冷轧不锈钢内部夹杂物破碎行为有限元分析

冷轧不锈钢内部夹杂物破碎行为有限元分析

喻海量

东北大学，沈阳（110004）

摘要：轧件内部不可避免存在非金属夹杂物，夹杂物的变形行为对轧制产品质量具有很大的影响。本文分别对冷轧过程不锈钢内部圆形、方形和三角形夹杂物的破碎行为进行了有限元分析。结果表明：对于圆形夹杂物，可能首先从夹杂物内部发生破碎；对于方形夹杂物，夹杂物的角部首先发生破碎；对于三角形夹杂物，夹杂物角部容易发生破碎。与此同时，当夹杂物与轧件基体分离时，在夹杂物的周围产生了裂纹。

关键词：轧制；不锈钢；夹杂物；有限元

1. 前言

连铸过程中,以现有的工艺和设备情况，不锈钢内部不可避免地存在着一定尺寸的夹杂物。轧制过程中，可能由于夹杂物与轧件基体之间冶金结合强度不够，两者之间可能发生分离，并且，夹杂物可能发生破碎而形成裂纹源。所以轧制过程中夹杂物的变形行为严重影响着轧制产品的质量。目前，人们对不锈钢中夹杂物的分布、形貌、尺寸及夹杂物的化学成分进行了很多研究[1-2]。孟劲松等对鞍钢第二炼钢厂铸坯夹杂物分布进行了分析，研究发现夹杂物主要分布在铸坯表层或1/4层厚度[3]。然而，对轧制过程中夹杂物的破碎行为及夹杂物与轧件基体之间裂纹的研究报道较少。

有限元方法是一种常规的数值分析方法被用来分析轧制问题，其对轧制过程中轧件内部和表面缺陷变形行为的研究也有较多应用。Yukawa等[4]开发了2维刚塑性有限元方法应用程序，并分析了轧制过程中轧件表面裂纹和异物压入轧件表面的变形行为。Ervasti等[5]对轧制过程中轧件内部宏观夹杂物的变形行为进行了3维有限元模拟，并且分析了道次压下量和轧辊半径对轧制过程夹杂物变形程度的影响。Luo等[6]开发了刚-粘塑性有限元方法应用程序，并且应用该程序分析了热轧过程中夹杂物的变形行为。Melander[7]采用夹杂物与基体分离的模式对滚动接触疲劳载荷下轧件内部微裂纹的变形行为进行了有限元模拟，分析了不同夹杂物形状对裂纹变形行为的影响。Hwang和Chen[8]对不同轧制条件下轧制过程中轧件内部刚性圆形夹杂物与轧件基体之间孔洞和裂纹萌生机理进行了分析，研究发现夹杂物前部孔洞尺寸大于夹杂物后部孔洞尺寸。Yu[9]等提出在轧件基体和夹杂物之间建立一种过渡层单元并且过渡层单元具有材料失效能力的方法，对轧制过程中轧件内部夹杂物变形行为和夹杂物与轧件基体之间裂纹萌生与扩展进行了有限元模拟。上述研究进展表明，对轧制过程中轧件内部夹杂物变形行为进行研究是一项很有意义的研究工作。然而，目前尚没有见到应用有限元方法对轧制过程中轧件内部夹杂物破碎行为进行研究的工作报道。

作者采用3维有限元方法对多道次冷轧过程中不锈钢轧件内部夹杂物变形行为进行了模拟，研究结果表明当轧件基体与夹杂物之间紧密结合时，轧制结束后夹杂物沿轧制方向延长，沿轧件厚度方向上减薄，但是沿轧件宽度方向的变形较小[10]。因此，本文假设冷轧过程为平面应变行为，对不锈钢轧制过程中轧件内部夹杂物的破碎行为进行了2维有限元模拟，分析了夹杂物形状、夹杂物尺寸对轧制变形过程中夹杂物破碎行为的影响。研究结果对人们认识轧制变形过程中轧件内部夹杂物破碎和裂纹萌生机理具有重要的理论意义，同时，对指导轧制生产、提高轧制产品质量具有一定的实际意义。

2. 有限元模拟

2.1. 基本假设

在分析轧制过程轧件内部夹杂物变形的有限元模型中，进行如下假设：

1) 轧制过程中，忽略轧件宽展行为[10]；

2) 轧件基体与夹杂物已发生脱离，它们之间为面摩擦接触[8]；

3) 轧制变形过程中夹杂物可能发生破碎，同时促使夹杂物破碎的原因为夹杂物局部区域的塑性变形超过一定的数值[9]；

4) 轧制过程中，主要研究轧件及夹杂物的变形行为，忽略轧辊的弹性变形。

2.2. 模拟参数

图1 带有夹杂物的轧件轧制过程示意图

Fig.1 Schematic drawing of strip with inclusion during rolling

图1为带有圆形夹杂物的轧件轧制过程示意图。有限元模型中，轧辊直径（D W）为400 mm，夹杂物尺寸（D I）分别为10、20、30和40 µm，分别为圆形、方形、三角形夹杂物[7]。夹杂物处在轧制内部的1/4厚度层[3]位置上（H SI/(2H I)）。轧制入口轧件厚度（H I）为3 mm，轧制出口轧件厚度（H O）为2 mm。轧制过程中采用库仑摩擦定律进行计算，轧件与轧辊之间的摩擦系数为0.2。

轧制过程中，轧件材料为304不锈钢，夹杂材料物假设为氧化铝，有限元模型中轧辊、轧件基体[11]、夹杂物[12]的主要材料参数如表1所示。

表1 材料参数

Table 1 Materials parameters

参数轧辊轧件基体夹杂物夹杂物失效

密度, kg/m37850 7830 3800 3800

弹性模量, GPa 210 193 352 352

泊松比0.3 0.36 0.24 0.24

263.9 变形抗力, MPa - 205 263.9

失效应变- - - 0.1

2.3. 有限元模型

采用2维有限元方法对轧制过程中夹杂物变形行为进行分析。因为轧制过程轧件和轧辊近似上下对称，采用1/2轧制模型。有限元模型中，轧辊采用刚性材料模型，轧件基体、夹杂物采用双线性各向同性材料模型，具有失效能力的夹杂物采用塑性动力学材料模型。采用四边形单元对模型进行网格划分，同时，将夹杂物划分为不同的区间，由带有失效材料模型的单元进行连接。对轧件中心对称线上所有节点进行约束，其沿轧件厚度方向的位移为0。轧制过程中，轧件以一定的初始速度送入辊缝，在摩擦力的作用下被轧出。对带有不同形状夹杂物的轧件网格划分如图2所示。

(a) (b) (c)

（a ）圆形夹杂物；（b ）方形夹杂物；（c ）三角形夹杂物

图2 带有夹杂物的轧件网格划分

Fig.2 Meshing of strip around inclusions

3. 计算结果与讨论

图3所示为夹杂物尺寸为20 µm 时轧制结束后圆形夹杂物和方形夹杂物破碎情况。对于圆形夹杂物，夹杂物中心部分首先发生破碎，如图4所示，夹杂物中心部分已经脱落形成孔洞；而对于方形夹杂物，夹杂物首先发生破碎的位置为沿轧制方向145°位置的夹杂物的角部，由此预测，对于方形夹杂物，随着轧制道次的增加，其可能会变为椭圆形夹杂物，这可能就是在轧制产品中很难发现规则四边形夹杂物的主要原因。

图3 轧制结束后夹杂物破碎情况

Fig.3 Shattering of inclusion after rolling

夹杂物破碎路径