不锈钢包覆双金属钢的力学性能与数值模拟

《Journal of Building Engineering》：Mechanical behaviour and numerical modelling of stainless-clad bimetallic steel

本文研究了不锈钢包覆双金属钢的力学行为与数值建模方法，通过综合试验测定了静态强度、界面粘接强度（341.4 N/mm2）及循环本构参数，提出三种数值模拟策略并验证其有效性，为工程应用提供理论支撑。

　　

杨晓峰|班慧勇

清华大学土木工程系，北京，中国

摘要

本文研究了不锈钢包覆（SC）双金属钢的力学性能和数值建模。通过综合测试确定了其关键性能，包括静强度、延伸率、剪切强度和正常粘结强度以及循环本构参数。开发了三种数值建模方法，并应用于模拟在不同载荷条件下的结构构件：轴压下的短柱/细长柱、恒定轴载荷和水平往复载荷下的梁柱，以及平面弯曲下的管状T型接头。研究结果表明，SC双金属钢的强度介于基体金属和包覆金属之间，包覆层显著提高了材料的延展性；给定应变下的应力接近基体和包覆层应力的厚度加权总和；获得的粘结界面剪切强度和正常粘结强度（分别为341.4 N/mm2和351.4 N/mm2）超过了规范要求；提出的粘结模型能够模拟界面应力响应和失效过程；对于界面未失效的情况，建议使用简化建模或带有“Tie”约束的分层建模以提高模拟效率。

引言

高性能（HP）钢在现代工程中至关重要，因其出色的物理和力学性能而受到重视[1]。然而，由于其复杂的合金成分和制造工艺，其广泛应用往往受到高生产成本的限制。双金属钢通过将高性能金属（如不锈钢）与常规低碳（CM）钢等基体金属结合，并采用先进的粘结技术，成为解决这些挑战的创新方案。这种方法生产出了一种成本效益高的材料，既保留了高性能金属的优点，又减少了对外来昂贵合金的依赖，降低了生产成本。不锈钢包覆（SC）双金属钢就是这一创新的代表，它结合了不锈钢的耐腐蚀性和常规钢的强度及经济性。与纯不锈钢相比，SC双金属钢的镍（Ni）和铬（Cr）含量降低了70%以上，从而显著降低了成本，同时保持了高性能[2]。

SC双金属钢在力学强度和耐腐蚀性方面表现出色，非常适合用于恶劣环境中的项目，例如海洋结构。目前，它主要应用于石油化工[3]和造船工业[4]，在化工储罐、压力容器、管道以及石油和天然气相关船舶中表现出优异的性能。然而，其在结构工程中的应用仍处于早期阶段。最近的进展包括将其用于铁路钢桥，以增强耐腐蚀性和延长使用寿命。在建筑结构中，它已被用于高层幕墙，例如吉隆坡的EXIM银行大厦和广州的R&F英凯广场项目，与传统不锈钢板相比，提供了更高的刚度和更光滑的表面[2]。

尽管目前SC双金属钢主要用于非承重构件，但它在中承重应用方面具有巨大潜力。其独特的组成（两种金属和粘结界面）引入了可能影响结构行为的特性。潜在的挑战包括界面失效导致的意外失效模式或两种材料的相互作用改变整体性能。为了解决这些复杂性，本文重点研究了双金属协同作用机制、粘结界面性能以及SC双金属钢的数值建模策略。这些努力旨在为推进双金属钢在结构构件中的应用和结构分析的发展奠定基础。

SC双金属钢由两种不同的金属组成，其拉伸性能不同于单独的金属。影响这些性能的一个关键参数是包覆比例，即包覆层厚度与双金属钢总厚度的比值。在之前的研究中，作者团队研究了不同包覆比例下SC双金属钢的力学性能，发现较大的包覆比例可以提高断裂后的延伸率[5]。“混合规则”被广泛用于预测SC双金属钢及其组成层的强度指数之间的关系。许多研究[6][7]（包括拉伸试样测试）证实，SC双金属钢的弹性模量、屈服强度和极限抗拉强度与“混合规则”的预测结果一致。

关于SC双金属钢的断裂特性，赵等人[8]提出了失效模式和评估方法，指出强粘结界面使得两层材料能够共同变形直至最终断裂。楠布等人[9]根据界面强度将双金属钢的断裂类型分为三种：（i）各层独立断裂；（ii）界面失效伴随基体断裂；（iii）各层共同变形并断裂。黄等人[10]发现，粘结界面处的裂纹受到层间性能差异的影响，晶间断裂主要与碳扩散有关。李等人[11]对拉伸断裂表面进行了微观分析，发现裂纹通常起源于包覆层中碳含量增加的区域与粘结界面之间的区域。

基体层与包覆层在粘结界面处的过渡区域是SC双金属钢的一个显著特征，具有独特的微观结构和力学特性[12]。微观上看，该区域由三个部分组成：碳含量增加层、扩散层和碳含量减少层[13]。与基体层和包覆层相比，这个过渡区非常薄，因此在宏观分析中可以将其视为零厚度界面。在微观层面上，粘结界面内元素的逐渐扩散导致从基体层到包覆层的力学性能连续过渡[6]。研究表明，基体层中的脱碳层具有最低的强度，是决定组合强度和剪切强度的关键区域[14]。这些性能在结构应用中至关重要，影响基体层和包覆层的协同性能。界面强度影响承载能力，并可能导致界面分层，因此在设计和分析中具有重要意义。

基于现有文献，本研究探讨了SC双金属钢的力学性能和数值建模。进行了包括拉伸、剪切、组合载荷和循环载荷在内的基础测试，以确定静强度、断裂延伸率、粘结强度和循环参数等关键性能。基于粘结测试结果，开发了粘结单元策略和界面本构模型。提出了三种数值建模方法，并应用于模拟在不同载荷条件下的柱子和管状T型接头。比较结果为SC双金属钢的结构设计提供了见解和建议。与作者之前的工作[5]（仅描述了性能变化）不同，本文对基体层和包覆层对SC双金属钢复合应力-应变响应的力学贡献进行了定量分析。此外，本文还引入并验证了一种粘结区模型——这是之前建模工作中未涉及的关键进展[15]。图1示意性地展示了本研究的工作流程，从力学测试到力学指标的确定，最终进行数值建模和验证。

部分摘录

SC双金属钢板

本研究的对象是单面SC双金属钢板，其包覆层采用奥氏体不锈钢S31603，基体层采用低碳钢Q355B，通过真空热轧工艺制成。这些SC双金属钢板的制造过程包括几个关键步骤：

通过机械抛光和化学处理清洁包覆层和基体层的粘结表面，以去除污染物和氧化层，确保高质量

测试曲线和失效模式

图8显示了断裂后的试样。所有试样在断裂前都出现了明显的颈缩现象，断裂表面显示出延展性特征。这证实了所有测试材料的延性断裂行为。在最终加载阶段，无粘结界面的双金属钢试样的基体层和包覆层依次断裂，表明缺乏协同变形。相比之下，SC双金属钢试样则同时发生了两层的断裂

粘结界面建模策略与验证

使用有限元（FE）软件ABAQUS进行了剪切和组合载荷的数值模拟。模型分为三个区域：基体层、粘结界面和包覆层。模型尺寸与剪切和组合载荷试样的尺寸一致。由于粘结界面的几何形状复杂且尺寸较小，因此将其简化为一个厚度为0.1毫米的矩形模型。基体层和包覆层均进行了建模

结论

本研究对SC双金属钢进行了一系列力学实验，确定了其基本的力学性能。基于剪切和组合载荷测试的结果，提出了粘结界面的建模策略和三种双金属钢的建模方法。主要结论如下：

(1)

SC双金属钢的强度主要取决于基体金属，介于基体金属和包覆金属之间，其中包覆金属

作者贡献声明

杨晓峰：撰写——原始草稿、可视化、软件实现、方法论设计、实验研究、数据分析。班慧勇：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资源协调、方法论设计、实验研究、资金获取、概念构思

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52578214）的财政支持，特此表示感谢。