·470 工程科学学报，第40卷，第4期 KEY WORDS composite board:interface:combined performance;molecular dynamics:hot compressior 双金属复合板不仅具有单一金属所不具有的优 析得出：变形程度在30%左右就使复合板轧件产生 良性质（如同时具备高硬度、高韧性等性质），而且 破坏，不锈钢/碳钢复合板可逆冷轧时首道次压下量 还能够大幅度节约贵金属材料，降低生产成本.目 不应超过30%. 前，在多种制备双金属复合板的方法·习中，轧制复 尽管试验方法能较好地解释结合现象，但试验 合法由于其速度快、批量大、产量高等特点而成为制 分析的成本相对较高，而目前有限元分析方法并不 备双金属复合板的主要手段之一·因此，如何通过 能直接获得复合界面结合性能，只是通过复合面积 改善轧制工艺来提高双金属复合板整体力学性能一 等间接观察其变化B1-.因此，本文拟利用分子 直都是各国研究者的研究热点，特别是如何提高复 动力学(D)模拟技术，通过计算原子之间的相互 合板界面结合性能，因为界面结合性能是影响双金 作用来预测界面结合性能，并且从微观角度来研究 属复合板整体力学性能的主要因素之一日 复合金属的结合机理.目前该方法对非金属复合材 目前，关于轧制金属复合板的研究方法主要有 料界面的研究较多0.周霞等0发现：通过添加 试验分析、理论研究等方法.采用试验分析方法的 镍涂层能够显著增加碳纳米管/镁复合材料弹性模 研究主要集中在两方面，一方面是采用电镜等方法 量、屈服强度及界面结合强度.Gall等采用改进 研究复合金属的结合机理5，另一方面是研究工 的嵌入原子法(MEAM)模拟纯FCC铝和金刚石立 艺参数对整体力学性能的影响5,70.13.其中， 方硅之间的非相干界面的变形和断裂特征，发现在 陈少航0研究了压下率和轧制温度对不锈钢/碳钢 平行于界面法线的拉伸过程中，界面附近的随机点 复合板界面结合强度的影响，发现压下率和轧制温 空位缺陷的引入以几乎成正比的速率降低界面的强 度的提高都能够提高界面结合强度.Peng等研 度.同时，该方法也逐渐被运用到双金属复合板界 究了轧制应变对铜/铝金属层压板的界面发展和结 面的研究中P-0.Chen等P用分子动力学方法模 合强度的影响，发现随着轧制应变的增加，在轧制和 烧结条件下层压材料的结合强度普遍提高，并且通 拟了1150K温度下Cu-Ag体系的扩散结合，结果表 过扫描电镜和能谱分析研究了其界面发展.谢广明 明扩散层的厚度依赖于压力，压力越大扩散层越厚 等因采用真空轧制法进行了奥氏体不锈钢和碳钢 Luo等用分子动力学方法研究了Mo一T界面的 的复合，通过能谱分析发现，由于Cr、Ni和C的迁移 扩散，发现温度的升高有利于界面区域厚度的增加， 而在界面形成富Cr,Ni层和脱碳区，脱碳区强度决 并且(111)面对原子扩散比(100)和(110)面更 定了界面的结合性能.厉梁研究了温度等工艺参 有利.叶丽芬研究了不同体系温度和压力下Cu/ 数对真空复合轧制不锈钢复合板的微观组织和力学 A山复合板界面处的扩散动力学行为，结果表明，升 性能的影响，通过扫描电镜和能谱分析，发现存在由 温和加压均能促进扩散. 扩散形成的富Cr,Ni层和脱碳层，此外，随着加热温 碳钢/不锈钢复合板因具有屈服强度高、耐腐性 度的升高，复合层宽度增加，界面剪切强度也增加. 能好等优良性能而被广泛应用，但目前对碳钢/不锈 Nezhad与Ardakani在不同预热温度和压下量下 钢复合板的界面结合性能的研究还有待进一步加 对STW22钢和Al进行了温轧复合，发现结合强度 强.由于复合板的结合性能主要包括结合强度、扩 随着预热温度和总压下量的增加而增强.研究者们 散层厚度、界面结构等，因此，本研究采用分子动力 还通过有限元模拟等方法理论研究了金属复合板的 学方法对316L/Q345R复合板在不同工艺条件下进 轧制B,11s-9过程.其中，马江泽回采用ANSYS/ 行高温压缩复合模拟研究，着重研究不同因素对扩 LS-DYNA研究了压下率对不锈钢/碳钢复合板界 散层厚度的影响以研究其结合机理，并获得不同影 面结合强度的影响，发现随着轧制压下率的增大，界 响因素对其界面结合性能的影响规律，从而找出改 面结合强度越好.Manesh与Taheri采用有限差 善其界面结合性能的方法 分法研究了双金属片厚度对双金属复合板界面结合 1分子动力学模型 强度的影响，发现双金属片的结合强度随着双金属 片厚度的减小而增加.许秀梅等应用ANSYS进 分子动力学模拟是一种计算机模拟实验方法， 行了不锈钢/碳钢复合板的轧制模拟，通过对变形区 能够从原子尺度上进行模拟，不仅可以得到原子的 内界面上的节点等效应力与界面结合强度的对比分 运动轨迹，还可以观察到原子运动过程中各种微观工程科学学报，第 40 卷，第 4 期 KEY WOＲDS composite board; interface; combined performance; molecular dynamics; hot compression 双金属复合板不仅具有单一金属所不具有的优 良性质( 如同时具备高硬度、高韧性等性质) ，而且 还能够大幅度节约贵金属材料，降低生产成本． 目 前，在多种制备双金属复合板的方法［1--3］中，轧制复 合法由于其速度快、批量大、产量高等特点而成为制 备双金属复合板的主要手段之一． 因此，如何通过 改善轧制工艺来提高双金属复合板整体力学性能一 直都是各国研究者的研究热点，特别是如何提高复 合板界面结合性能，因为界面结合性能是影响双金 属复合板整体力学性能的主要因素之一［4］． 目前，关于轧制金属复合板的研究方法主要有 试验分析、理论研究等方法． 采用试验分析方法的 研究主要集中在两方面，一方面是采用电镜等方法 研究复合金属的结合机理［5--12］，另一方面是研究工 艺参数对整体力学性能的影响［1，5，7--10，13--15］． 其中， 陈少航［1］研究了压下率和轧制温度对不锈钢/碳钢 复合板界面结合强度的影响，发现压下率和轧制温 度的提高都能够提高界面结合强度． Peng 等［5］研 究了轧制应变对铜/铝金属层压板的界面发展和结 合强度的影响，发现随着轧制应变的增加，在轧制和 烧结条件下层压材料的结合强度普遍提高，并且通 过扫描电镜和能谱分析研究了其界面发展． 谢广明 等［6］采用真空轧制法进行了奥氏体不锈钢和碳钢 的复合，通过能谱分析发现，由于 Cr、Ni 和 C 的迁移 而在界面形成富 Cr，Ni 层和脱碳区，脱碳区强度决 定了界面的结合性能． 厉梁［7］研究了温度等工艺参 数对真空复合轧制不锈钢复合板的微观组织和力学 性能的影响，通过扫描电镜和能谱分析，发现存在由 扩散形成的富 Cr，Ni 层和脱碳层，此外，随着加热温 度的升高，复合层宽度增加，界面剪切强度也增加． Nezhad 与 Ardakani［13］在不同预热温度和压下量下 对 STW22 钢和 Al 进行了温轧复合，发现结合强度 随着预热温度和总压下量的增加而增强． 研究者们 还通过有限元模拟等方法理论研究了金属复合板的 轧制［3，11，15--19］ 过程． 其 中，马 江 泽［3］ 采用 ANSYS / LS--DYNA 研究了压下率对不锈钢/碳钢复合板界 面结合强度的影响，发现随着轧制压下率的增大，界 面结合强度越好． Manesh 与 Taheri［15］采用有限差 分法研究了双金属片厚度对双金属复合板界面结合 强度的影响，发现双金属片的结合强度随着双金属 片厚度的减小而增加． 许秀梅等［16］应用 ANSYS 进 行了不锈钢/碳钢复合板的轧制模拟，通过对变形区 内界面上的节点等效应力与界面结合强度的对比分 析得出: 变形程度在 30% 左右就使复合板轧件产生 破坏，不锈钢/碳钢复合板可逆冷轧时首道次压下量 不应超过 30% ． 尽管试验方法能较好地解释结合现象，但试验 分析的成本相对较高，而目前有限元分析方法并不 能直接获得复合界面结合性能，只是通过复合面积 等间接观察其变化［3，15--16］． 因此，本文拟利用分子 动力学( MD) 模拟技术，通过计算原子之间的相互 作用来预测界面结合性能，并且从微观角度来研究 复合金属的结合机理． 目前该方法对非金属复合材 料界面的研究较多［20--23］． 周霞等［20］发现: 通过添加 镍涂层能够显著增加碳纳米管/镁复合材料弹性模 量、屈服强度及界面结合强度． Gall 等［21］采用改进 的嵌入原子法( MEAM) 模拟纯 FCC 铝和金刚石立 方硅之间的非相干界面的变形和断裂特征，发现在 平行于界面法线的拉伸过程中，界面附近的随机点 空位缺陷的引入以几乎成正比的速率降低界面的强 度． 同时，该方法也逐渐被运用到双金属复合板界 面的研究中［24--30］． Chen 等［24］用分子动力学方法模 拟了 1150 K 温度下 Cu--Ag 体系的扩散结合，结果表 明扩散层的厚度依赖于压力，压力越大扩散层越厚． Luo 等［25］用分子动力学方法研究了 Mo--Ti 界面的 扩散，发现温度的升高有利于界面区域厚度的增加， 并且( 1 1 1) 面对原子扩散比( 1 0 0) 和( 1 1 0) 面更 有利． 叶丽芬［26］研究了不同体系温度和压力下 Cu / Al 复合板界面处的扩散动力学行为，结果表明，升 温和加压均能促进扩散． 碳钢/不锈钢复合板因具有屈服强度高、耐腐性 能好等优良性能而被广泛应用，但目前对碳钢/不锈 钢复合板的界面结合性能的研究还有待进一步加 强． 由于复合板的结合性能主要包括结合强度、扩 散层厚度、界面结构等，因此，本研究采用分子动力 学方法对 316L /Q345Ｒ 复合板在不同工艺条件下进 行高温压缩复合模拟研究，着重研究不同因素对扩 散层厚度的影响以研究其结合机理，并获得不同影 响因素对其界面结合性能的影响规律，从而找出改 善其界面结合性能的方法． 1 分子动力学模型 分子动力学模拟是一种计算机模拟实验方法， 能够从原子尺度上进行模拟，不仅可以得到原子的 运动轨迹，还可以观察到原子运动过程中各种微观 · 074 ·