度上仍然 适用相关工艺的分析。 1 3 2 等辊冷轧复合 为解决热轧复合时对某些金属间脆性化合物的形成难以控制问题，冷轧复合 方法便应运而生。在上世纪5 0 年代，美国首先提出了表面清理、大变形复合、 复合界面的热扩散处理的工艺路线图。这种工艺方法先后在工业生产中得到逐步 实施，并部分替代了热轧方法生产的产品。 随着等辊冷轧技术的开发，其工艺理论的研究也逐步深入，主要集中在如下 几个方面。 ( 1 ) 复合变形率。它是实现复合及制定复合轧制工艺的基础，由于冷轧变形 过程中被复合金属问的接触状态区别于热轧过程，同时冷变形的热激活较之热轧 要弱得多，极大的一次变形率构成了该工艺的基本特点，在一般情况下往往需要 高达5 0 一1 0 的变形率。1 。 ( 2 ) 复合过程的接触变形。两金属问的接触变形直接制约着复合的发生和发 展，最有利的变形条件的寻求是制定最佳工艺方案的基础。有关研究表明“，两 金属的接触表面间存在着适当的相对剪切移动变形，将形成有利的复合变形条 件。 ( 3 ) 轧制力和轧制力矩。它们是轧制工艺的基本参数，工程法“”、上限法“” 和实验方法等对轧制力、轧制力矩与复合过程及复合效果的解析，为改进工艺和 选择工艺参数提供了一些有益的探索。 ( 4 ) 复合界面的热扩散处理及复合效果的研究。复合产品质量的好坏是评价 复合工艺成功与否的标准，复合界面的热扩散处理是保证复合界面获得稳定的结 构和性能的基本方法，因此针对这些方面的研究工作相对开展较多。一般认为， 大于某一临界变形程度便能保证有效的复合，而低温长时间的扩散退火处理，是 获得理想复合界面结构的最佳工艺”“。 关于等辊冷轧复合方法的研究虽然已经取得了较大的进展，但是在研究的深 度及广度上还没有达到工艺理论系统化的程度。大的复合变形率对轧机提出了很 高的要求，使得工艺的应用范围受到了较大的限制。此外，轧制成材率，板带材 的板型等等问题也很难得到有效的解决。正是这些问题使得该项工艺技术的发展 受到一些限制。 6 中南大学硕：l 论文 1 3 3 异步车l $ 1 j 复合 第一章文献综述 冷轧复合方法虽然在技术上是可行的，但是单道次的变形程度高达5 0 一7 0 是一般的轧机难以承受的。正是这一缺点使它的推广和大规模工业化生产难以实 现。但是轧制生产方法的特点决定了其诱人的前景，令研究者们难以割舍，于是 异步冷轧复合方法作为一个新的切入点在近年来开始提出。 异步轧制工艺作为一种6 0 年代才开始兴起的新兴的板带材车- l $ 1 j 生产技术， 自从它问世以来就引起了人们极大的兴趣“。由于依据改变上下轧辊辊径或上下 轧辊转速从而使轧辊线速度不同，车l $ 1 j 变形区中存在一个与摩擦力方向相反的搓 轧区，使轧件处于大的剪切变形区中，可以大幅度降低轧制压力，解决等辊径等 辊速轧制方法完成大变形方面能力不足的问题。 异步轧制复合方法自从7 0 年代提出以来便获得了研究者们的关注。虽然已 经取得了大量的研究结果，但是离大规模的实际生产还有一定的距离。如果一些 关键性的技术问题能得到有效的解决，相信这一技术能够得到较好的推广。目前 关于这种方法及其基本理论的研究可以作如下几个方面的概括。 ( 1 ) 车l $ 1 j 过程中的变形关系。根据总变形率与两种金属各自的变形率关系可 以得到轧后轧件的层厚比。两种金属各自的变形率与轧制总变形率里线性关系， 其变化的强弱程度取决于轧件的层厚比。“7 1 对于双金属的复合轧制而言，若不考虑轧件的宽展，虽然两种被车l $ 1 j 的金属 之间的力学性质存在着差异，但是由于辊缝的限制，在不考虑两金属问相对的滑 动时，除了两种材料的受力状态有所差异之外，它们的在辊缝内变形的流动特点 与单一金属轧制应该是基本一致的。在辊缝的约束下两种材料之间要保证这种流 动状态的一致性必然导致一个附加的应力场，而该应力场一旦在两种材料之间失 去辊缝的约束时开始发生作用，即在轧件离开辊缝的瞬间开始释放。因此，轧件 的弯曲发生在轧件离开轧辊的瞬间，而引起弯曲的力来源于两种材料彼此协调变 形时集聚的附加应力场。对于异步车l $ 1 j 而言，还须考虑由于轧辊辊径差和轧辊辊 速差所引起的附加力矩。在等辊径等辊速轧制条件下，由于两金属组元的变形抗 力、塑性条件、摩擦状态不同，将引起轧件的纵向弯曲。异步轧制时，由于轧辊 辊径差和轧辊辊速差所引起的附加力矩，将引起轧件的弯曲变化，因此，异步轧 制可以调节双金属板的弯曲曲率，可以得到平直的轧件。“” ( 2 ) 复合过程的发生。复合过程是一个从接触表面向结合界面的转化过程， 在这个过程中两接触表面问的变形显得尤其重要。因为复合的发生除了取决于被 复合的两种材料本身的结构特性之外，新表面的产生将决定着复合过程的进行。 由于复合过程中充分的扩散或化学反应往往是不可能的，因此结合界面上产生一 层最佳的过渡层，将是保证结合强度的基础。界面热力学分析结果表明，如果初 中南大学顶：i ：论文第一章文献综述 始表面处理得当的话，这层最佳的过渡层是可以实现的。“” ( 3 ) 复合强度。大量的研究结果表明，复合的发生和复合界面的发展是由两 种金属在复合接触变形过程中新生表面的产生量所决定的。对于某一种变形方式 而言，表面的变形随变形体整体的变形有着基本固定的关系，因此，复合的发生 与变形体的变形量有着确定的关系。 复合的效果从微观上表现为复合界面结构形态的变化，从宏观上表现为结合 强度的变化。实验测试结果表明，当复合发生时，随着变形程度的增加，复合强 度的逐渐增大，当变形程度达到某- i b 界值时，复合强度将急剧增加，并达到被 复合的软金属的强度值。在异步轧制条件下由于搓剪变形的存在，接触复合表 面的变形易于发生，因此复合变形的临界值较小，利于达到复合的效果。啪 ( 4 ) 轧制力和力矩。在异步g l t i d 条件下，轧件的变形流动较为容易，轧制力 将明显减小，轧制力矩的变化随压下量的变化将发生性态上的改变，就复合所要 求的变形程度而言，将分别出现一个轧辊为正、一个轧辊为负的传动力矩，但总 的轧制力矩较等速等辊径轧制时有较大幅度的减小。”o 与等辊同步轧制复合相比较，异步轧制复合除在实施复合变形的方式上有所 差异外，其它做法和过程完全一致。虽然异步轧制在一定程度上解决了变形力过 大的问题，但是它并未从根本上解决大变形的基本要求。由此带来的技术问题将 构成当前研究的焦点。热轧复合的特点决定了它仍将是一种较厚复合板料的有效 生产方法。等辊径等辊速复合由于变形力大，同时其它方面的优势也不突出，它 将被异步复合方法所取代。但是在某些复合产品的生产中，它仍是一种有效的工 艺方法。异步复合要想得到广泛的应用还必须在工艺理论方面进行深入的研究， 并以此为基础，解决由于复合大变形要求所带来的工艺技术问题。 在工艺实旌方面，热轧复合工艺相对趋于成熟。由于冷轧复合要求的变形程 度较大，它与单一的金属板带材的轧制工艺存在着较大的差异，并构成了这类复 合轧制的特点，要注意下面一些基本问题。0 2 1 ( 1 ) 板型的控制。较大的单道次变形将使板型的控制十分困难。为了获得良 好的复合带材，应根据被复合金属的变形特点和复合层厚度要求的变化，正确设 计轧辊辊型。 ( 2 ) 轧件的边裂。单道次大变形极易造成轧件的边部开裂变形。这种边裂不 仅会影响轧制复合效果，而且还会导致轧制成材率由于边部切损的增大而下降。 在工艺实践中，除对坯料进行良好的初始均匀化退火外，在适当的情况下应考虑 用软金属进行包边轧制。 ( 3 ) 轧制异步比的合理选择。异步轧制能明显地降低轧制力和总轧制力矩， 同时也能较好地实现复合变形的要求。但是随着异步比的增大，搓剪变形加剧， 中南大学硕士论文第一章文献综述 当这种搓剪变形达到一定的程度时，由于两种金属流动特性的差异将会导致复合 接触表面的相对滑动，不利于复合的发生。因此，轧制异步比不宜过大，而应控 制在一个适当的范围内。 ( 4 ) 轧制速度的选择。从复合变形的角度来看，控制好z c l $ l j 速度有利于复合 变形，但是当轧制速度过高时，工艺控制的难度增大。轧制速度最好根据工艺操 作的实际情况确定在一个比较合适的范围内。 ( 5 ) 轧制复合后的热扩散处理。一般地说，冷轧复合后的轧件虽然已经实现 了较好的复合，但是复合界面的过渡结构在很大程度上并未完全实现。要保证材 料的使用效果，采用z c l $ , j 后界面的热扩散处理是必不可少的1 。 1 4 双金属轧制的理论及模拟现状 1 4 1 现代轧制理论概述 早期的轧制理论研究，为了适应于以手工操作和单体设备机械化为主的轧钢 生产过程的需要，主要解决诸如轧制压力、力矩、功率、宽展、前滑等s l $ j 过程 参数的近似计算问题，提出了卡尔曼( k a r e l a f l ) 方程和奥罗万( 0 r o w a n ) 方程， 以及以这两个方程为基础附加一些假设条件推导出的一些轧制压力公式、宽展公 式等，并逐渐形成了以工程法( s l a bm e t h o d ) 为核心的传统轧制理论体系。上 世纪6 0 年代以后，轧钢生产和轧制技术飞速发展，对轧制理论研究工作提出了更 高的要求，控制参数越来越多，相应地以计算机为工具、以现代数值分析方法为特 征的现代轧制理论研究得到了迅速发展。各种数值分析方法在求解各类轧制问题 中表现出很强的生命力，目前已成为z c l 相j 理论研究中的最为有效的工具。各类数 值方法概述如下： ( 1 ) 初等理论中的数值方法。数值方法在轧制理论分析中的应用是从初等 解法开始的，即利用数学上解偏微分方程的有限差分来求解轧制理论中的卡尔曼 方程或奥罗万方程，其基本思路是在变形区内取微元体d v ，研究微元体d v 上的 力平衡关系i 建立平衡微分方程，然后在变形区内进行差分网格分割，用差分法 在已知的边界条件上求解所建立起的微元体上的力平衡方程。这种解法所得的结 果一般能够定性地符合轧制压力分布规律和金属流动规律，但其计算精度还需提 高。 ( 2 ) 滑移线理论及其数值解法。滑移线理论是上世纪2 0 年代出现的，现在 己用于分析多种金属成形过程。用滑移线法求解时，假设屈服切应力k 在整个塑 性区之内是不变的。当主切应力值达到屈服切应力时，即沿着滑移线发生塑性变 形。滑移线具有一系歹特性，根据这些特性和边界条件可以做出滑移线场，应用 9 中南大学顾：l 二论文第一章文献综述 h e n k y 应力方程可以得出静水压力与滑移线转角规律，并求出塑性区中各点的应 力分布。此法是数学、力学、几何学等的巧妙结合，它把塑性变形中的一些复杂 的理论问题转化为构作滑移线网的技巧问题，使人们对金属的变形区域和变形方 式有非常直观的印象，但它只能处理平面变形或轴对称问题，对轧制中的宽展、 前滑这类变形参数无能为力，也无法解决诸如温度、材料性质等参量的不均匀分 布问题，对加工硬化问题也较难解决。 ( 3 ) 能量法及其数值解法。能量法的基础是刚塑性材料的变分原理，其求 解过程一般是根据所处理的边界条件来设定含有若干个待定参数的运动许可速 度场或位移场，然后利用塑性力学理论把总能耗率泛函或总能量泛函表达为这些 待定参数的函数，再利用数学上的极值理论，求泛函的一阶变分并置零，得到以 这些待定参数为变量的方程组，解出全部待定参数，进而利用塑性力学的基本关 系式求出变形参数和力学参数。因其核心是求泛函的变分问题，此解法也称变分 法。1 9 8 9 年木内学等应用能量法求解了复合材料的不对称轧制过程“。用能量 法可直接得出功率、转矩和由速度场所决定的宽展、前滑等，但不能直接得出应 力分布，也难以处理温度、变形抗力等不均匀分布的问题。 ( 4 ) 极限分析法。极限分析法是应用上下界限原理寻求接近真实解的变形 力和能以及金属流动问题。在实际的加工成型过程中，要求出既满足物理方程， 又满足塑性条件式的解是十分困难的，可以放松一些要求寻求解的上下界限，在 上界解中找出最小的，在下界解中找出最大的，使之接近完全解，据此进行的解 析方法就是极限分析法。 ( 5 ) 有限元法。有限元法是把工件假想划分成有限个用结点连接的单元，。 以结点上的位移或速度为未知量，利用最小能原理和解相应的方程组确定此未知 量，按结点位移或速度与单元内的应变以及与单元内的应力之间的关系确定各单 元的应力和应变的分布。由于对分割的小单元可以单独处理，从而可解温度等不 均匀分布的问题。根据所假定的工件材料不同，应用于塑性加工的有限元法可分 为弹塑性有限元法、刚塑性有限元法和粘塑性有限元法。 弹塑性有限元法是6 0 年代末由p v 马卡尔( m a r c a l ) 和山田嘉昭导出的弹塑 性矩阵而发展起来的。不少研究者用此法对平板轧制、锻压、挤压、冲压等塑性 成型问题进行了解析，得到了关于塑性变形区扩展、工件内部应力和应变分布以 及变形力能等信息，此外还可以训算工件内的残余应力。但弹塑性有限元法为了 保证计算精度和解的收敛，在每步的计算中所给的变形量不允许使多数单元屈 服，只能用很小的变形量，故也称小变形量弹塑性有限元法。 刚塑性有限元法是1 9 7 3 年小林史郎和c h 李提出的，原理是运用刚塑性材 料的极值原理，按能量最小确定缩点和单元的速度场，然后利用本构方程确定各 中南火学顾：l ：论文第一帝文献综述 单元内的应变和应力分布。它的每一计算步变形量可以取稍大些，能用比弹塑性 有限元法更短的时间计算较大变形的问题。它忽略弹性变形，不适宜小变形分析 计算。它不能计算残余应力。 1 9 7 2 年0 c 齐基维茨( z i e n k i e w i c z ) 提出了粘塑性有限元法，它主要用于 求解轧制问题，其基本特点是采用p e r z y n a 的粘塑性本构关系，用罚函数法可取 泊桑比逼近0 5 的方法来处理不可压缩条件，在接触表面布置一排很薄的单元来 处理摩擦条件。它应用没有弹塑性和刚塑性有限元法广泛。 除上述数值方法外，还有加权残数法及复合数值法等。 i 4 2 双金属轧制理论研究现状 采用冷轧法是生产双金属产品的一种重要方法。与轧制单一轧片