(1.太原理工大学机械与运载工程学院， 山西 太原 030024；2.太原理工大学先进金属复合材料成形技术与装备教育部工程研究中心， 山西 太原 030024；3.太原理工大学金属成形技术与
不锈钢/碳钢复合板既发挥了不锈钢的强耐腐蚀性、高耐磨性、高耐热性和高磁性，又结合了碳钢的易焊接性、高导热性和易延展性等优势。然而，不锈钢/碳钢复合板较低的结合强度严重限制了其广泛的应用。提出采用纵波轧制(LCR)制备不锈钢/碳钢复合板的工艺，从试验和有限元模拟2个方面研究了变形过程中搓轧区对复合板结合强度的影响，并与平辊轧制(FR)工艺作对比。根据结果得出，LCR复合板在波峰和波谷处的拉剪强度分别为315.94 MPa和329.48 MPa，FR复合板的拉剪强度为277.77 MPa。波峰和波谷处的拉剪强度较FR复合板分别提升了13.7%和18.6%。通过对拉剪断裂面进行元素扫描分析发现，LCR复合板波峰和波谷的断裂位置处于Q235B基体中，FR复合板的断裂位置在结合界面上。LCR复合板的拉伸强度和断后伸长率均优于FR复合板。利用有限元模拟获得LCR和FR变形区复合板的应力状态分布，LCR变形区中部分金属处于两向压应力和一向拉应力状态，应力状态更接近纯剪状态，LCR复合板在轧制过程中受到拉应力和强烈的剪应力共同作用。与FR变形区不同，LCR变形区由于波纹辊型的影响，在轧制方向和宽度方向上均存在搓轧区。搓轧区增强不同金属之间的剪切作用，有利于金属表面氧化层和硬化层的破碎，从而促进2种金属的相互结合，提高复合板的结合强度。
金属复合板结合了不一样的材料的优点，能够在节省稀有金属的前提下提高原材料的强度、硬度和抵抗腐蚀能力等综合性能，目前其慢慢的变成了研究的热点。不锈钢/碳钢复合板具有不锈钢的强耐腐蚀性、高耐磨性、高耐热性和高磁性，又具有碳钢的易焊接性、高导热性和易延展性，已经在核反应堆、石油化学工业、能承受压力的容器、跨海大桥、海水淡化设备、航空航天等领域得到普遍的应用。目前生产不锈钢/碳钢复合板的方法主要有真空热轧法、爆炸焊接法、扩散焊接等。真空热轧法生产出的复合板具有复合率高、效率高、连续性好、界面杂质少等优势。
目前国内外学者对怎么样提高不锈钢/碳钢复合板的结合强度进行了大量的研究。于涛等采用真空热轧法研究了界面微观组织形貌对复合板结合强度的影响。根据结果得出，复合板的结合强度与压下率呈正相关，经过多道次的轧制后，界面的结合程度逐步的提升，界面处的孔隙明显减少，结合强度得到了提升。赵云鹏等研究了在不同轧制温度下添加纯铁中间层对不锈钢/碳钢复合板力学性能的影响，根据结果得出，相同温度下在加入纯铁中间层后复合板界面的元素扩散距离减小。从不加纯铁中间层、加入1 mm厚的纯铁中间层到加入2 mm厚的纯铁中间层，复合板的强度和伸长率逐步的提升。雷冬等研究了热处理对复合板力学性能的影响，通过对比热处理前后复合板的力学性能发现，高温快速冷却与低温慢速冷却相结合的热处理办法能够提高不锈钢/碳钢复合板的力学性能，剪切强度可提高到289 MPa。
传统的平辊轧制工艺制备出的复合板存在残余应力大、板形易翘曲、结合强度低等问题，不锈钢/碳钢复合板的综合性能亟需逐步提升。近年来作者所在课题组提出一种横波纹辊轧制制备复合板的工艺，上辊沿圆周方向呈波纹形状，下辊是光滑的平辊，目前已通过试验制备出Cu/Al、Mg/Al等复合板，并进行了相关的研究。横波轧制工艺在待结合界面处产生不均匀的剪切应变，促进界面的不均匀变形，轧后复合板为三维波纹状结合界面，界面处的晶粒得到了明显的细化，提高了结合强度。通过有限元模拟发现，在横波轧制过程中复合板上下表面的剪切应力方向相反，产生了搓轧区。搓轧区加剧结合界面的剪切作用，有助于异种金属的复合。
基于以上工艺的优势，本文提出不锈钢/碳钢复合板纵波轧制(LCR)复合工艺，并与传统平辊轧制(FR)工艺对比。通过有限元模拟和试验等方法研究纵波轧制中产生的变形行为对不锈钢/碳钢复合板力学性能的影响。
1)本文提出了LCR工艺制备不锈钢/碳钢复合板。与FR复合板相比，LCR复合板在波峰和波谷的拉剪强度分别提高了13.7%和18.6%。LCR复合板具有更高的拉伸强度、伸长率以及结合强度。
2)在轧向上，LCR变形区上下表面相反的剪切应力形成搓轧区；而FR变形区上下表面剪切应力方向相同。在横向上，LCR中波纹辊型使得上下表面产生相反的剪切应力，形成搓轧区；FR变形区的金属由中间向两侧流动，上下表面的剪切应力方向相同，无搓轧区产生。
3)LCR变形区轧向和横向上的搓轧区加剧了结合界面上2种金属的剪切作用，从而有利于金属表面氧化层和硬化层的破碎和内部新鲜金属的流出，提高复合板的结合强度。FR变形区没有搓轧区，2种金属相互搓动作用较小，结合强度较低。
4)波纹辊型改变了金属的流动和应力状态，LCR变形区金属的应力状态更多地分布在η-平面的区域3中，且LCR复合板的应力状态更靠近=0，接近纯剪状态，轧制过程中剪切作用更强，有利于提高复合板的结合强度。
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