脉冲电流辅助下超薄不锈钢带轧制的晶体塑性有限元仿真研究

《Materials Today Communications》：Study on crystal plastic finite element simulation of ultra-thin stainless steel strip rolling assisted by pulsed current

晶体塑性理论模型考虑滑移与孪生效应，模拟脉冲电流辅助不锈钢薄带轧制过程，揭示电流对晶体塑性参数的影响，建立耦合热效应与电效应的流动方程及强化方程，通过有限元模型对比分析发现通电轧制可降低25.1%轧制力，减少24.5%最大应力，改善变形均匀性。

　　

FAN Wanwan|REN Zhongkai|YANG Yayu|HE Dongping|WANG Tao

太原理工大学机械工程学院，太原 030024

摘要

基于晶体塑性理论，建立了一个考虑滑移和孪晶的晶体塑性本构模型，该模型能够准确反映脉冲电流作用下超薄不锈钢带的塑性变形行为。根据脉冲电流对晶体塑性参数的影响，建立了结合热效应的流动方程和结合电效应的硬化方程。构建了脉冲电流辅助下超薄不锈钢带轧制的晶体塑性有限元模型，模拟了室温轧制和通电轧制过程。结果表明，脉冲电流辅助轧制可以显著降低所需的轧制力，减少轧制变形区内的接触应力和摩擦应力，并降低由晶粒各向异性引起的轧制力波动。在相同的轧制变形量下，通电轧制所需的轧制力比室温轧制降低了25.1%。此外，脉冲电流辅助轧制还可以降低滑移阻力和应力集中，促进滑移系和孪晶系的运动。在相同的变形量下，通电轧制的最大应力降低了24.5%，最大滑移阻力降低了24.6%。

引言

电辅助成形是一种将电流加载到金属材料塑性变形过程中的新兴技术[1]，[2]。作为瞬时高密度能量输入，脉冲电流具有作用时间短、响应速度快和能量利用率高的特点[3]，[4]。与传统热成形工艺相比，脉冲电流辅助可以在相对较短的时间内实现更高的能量输入，这对金属材料的微观结构和性能有显著影响[5]，[6]。因此，研究团队对脉冲电流辅助轧制超薄不锈钢带进行了实验。研究发现，脉冲电流可以改变不锈钢的塑性变形机制，减少加工硬化，增加道次变形量，并提高塑性变形能力[7]，[8]。然而，通过实验定量研究脉冲电流对材料塑性变形的具体影响较为困难。因此，将实验现象转化为可靠的理论基础和数值模型是揭示脉冲电流辅助变形机制的有效途径。

基于电辅助成形的实验数据，Roh等人[9]建立了一个经验本构方程，考虑了电塑性系数来描述脉冲电流作用下铝合金的塑性变形行为。Wang等人[10]建立了一个考虑应变硬化、速率硬化、热软化和电子风效应的AZ31镁合金电辅助拉伸的塑性本构模型。Xu等人[11]建立了一个考虑电流对位错运动影响的电辅助成形过程塑性本构模型。这些模型可以定量描述热效应和非热效应，但这些模型的共同特点是均质化假设，无法反映晶粒尺度上的不均匀变形[12]。

晶体塑性有限元方法（CPFEM）结合了位错滑移、晶体旋转和材料的宏观变形，能够从晶粒尺度准确描述材料的各向异性行为，是研究不均匀变形的有效工具[13]，[14]。Chen等人[15]使用CPFEM分析了不对称轧制对单层晶体铜带滑移带演变的影响。Ma等人[16]使用CPFEM研究了织构和晶粒尺寸对铁素体不锈钢带轧制变形过程中表面起皱的影响。Huo等人[17]，[18]建立了铝带轧制的晶体塑性理论模型，发现轧辊的弹性变形以及变形区的正向和反向滑移对铝带的几何精度和表面质量有显著影响。

然而，上述晶体塑性有限元模型没有考虑热效应和电效应的影响，无法直接用于脉冲电流辅助变形的模拟。研究团队在初步实验中发现，电辅助不锈钢带的塑性变形主要是位错滑移和变形孪晶[19]。为了准确反映脉冲电流对超薄不锈钢带塑性变形过程的影响，本文基于晶体塑性理论建立了一个考虑滑移和孪晶的晶体塑性模型。通过电辅助拉伸和等温加热拉伸实验，探讨了热效应和电效应对晶体塑性参数的影响，并建立了一个考虑脉冲电流效应的本构模型，以模拟超薄带的通电轧制过程并研究电流对轧制过程的影响。

节选内容

考虑滑移和孪晶的晶体本构模型

基于连续变形理论和变形梯度分解[20]，总变形梯度$F$可以分解为由于晶格畸变和旋转引起的弹性变形梯度$F^e$，以及由于位错沿滑移系和孪晶系运动引起的塑性变形梯度$F^p$。$F=F^e{F}^p$

面心立方金属包括12个{111}<110>滑移系和12个{111}<112>孪晶系。孪晶变形通常是瞬时完成的，但是

电辅助超薄带轧制试验

使用参考文献[7]中构建的脉冲电流辅助超薄带轧制试验平台，对厚度为0.1毫米、平均晶粒尺寸约为18微米的304超薄不锈钢带进行轧制试验。通过使用氮化硅陶瓷工作辊、耐高温绝缘涂层等方法解决了轧制设备的绝缘问题。数字可编程脉冲电源向超薄带施加脉冲电流

轧制力和接触应力分析

图9显示了在相同轧制变形量下，室温轧制和通电轧制过程中轧制力随轧制时间的变化情况。在稳定的轧制变形阶段，室温轧制和通电轧制都表现出一定范围的轧制力波动，且轧制力波动的趋势相似。轧制力的波动主要是由于形貌、取向差异以及相互作用所致

结论

基于位错滑移、变形孪晶、晶体旋转和不锈钢的宏观变形的结合，建立了一个考虑滑移和孪晶的晶体塑性模型，该模型能够准确反映脉冲电流作用下超薄不锈钢带的塑性变形行为。主要结论如下：

(1)

根据脉冲电流对晶体塑性参数的影响，建立了结合热效应的流动方程

作者贡献声明

He Dongping：数据整理。Wang Tao：指导、资金获取。FAN Wanwan：撰写——初稿。Ren Zhongkai：软件开发。Yang Yayu：形式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金重大项目（U22A20188）、国家杰出青年科学基金（52425504）、海安市太原理工大学先进制造与智能装备产业研究院开放研究项目（2024HA-TYUTKFYF011）、新疆智能装备研究院委托的技术开发项目（XJY2025011）以及国家金属重点实验室的支持