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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。 - 1 - 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： [10] 1) 轧制过程中，忽略轧件宽展行为 ； 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