不锈钢包覆铁屑复合轧制实验及有限元模拟--《燕山大学》2014年博士论文
不锈钢包覆铁屑复合轧制实验及有限元模拟
【摘要】：随着铁矿石原材料价格的持续上涨，钢铁利润不断下降，铁屑的回收再利用越来越受到企业的关注。传统铁屑回收方法，回收率低、耗能大、高污染，已经无法满足现代社会发展的需要。随着科技生产技术的发展进步，固态回收技术正在被尝试应用于铁屑回收。不锈钢包覆铁屑复合钢筋轧制就是利用该技术回收铁屑的一种尝试，通过孔型轧制，最终使两金属实现冶金结合，人们对其制备方法已经进行了研究并取得一定的成果。然而，压下量、轧制温度、热处理工艺等对不锈钢与铁屑结合性能影响的研究仍处于空白阶段。为此，本文通过热轧制备不锈钢包覆铁屑复合材料，研究了不同工艺对不锈钢与铁屑结合的影响。
本文首先通过冷压实验确定了铁屑密度与压制力之间关系，为后续模拟提供实验数据支持。采用平辊通过热轧制备了不锈钢包覆铁屑复合材料，并研究了复合材料的机械性能及两金属间元素扩散。考察了不同道次、压下量、铁屑密度、轧制温度、添加石墨等工艺对不锈钢与铁屑结合性能的影响。研究发现，增大压下量，提高铁屑压制密度，提高轧制温度均可改善两金属间结合，而添加石墨会增加两金属的抗拉强度，降低复合材料的塑性。
为了解不锈钢包覆铁屑复合轧制过程中不锈钢壁厚分布等情况，本文对不锈钢包覆铁屑复合轧制有限元建模进行了研究。首先，通过对铁屑压制及轧制过程中变形特点的分析，确定了铁屑的力学模型。确定以商业有限元软件MSC.marc为模拟工具，选择软件中POWDERS插件作为描述铁屑材料模型的载体， Shima-oyane本构模型作为铁屑的屈服准则，最终建立不锈钢包覆铁屑复合轧制三维模型。之后，对不锈钢包覆铁屑复合轧制的工艺进行了模拟。分析了不同道次轧制过程中铁屑相对密度的变化，不锈钢的分布情况；研究了温度、不同铁屑密度对不锈钢包覆铁屑复合轧制宽展及不锈钢分布的影响，考察了不锈钢与铁屑间摩擦系数对轧制结果的影响。通过研究发现提高铁屑密度，轧制温度，道次压下量会提高两金属间接触应力，有利于两金属结合，但不利于不锈钢壁厚的均匀分布，这些为研究不锈钢与铁屑结合理论提供了参考。
通过对热轧不锈钢包覆铁屑复合钢筋的热处理实验，研究了不同热处理工艺对不锈钢与铁屑复合性能的影响，分析了不同热处理温度、保温时间对两金属结合性能的影响，并通过扩散理论分析了热处理工艺对Cr元素扩散的影响。结果显示提高热处理温度及保温时间有助于提高两金属间结合性能。
【关键词】：
【学位授予单位】：燕山大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2014【分类号】：TG335【目录】：
摘要5-7Abstract7-11第1章 绪论11-28 1.1 铁屑的回收利用11-14
1.1.1 铁屑的特点11-12
1.1.2 铁屑回收的传统方法12-13
1.1.3 铁屑回收的意义13-14 1.2 金属的固态回收14-17
1.2.1 软金属屑的固态回收14-15
1.2.2 铁屑的固态回收15-17 1.3 双金属复合材料17-21
1.3.1 复合材料概括17-18
1.3.2 双金属复合材料的制备方法18-20
1.3.3 双金属复合结合机理20-21 1.4 不锈钢复合材料的发展及现状21-24
1.4.1 不锈钢复合板的发展历史21-22
1.4.2 不锈钢复合板的研究现状22-24 1.5 课题的来源、研究内容和意义24-28第2章 不锈钢包覆铁屑复合轧制实验方案设计28-39 2.1 复合轧制坯料制备过程28-31 2.2 复合轧件轧制过程31-34 2.3 复合轧件性能测试34-38
2.3.1 结合强度测试34-37
2.3.2 界面分析37-38 2.4 本章小结38-39第3章 不锈钢包覆铁屑复合轧制实验研究39-68 3.1 不锈钢包覆铁屑复合轧制的特点39 3.2 铁屑压制实验39-40
3.2.1 铁屑压制过程39-40
3.2.2 铁屑密度与压力关系40 3.3 不锈钢包覆铁屑复合轧制实验40-51
3.3.1 轧制实验条件40-41
3.3.2 轧制实验结果41-42
3.3.3 不锈钢包覆铁屑复合材料的机械性能42-44
3.3.4 轧制试件微观分析44-51 3.4 轧制工艺的影响51-67
3.4.1 单道次压下量对复合的影响51-55
3.4.2 不同铁屑密度对复合的影响55-61
3.4.3 不同温度对复合的影响61-64
3.4.4 石墨对复合的影响64-67 3.5 本章小结67-68第4章 不锈钢包覆铁屑复合轧制有限元模拟68-98 4.1 铁屑材料模型的确定68-72
4.1.1 铁屑压制成形过程特征分析68-70
4.1.2 铁屑压制力学模型的确定70-72 4.2 有限元软件的确定72-74
4.2.1 Marc 软件 shima 模型的应用73-74 4.3 有限元模型的建立74-80
4.3.1 摩擦边界条件74-75
4.3.2 铁屑弹性模量75-76
4.3.3 铁屑泊松比76-77
4.3.4 铁屑屈服强度77-78
4.3.5 热传导边界条件78
4.3.6 复合轧制模型78-79
4.3.7 两金属结合判断79-80 4.4 有限元模拟结果分析80-96
4.4.1 材料模型对模拟结果的影响80-82
4.4.2 多道次轧制模拟82-85
4.4.3 温度对复合的影响85-90
4.4.4 铁屑密度对复合的影响90-93
4.4.5 摩擦对复合的影响93-94
4.4.6 单道次压下量对复合的影响94-96 4.5 本章小结96-98第5章 热处理工艺对不锈钢/铁屑复合性能的影响98-110 5.1 不锈钢复合钢筋的轧制实验98-100
5.1.1 轧制实验材料及方案99
5.1.2 热处理实验及性能检测99-100 5.2 热处理实验结果100-105
5.2.1 热处理对复合界面的影响100-103
5.2.2 热处理对界面硬度及剪切强度的影响103-105 5.3 Cr 元素的扩散105-109 5.4 本章小结109-110结论110-113参考文献113-123攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果123-124致谢124-125作者简介125
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