冷轧平整界面三维表面形貌转印过程跨尺度研究

The surface topography of cold rolled steel strip is crucial to its drawability, tribological performances and coating property, which is transferred from textured surface of work roll in cold temper rolling process. To master the rule and characteristics of transfer of 3D surface topography at cold temper rolling interface, first of all, the surface topography of cold rolled steel strip and work roll at contact position is measured and compared by image matching and stitching technology. In the combination with the nano-indentation and nano-scratch tests, the mechanism of 3D surface topography transfer can be quantitatively described by press-in and plowing of the asperities. Secondly, within the framework of conventional mechanism based strain gradient, the constitutive model of IF steel describing scale effect will be established based on dislocation hardening model, micro and macro mechanical tests. Finally, the multi-scale model including both macroscopic plastic deformation of substrate material and microscopic surface topography transfer of surface material is established. Then, it can be used to analyse the effect of scale effect, original surface topography and rolling parameters on surface topography transfer. The research can help us reveal the mechanism of surface topography transfer and derive the general rules of the process, which will build up a theoretical foundation for the high quality strip surface topography control.

冷轧带钢的表面形貌是在冷轧平整过程中由轧辊毛化表面转印形成的，对其冲压、摩擦和涂镀性能有重要影响。为掌握冷轧平整界面三维表面形貌转印过程的特征与规律，本研究将首先采用图像拼接与匹准的技术完成轧辊、带钢接触位置三维形貌的对应性测量和比较，结合纳米压痕、划痕实验，定量描述以微凸体压入和犁沟耦合作用为基础的三维形貌转印机制。其次，将在低阶应变梯度塑性理论框架下，结合IF钢宏、细观力学实验建立能够解释形貌转印过程中尺度效应的基于细观位错模型的材料本构关系。最后，建立包含宏观带钢基体塑性变形和细观三维形貌转印的多尺度有限元模型，对冷轧平整界面三维形貌转印问题展开数值模拟，分析尺度效应、毛化轧辊初始形貌和宏观轧制工艺参数对形貌转印过程的影响。该课题研究有助于揭示冷轧平整界面三维表面形貌的转印机理，掌握尺度效应下三维形貌的转印规律，为高质量冷轧面板表面形貌的控制奠定基础。

冷轧带钢的表面形貌是在冷轧平整过程中由轧辊毛化表面转印形成的，是冷轧带钢最重要的表面质量指标之一，对高档汽车面板和家电面板的冲压性能以及辊涂或喷涂后漆面与基体结合力有很大的影响。研究制定高质量面板表面形貌的控制工艺方法是提高冷轧产品表面质量的当务之急，在研究冷轧、平整过程细观表面形貌的转印行为中，需要迫切解决的基本科学问题表现为：冷轧平整过程形貌转印的机理问题，冷轧平整过程形貌转印的尺度效应问题，冷轧平整过程形貌转印的跨尺度建模问题。为此，本研究首先采用图像拼接与匹准的技术完成了轧辊、带钢接触位置三维形貌的对应性测量和比较。其次，在低阶应变梯度塑性理论框架下，结合IF钢宏、细观力学实验建立了能够解释形貌转印过程中尺度效应的基于细观位错模型的材料本构关系。最后，建立了包含宏观带钢基体塑性变形和细观三维形貌转印的多尺度有限元模型，对冷轧平整界面三维形貌转印问题展开数值模拟，分析尺度效应、毛化轧辊初始形貌和宏观轧制工艺参数对形貌转印过程的影响。该课题通过对三维形貌转印现象、机理、建模的深入系统研究，总结了尺度效应下三维形貌的转印规律，为高质量冷轧面板表面形貌的控制奠定基础。本课题侧重理论研究与实际应用的融合，在项目开展过程中，在跟踪测量实际生产中带钢表面形貌的基础上，分析了复印形成的带钢表面形貌的特征及规律，建立了轧辊处于不同磨损情况下油膜厚度与粗糙度复印率的关系，最终提出了冷轧成品带钢表面粗糙度的控制策略。为合作单位高质量汽车面板的生产提供了指导作用，带来显著技术进步与经济增长点，具有向其他生产企业进行推广的价值潜力。