碳钢芯/不锈钢包层复合钢筋成形理论及实验研究

采用理论研究、数值模拟与实验研究有机结合的方法系统地研究不锈钢包层复合钢筋轧制工艺参数、复合成形机理、性能影响因素等问题。主要是通过理论研究，建立不锈钢包层复合钢筋轧制的有限元模型，研究双金属塑性流动规律；研究孔型参数对不锈钢包层复合钢筋轧制过程中界面应力应变的影响，设计出保证不锈钢与碳钢芯界面复合压力条件的孔型系统；借助不锈钢和碳钢在不同温度下机械性能具有较大的差别的特点，建立与孔型系统相匹配的，最有利于不锈钢包层与碳钢芯复合的轧制工艺和温度制度。通过轧制实验，观察不锈钢-碳钢的结合情况，研究不锈钢包层钢筋结合机理，提出轧制工艺参数对金属结合强度的影响规律；通过以上研究，解决不锈钢包层复合钢筋成形的基础问题，为不锈钢包层复合钢筋的规模化工业生产提供必要的支撑。

本课题试图探索一种新的不锈钢覆层钢筋的制作方法。由经过处理的碳钢芯和不锈钢外壳组成的复合棒材，经过一定的压力加工工艺达到所需的产品规格，并使两金属形成冶金结合。这种材料既有不锈钢的耐腐蚀性又具有碳钢的机械性能，和实体不锈钢钢筋相比又具有价格低廉的特点。本课题主要做了如下的研究工作:.1. 建立了正确反映不锈钢/碳钢覆层钢筋轧制过程的有限元模型。对商业有限元软件MSC.MARC进行二次开发，编写子程序，通过程序判断节点与接触面是否粘结，并和其它常用界面处理方法以及实验结果进行比较，证明了使用本文方法可以合理判断轧制过程中两金属的接触复合状态。.2. 研究了不锈钢/碳钢覆层钢筋轧制过程中金属的变形与单一金属轧制的区别。结果显示两者的变形存在一定的差异，轧制单一金属的孔型系统不能够轧制覆层钢筋。在此基础上设计出了适合复合钢筋轧制的孔型系统..3. 在有限元模拟的基础上，对比研究了平椭-圆孔型系统和菱-菱孔型系统轧制不锈钢/碳钢覆层钢筋过程中对界面间接触应力、不锈钢壁厚分布规律的影响。以菱-菱孔型系统对象，研究了孔型参数、不锈钢壁厚、轧辊与轧件间的摩擦对双金属复合效果和宽展的影响。.4. 为进一步了解不锈钢/碳钢芯覆层钢筋的实际轧制复合效果，进行了热轧实验。对比了平椭-圆孔型系统和菱-菱孔型系统的优缺点，发现使用菱-菱孔型轧制复合效果较好，因此在菱-菱孔型热轧的基础上，研究了覆层钢筋的机械性能和金属间的元素扩散情况，分析了轧制道次、压下量、轧制温度、微推力等工艺对覆层钢筋变形及复合效果的影响。随轧制道次，压下量，轧制温度的提高以及微推力的使用，金属间复合效果改善。.5. 对不锈钢包层钢筋拉拔-钎焊工艺进行了实验研究，不锈钢/铜，碳钢/铜的界面结合良好，采用钎焊工艺制备不锈钢/碳钢包层钢筋是可行的。不锈钢，碳钢，铜之间发生了冶金扩散结合，结合面的剪切强度达到301MPa。通过对结合区的分析，铜中间层中出现了气泡状的铁基固溶体，提高了金属间剪切强度以及铜层的显微硬度。. 本课题研究目前发表论文16篇，其中SCI收录5篇，EI收录3篇。培养博士研究生2名，硕士研究生4名。